車用新能源動力電池系統PACK開發設計

動力電池系統是新能源電動汽車動力的來源，作為電動汽車的關鍵零部件，其設計的合理性和安全性對電動汽車起著至關重要的作用。文章基于某車企需求研發設計一款28 kWh的動力電池系統，主要從電池系統整體結構的排布與設計、電池電氣系統的設計、電池熱管理系統的設計等三個方面對該動力電池系統進行詳細設計和分析。該設計通過結構上尺寸鏈的分析校核是合理的，以及對其熱管理系統進行仿真分析，從而來驗證其性能的可行性。此次設計為后續進一步對該電池系統進行優化和試驗驗證提供了一定的理論基礎，也為電池系統開發工作者提供一定的參考價值。?

動力電池包是電動汽車的關鍵核心零部件，目前大多數電池包的固定方式采用箱體裝載式并固定于汽車底盤。動力電池系統主要由電池組件、電池箱體組件、電池管理系統（Battery Management ?System, BMS）、高壓電氣系統和熱管理系統等組成。動力電池系統的整體布局在滿足客戶設計需求的前提下，電池內部空間需排布合理，并且保障動力的穩定性以及電池的安全性。各排布之間確保零件之間不會相互干擾，且保證電池系統在合理的工作范圍內工作，且確保電池系統在合理的溫度范圍內工作，也就是確保電池的熱管理系統正常工作，均勻散熱，確保電池的一致性，提高電池的利用率，同時延長電池的使用壽命。以下對電池系統整體排布與設計進行概述。

根據上述動力電池系統的特點和特性，以及主機廠的設計要求，本文設計的動力電池系統主要由電池箱體、箱蓋、電池模組、高壓銅排、液冷板、高壓插件、電池切斷單元（Battery Disconnect?Unit, BDU）、BMS 主機和從機、煙霧傳感器以及高低壓接插件等組件組成。電池各部件的初步選定為：采用方殼電芯進行設計，電池模組選用1P34S×3 成組方式，系統額定容量為87 Ah，額定電壓為326 V，標稱電量為28.39 kWh，電壓范圍為255～372 V，可用的電池荷電狀態（State Of Charge, SOC）范圍為0～100%，電池系統的能量密度為120.8 Wh/kg。電池的防護等級根據國家的相關標準采用IP67 的防護等級。目前熱管理方式主要有液冷和風冷兩種方式，根據電池結構特點和客戶需求，本文采用液冷板液冷散熱和側面正溫度系數熱敏電阻（Positive Temperature Coefficient, PTC）加熱的熱管理方式。BMS 排布選擇一主兩從的結構形式。整體的PACK 尺寸設計為1 230 mm×1 085 mm×130 mm，整體PACK 的重量應為235 kg。電池包的三維整體布置如圖1 所示。

圖1 電池包三維整體布置圖

該電池PACK 系統中電池模組通過螺栓固定在電池箱體上，箱體與箱蓋最終通過螺栓進行密封。模組與模組之間通過串聯銅排進行連接，電池系統的前端留有一個矩形空間，專門布置2 個高壓箱BDU、BMS 主機和BMS 從機、煙霧傳感器以及用于引出總正和總負的高壓銅排。箱體前端外部安裝有高低壓接插件用于充放電以及與整車通訊連接。為了散熱性能好，在電池模組底部設計有液冷板用于散熱冷卻，模組側邊設計有PTC 加熱，兩者相結合保證電池系統在合理的溫度范圍內工作，提高電池系統的使用壽命。該電池系統結構設計緊湊、集成度高，且便于裝配和維修。

1.1 箱蓋設計

箱蓋采用預浸料模壓（Prepreg Compression Molding, PCM）材質。防腐等級根據國家標準GB/T10125－2012中對鹽霧實驗的要求，中性鹽霧≥720 h，阻燃等級應達到UL94-V0。加工工藝采用PCM，開模周期要求為45天。箱蓋的設計尺寸為1 215 mm×1 059 mm×32.65 mm，主體厚1.2 mm，法蘭為3.0 mm，箱蓋整體的質量≤4 kg，箱蓋安裝孔需增加C 型襯套，襯套可以避免扭矩衰減，有利于保護PCM 材料本體。箱蓋設計圖如圖2 所示。

