点击蓝字丨关注我们 0引言 新能源汽车已成为21世纪汽车工业发展的热点,《中国制造2025》明确提出纯电动汽车 ､ 插电式混合动力汽车 ､ 燃料电池汽车是国家未来的重点发展方向 ,其中纯电动汽车是目前发展最快的新能源汽车 ｡ 而作为储能装置的动力电池是纯电动汽
新能源汽车已成为21世纪汽车工业发展的热点,《中国制造2025》明确提出纯电动汽车 ､ 插电式混合动力汽车 ､ 燃料电池汽车是国家未来的重点发展方向 ,其中纯电动汽车是目前发展最快的新能源汽车 ｡ 而作为储能装置的动力电池是纯电动汽车的关键部件之一 ｡ 目前纯电动汽车上采用的动力电池主要是锂离子蓄电池,由若干锂离子蓄电池电芯组成电池模组,箱体与若干电池模组及电路设备和附属电子电器部件组成动力电池包 ｡动力电池箱体作为动力电池的防护零件,首要功能是模组承载,在箱体内尽可能多布置电池模组以实现更大续航里程,整个电池包通过箱体与车身连接固定 ｡ 通常箱体具有可观的尺寸和重量,一般安装在车身下部,需经受道路环境对箱体的腐蚀和车辆运行过程中的振动和冲击等,这些因素决定了动力电池箱体的设计开发具有一定复杂性 ｡ 本文将详细阐述动力电池箱体的设计,并探讨下一步研究方向 ｡功能需求构成产品设计的基础要求,动力电池箱体承担对电池模组及电路设备和电子电气附件的承载和保护,因此高安全性和高可靠性是其首要功能要求 ｡ 它必须通过一定的机械强度和结构设计来保证抗冲击 ､ 抗碰撞和抗挤压性能 ,并保证抗振动的耐久可靠性能;必须满足密封性,包括气密性和防尘防水性能;必须满足防火性能和防腐蚀性能 ｡ 还需进行轻量化设计,箱体轻量化有利于提高电池包能量密度,也有利于增加续航里程 ｡由于动力电池箱体涉及诸多功能和苛刻要求,是涉及各种材料和不同工艺以及各种设计方法的大型零部件,需要系统地进行设计开发 ｡ 图1体现了可行有效的动力电池箱体设计思路 ｡箱体内部布置主要与电池模组等内部零件相关,外部布置主要与车身和底盘等外部零件相关,确定内外布置以后,从箱体基本结构展开到各子系统的具体设计,这个过程要考虑箱体强度和刚度等力学特性 ､ 防水防尘等密封特性 ､ 防火和防腐蚀等特性 ,同步分析可制造性 ｡ 轻量化设计和成本经济性评估则贯穿始终,并分阶段进行样件制作和试验验证 ｡为了获得更多续航里程需要安装较多电池模组,加上复杂的控制元器件 ､ 继电器 ､ 高低压线束 等,有时还要考虑布置水冷系统,导致电池包重量和尺寸较大 ｡ 例如续航里程在270km左右的纯电动汽车的动力电池包,其总重量近300kg,体积近200L ｡ 如此大的质量体安装在车辆底部,会对车辆的动力性产生较大影响 ｡ 一般基于传统车平台上更改的动力电池箱体分为跨过后桥和前后桥之间两种结构形式,见图2 ｡ 这两种形式各有优势,其对比情况见表1 ｡ 考虑到零件设计的紧凑性,将车身空间尽可能地让渡于乘客,采用前后桥之间的电池包箱体形式较多 ｡纯电动汽车动力电池包通常安装在车身地板以下,因此车身地板结构对动力电池箱体的布置影响很大 ｡ 传统的中央通道结构对布置电池模组非常不利,其尺寸直接限制了电池模组的尺寸和布置 ｡ 但是这种结构对车身力学结构比较有利,可以消除柱碰对模组的影响,也有利于车身刚度指标 ｡ 上壳体靠近车身地板,地板局部结构有时会和电池模组的布置发生冲突,合理布置上壳体与车身地板的间隙,也是上壳体设计过程中需要关注的内容 ｡
动力电池箱体与车身的连接通常只考虑垂直方向的固定,这样安装方便且车身结构连接点结构简单 ｡ 连接方案需考虑机械冲击 ､ 碰撞和振动各个工况下的固定可靠性,在固定薄弱环节可增加固定点或选用强度等级更高的螺栓 ｡ 对尺寸较大的动力电池箱体,除了在四周布置固定点,还应该考虑在箱体中心部位设置固定点 ｡
基于传统车身平台进行布置和设计,其开发成本和时间可以被大大缩短 ｡ 随着电动车技术的发展,电动车的车身将越来越独立于传统车身,开发全新电动车平台是一种趋势,巧克力盒子式动力电池箱体更有利于布置模组 ｡ 例如某全新平台电动车的车身地板和动力电池箱体就体现出了这种变化,见图3 ｡箱体的内部结构与模组的固定方式息息相关,考虑到安装方便,尤其是生产节拍较高的情况下需使用机器人自动安装,模组均采用垂直方向固定 ｡ 因此箱体下壳体内部的主体结构通常都是贯通的管状结构或截面梁结构,管或梁的布置 ､截面与箱体的强度 ､ 刚度密切相关 ｡ 箱体上壳体是非承力件,但是也是受周围条件影响最大的部件 ｡ 箱体内部主要是高压部件和电路设备 ,因此必须考虑安全的绝缘距离,如ISO6469 ､ ICE60664等都给出了详细的计算方法,在上壳体设计过程中必须将这些因素考虑周全 ｡