圖2 箱蓋設計圖

1.2 箱體設計

箱體由多個零部件組成，邊框型材采用Al6061-T6，插件面板采用鑄鋁AlSi10MnMg，底護采用0.8 mm 的B340LA/590DP。防腐等級根據國家標準GB/T 10125－2012 中對鹽霧的實驗要求，中性鹽霧≥720 h，阻燃等級應達到UL94-V0。箱體的加工工藝采用液冷一體化設計，框架采用熔焊焊接，液冷板與箱體框架采用流鉆螺釘擰緊（Flow Drill Screw, FDS）工藝，同時使用密封膠輔助密封，沖壓底護板與箱體及液冷板用螺栓進行連接。箱體的設計尺寸為1 355 mm×1 145 mm×135 mm，質量大約36 kg。其箱體底護板噴涂0.8 mm聚氯乙烯（Polyvinyl Chloride, PVC），箱體設計如圖3 所示。

圖3 箱體設計圖

動力電池的電氣系統可保證整個電池包能夠安全運行，所以電氣設計是動力電池系統設計的關鍵部分。電動汽車電池包的電氣部分主要有電池模組、BMS、電氣部件（繼電器、接觸器、保險、傳感器、預充電阻等）、高低壓線束和連接器。

電氣系統設計實現功能為基礎，以安全為第一，可靠性為主，輸出可靠高效的電能。在設計過程中，高壓電氣負載匹配是一個重要的設計方案，包括接觸器、高壓線纜或銅巴、匯流排、熔斷器、高壓接插件等相互連接，將動力電池系統的電能輸送到車輛高壓系統。還需要考慮預充電阻和預充時間的確定，以避免高壓上電時產生瞬間大電流沖擊高壓電氣部件。

根據本文整體系統排布和結構方面的設計對電氣系統進行整體布局，其中電氣系統設計主要有高低壓系統設計、各類連接線束設計、各類低壓接插件設計。本文設計的動力電池電氣系統的整體布局如圖4 所示。

圖4 電氣系統整體布局圖

動力電池的熱管理系統對動力電池的性能、壽命、安全和儲能大小的變化等均有影響。要保證動力電池系統在合理的溫度范圍內工作，防止電池系統出現熱失控，導致電池壽命縮短和損壞，所以為了防止電池過熱，保障電池系統安全運行，對于動力電池的熱管理系統的設計和開發至關重要。

熱管理系統主要是對冷卻系統溫度進行檢測與控制。動力電池系統一般分為液冷和風冷，風冷成本低，能夠散去有害氣體，不存在漏液等復雜的問題。但是在動力電池包這種結構緊湊且需迅速冷卻的設備上，風冷并不適用；相比液冷，與整個電池包熱交互的速率更快，散熱更可靠的原因，同時電池模組采用了三塊1P34S的成組方式，所以受熱不均勻也成了電池是否能安全使用的一大重要問題，因此，本文設計的電池熱管理方式為液冷一體化加側面PTC 加熱的組合方式。

具體方案為冷卻方式采用一體化冷板液冷、加熱方式側面PTC 加熱方案、導熱界面模組與冷板之間填充2.5 mm 導熱膠（模組帶兜邊）、保溫和支撐設計底護板與一體化冷板間采用條狀硅膠泡棉作支撐（壓縮后2.5 mm）。液冷板布置在電池箱體與電池模組之間，為電池模組底部提供散熱，并在電池模組的側面布置PTC 進行加熱。采用該種底部液冷板加側面PTC 加熱的組合方式，可很好地對電池系統進行熱管理，其熱管理整體方案圖和熱管理系統圖如圖5 和圖6 所示。

圖5 整體方案圖

圖6 熱管理系統示意圖

3.1 液冷板設計

針對冷板進行關鍵尺寸及流道設計。冷板的材料選擇：上板選擇鋁錳合金并進行鍍膜處理（AL3003Mod），下板選擇鋁錳合金（AL3003）。冷板的板厚設計為上板1.2 mm，下板1.0 mm，水嘴內徑設計為16 mm。冷板的總體尺寸為1 206 mm×1 050 mm× 6.2 mm。液冷板進出水口直接接整車端，取消管路設計，在液冷板總進總出處安裝固定防護底座，液冷板四周固定，且與箱體邊框的固定采用FDS 流鉆螺釘固定。液冷板的設計方案如圖7 所示。

圖7 液冷板設計方案

3.2 PTC 設計

在模組的側面固定Ｌ型的PTC 加熱板，其兩頭通過螺栓緊固在模組端板上與模組集成在一起，集成后作為模組側板，通過加熱板上的支架將模組固定在箱體支撐梁上。該PTC 設計的結構尺寸為935 mm×97 mm×1.5 mm。