动力电池箱体通常由上壳体总成 ､ 密封系统和下壳体总成 3部分组成 ｡其中箱体下壳体是主承力部件,综合多种动力电池箱体的研究发现,钢制下壳体主要采取型钢焊接和钣金焊接两种方案,也有某些下壳体中既有钣金焊接也有型钢焊接 ｡ 因为型钢焊接比较简单,早期的箱体较常采用;而由于钣金焊接件在工艺性上的优势,后期更多箱体都采用钣金焊接方式 ｡ 二者优势对比见表2 ｡经济型入门级电动车以及国内早期电动车采用钢制箱体,随着电池包能量密度成为国内电动车补贴政策指标之一,具有轻量化优势的铝制下壳体成为目前的主流方案 ｡ 铝制下壳体主要分为挤出型材拼接和边框型材底板冲压两种形式,见图4 ｡ 挤出型材可形成封闭截面结构,具有优良的力学性质和轻量化特点,因此在目前动力电池箱体上得到了大量的应用 ｡ 二者优势对比见表3 ｡箱体上壳体是非主承力件,力学要求上远没有下壳体高 ｡ 除了空间布置之外,主要考虑的是表面刚度 ､ 可制造性 ､ 轻量化和绝缘性能 ｡ 如果出现模组固定失效情况,电池模组会倒搁在上壳体上,所以必须要考虑绝缘性能 ｡ 几何形状较为复杂的上壳体目前多采用复合高分子材料,例如不饱和树脂加玻璃纤维热固性SMC材料,通过模压工艺一次成型,既能满足刚度要求,也有轻量化和密封性好的优点 ｡ 形状较为简单的平坦结构则采用铝板冲压方案 ｡动力电池箱体位于车身下部,远离车头部位,因此侧碰和侧面柱碰对箱体结构影响较大,对于跨过后桥的箱体布置形式,后碰的影响也比较大 ｡ 由于锂离子动力电池模组的抗冲击能力有限 ,因此箱体的设计目标基本都是以碰撞之后变形不要接触到电池模组和控制器为限,如图5所示 ｡ 这些碰撞工况一般都以满足EU-NCAP作为评价标准,同时GB/T31498-2015针对正碰和侧碰对电动汽车提出碰撞后安全要求 ｡动力电池箱体在碰撞变形之后还需要满足高压电安全的要求,即高压电缆不能被切断 ｡ 可以考虑的方法如下:将高压电缆布置在碰撞影响小的区域;优化变形方式,让碰撞变形避让高压电缆;为高压电缆设计保护装置 ｡ 但有时由于条件的限制,箱体的变形还是会接触到高压电缆,这就需要控制接触时刻,让接触时刻发生在断路继电器起作用之后 ｡动力电池箱体位于车身下部的位置导致其可能会受到高速石击或高速跌落的情况,因此动力电池箱体必须具备很强的耐冲击能力 ｡ 在这种冲击下,要考察动力电池箱体连接车身的固定方式 ､ 电池模组在箱体内的固定方式以及模组内部单体电芯 的固定方式 ｡ 有一些参考标准,比如ISO12405中就规定了电池箱体需承受在3个自由度每个方向50g-6ms半正弦波连续10次的冲击 ｡ 目前各整车厂商所采用的冲击工况有所不同,但至少必须要满足国标GB/T31467.3-2015中的冲击要求 ｡
(2)动力电池箱体的刚度设计作为一个尺寸和质量都很大的安装在车身下部的部件,动力电池箱体的动刚度匹配非常重要,必须避开一些基本的路面激励,还要避免和车身的某些低频模态发生耦合 ｡ 一般情况下提高部件一阶模态的频率使之高于车身扭转刚度是一种简单易行的方法,某整车厂商将动力电池箱体一阶模态高于43Hz作为动刚度设计目标,通过反复分析应变能的分布来优化动力电池箱体的动刚度 ｡ 在开发过程中 ,发现除了下壳体结构对动刚度影响很大之外,通过加强约束连接来改善模组之间的相对窜动也是提高电池包动刚度的一项重要措施,见图6 ｡箱体类零件的局部模态优化也非常重要 ｡ 例如,上壳体表面的压印或筋状结构会直接影响表面刚度,过低的表面刚度会使零件在较低频率的激励下产生共振,除了产生噪声之外还会降低零件的疲劳寿命 ｡箱体的疲劳寿命和疲劳薄弱点的判断也是刚度设计过程中的一个重要领域 ｡ 箱体与车身刚性连接,在其运行生命周期内基本是以弹性范围内的小变形为主,因此可以通过适用于高周疲劳寿命计算的名义应力法进行校核 ｡ 即首先根据载荷确定危险区域的应力,然后通过材料的S-N曲线计算危险区域的应力集中系数,结合材料的疲劳极限图,通过插值将材料的S-N曲线转换成零件的S-N曲线 ｡ 最后根据危险区域应力由疲劳累计损伤定律计算疲劳寿命 ｡ 但是名义应力法计算工作量巨大,很多设计者会采用自己的经验算法,例如把危险区域的最大应力不超过材料屈服强度的3/4作为安全门槛值 ｡密封性是动力电池箱体的核心功能之一,按照电气元件的要求,其密封须达到IP6K7等级,某些整车厂商要求密封性达到IP6K9K等级 ｡ 但是由于动力电池箱体尺寸较大,有效空间受限于电池模组和车身结构,导致其密封长度较长,甚至超过6m,一般情况下只能提供一道密封的设计空间 ｡ 箱体密封系统是典型的静密封,其密封形式主要有O型密封和矩形密封两种,见图7 ｡ 前者的优势在于密封圈受到箱体的保护,材料在长时间使用后不容易变性;后者对上下壳体的配合要求比较低,具有一定的自适应性 ｡ 目前,在量产电池包中采用后者的方案居多 ｡主密封面的起伏变化是造成密封失效的主要原因,因为在这些区域,上下壳体的匹配与其他区域不一致,密封条的压缩量会有变化,同时起伏区域前后预紧力方向也不一致,所以密封面起伏区域容易发生泄漏 ｡ 在设计过程中,主密封面最好处于同一平面 ｡ 另外,主密封面上必须有足够的紧固螺栓,一般螺栓间隔距离不大于80mm ｡ 在密封条转角区域,两端一定要设置紧固螺栓 ｡ 在IPX7测试中,密封圈内外的压差达到约0.1个大气压,因此必须有足够的预压缩量,计算公式为式中:σp为密封接触压强;σ o 为密封预压缩应力;γ为泊松比;p为内外压差 ｡从式(1)可以发现,为了得到较高的密封接触压强,就需要采用较高泊松比的橡胶材料,一般密实橡胶弹性体几乎是不可压缩的,泊松比在0.5左右 ｡ 而多孔材料是可以压缩的,其泊松比要大大小于0.5 ｡ 例如,某动力电池箱体密封系统使用的是密实材料(三元乙丙橡胶EPDM),主要是因为EPDM材料具有优越的抗氧化和耐腐蚀能力,并已在车身上广泛应用 ｡ 另外,单组份聚氨酯发泡密封胶 ､ 硅橡胶 ､ 光敏密封胶等材料在电池包上也有应用 ｡复合材料的上壳体无论在绝缘还是轻量化领域的优势都很明显,除了在上壳体上应用SMC材料以外,可在下壳体上探索采用碳纤维增强复合材料 ｡ 碳纤维增强复合材料具有优异的力学性能,这使其具备替代金属材料的可能,其密度不到钢的1/4,具有高比强度 ､ 高模量 ､ 耐腐蚀 ､ 耐疲劳 ､ 抗蠕变 ､ 良好的设计性和可大面积整体成型等特点 ,在保证结构和密封性能不降低的前提下,进一步实现下壳体的轻量化设计,提高电池包能量密度和整车续航里程 ｡动力电池箱体上的密封条位于车身外部,这是一个高湿 ､ 高尘 ､ 少阳光的恶劣工作环境 ｡ 密封条的密封长度较长,密封等级要求高,需要继续深入研究选择何种合适的密封材料以满足压缩率 ､ 热膨胀率 ､ 热变性质 ､ 压缩永久变形 ､ 硬度变化等方面的要求 ｡针对电池包性能的法规要求有所变化,预计2019年下半年会发布新版国标《电动汽车用动力蓄电池安全要求》,以替代之前的推荐国标GB/T31467.3-2015《电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第3部分:安全性要求与测试方法》,在针对电池包层面的各项安全要求中,新国标的振动试验要求更苛刻了,且新增了热扩散试验要求,以后的动力电池箱体设计必须进一步提升性能,满足新的振动试验和热扩散试验要求 ｡动力电池包是为纯电动汽车提供能量源的“心脏”,而动力电池箱体作为动力电池包的载体和护盾,其安全性和可靠性要求极高,因此设计开发难度很大 ｡ 本文详细阐述了动力电池箱体的完整设计体系和具体设计方法,从箱体内外布置入手,确立箱体的基本结构,分析箱体的力学设计和密封系统设计,开展箱体子系统的具体结构设计,借助于刚强度等性能仿真模拟和成型连接等工艺仿真模拟,反复优化设计方案,分阶段进行样件试制和试验验证,并在下一步的设计研究中,继续探索新材料的应用,进一步提升箱体的安全可靠性能 ｡ 总之,本文所阐述的设计体系和思路对持续提升动力电池箱体设计开发能力,有非常重要的指导作用和现实意义 ｡
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