該PTC 在設計時采用了絕緣設計：在PTC 加熱板表面貼絕緣膜，防止加熱板鋁外殼與電芯接觸。導熱設計采用0.5 mm 導熱結構膠，導熱系數1.2 W/m.K，均勻鋪在絕緣膜表面。線路設計單獨采用一根主控線束將6個PTC加熱板并聯在一起，加熱板采用快插插件與線束連接，PTC 的三維設計方案見圖8。

圖8 PTC 三維設計方案

針對以上電池系統的結構設計，需通過尺寸鏈分析來判定其設計的結構尺寸是否合理，避免出現干涉的現象，特別是Z 向（即電池包的厚度方向）。由于Z 向空間較小，且布置的零部件較多，要保證設計的零部件都能合理地布置，下面將具體對Z 向進行尺寸鏈分析。

在Z 向尺寸鏈計算中，通過測量可得電池包Z向總尺寸為130 mm，具體電池包Z 向各尺寸間隙名稱和明細表如表1 和圖9 所示。圖9 電池包Z 向尺寸鏈示意圖如圖11 所示，選取Z 方向間隙最小區域進行尺寸鏈校核。

上偏差：Es=Es(A)+Es(B)+Es(C)+Es(D)+Es(E)+Es(F)+Es(G)+Es(H)+Es(I)=4.7 mm；

下偏差：EI=EI(A)+EI(B)+EI(C)+EI(D)+EI(E)+EI(F)+EI(G)+EI(H)+EI(I)=-4.7 mm。

經過上述分析和計算，可得出該電池系統的上、下偏差分別為4.7 mm 和-4.7 mm，滿足電池結構偏差設計要求±5 mm 的偏差范圍，可驗證該計算方向的設計間隙符合要求。

動力電池熱管理系統作為動力電池的關鍵零部件，其性能的好壞對動力電池及車輛的使用壽命和安全性等有著重要的影響，特別是針對極端惡劣天氣，電池系統能否有效實現低溫加熱，確保汽車安全穩定行駛，因此，設計一款具有良好熱管理系統的動力電池尤為重要。所以通常需要對電池熱管理系統進行仿真分析，來判斷系統內部壓降和低溫加熱性能是否滿足設計要求。

5.1 系統壓降仿真分析

為保證該動力電池系統在運行過程中始終保持在合適的溫度范圍內，需對該電池熱管理系統進行仿真分析，以分析該液冷系統內部壓降和低溫加熱工況，驗證設計的合理性。

本文將液冷板的進口端面設置為液體流量入口，出口端面設置為壓力出口，大小為0 Pa。其工況為以進口20 ℃冷卻液，流體介質為體積比為50%的水和乙醇的混合液，進口流量10 L/min，密度1 040 kg/m3，動力粘度1.65 mPa?s 來分析液冷板內部系統壓降，要求系統壓降≤25 kPa，系統內部壓降仿真分析曲線圖如圖10 所示，其對應的液體速度云圖如圖11 所示。

圖10 系統內部壓降曲線圖

圖11 系統內部流體速度云圖

根據仿真結果可知，液冷板內壁面最大壓應力存在部位，即入口部位。液冷板內壁面最大壓應力為21.413 kPa，小于設計要求的判定標準25 kPa，說明系統壓降滿足設計要求。從系統內部流體速度云圖可以看出，系統內部液體流速為0.8 m/s，滿足整車廠對電池熱管理系統流速在0.1～1 m/s區間的設計要求，仿真結果可驗證該系統滿足設計要求。

5.2 低溫加熱仿真分析

電池系統在低溫環境下工作性能較差，需要對電池熱管理系統的低溫加熱工況進行仿真分析。本文采用的是87 Ah 的LFP 型號的方殼電芯，其分析工況為假設周圍環境及電池系統初始溫度為-20 ℃，開啟PTC 加熱，當電芯最低溫度Tmin=0 ℃時停止，PTC 功率為單片550 W。設計目標為低溫世界輕型汽車測試循環工況，電池最低溫由-20 ℃加熱至0 ℃，時間≤35 min，溫差≤8 ℃。在每個大模組上分布3 個溫度監控點，3 個模組共分布9 個溫度監控點。經仿真分析后電池溫度仿真云圖和電池監控點溫度曲線分別如圖12和圖13所示。

圖12 電池溫度仿真云圖

圖13 電池監控點溫度曲線圖

圖13 表明，在此工況下，電池由-20 ℃加熱至0 ℃，低溫加熱工況結束后，模組的最高溫度為30.3 ℃，小于目標值38 ℃。溫差2.7 ℃≤8 ℃，仿真結果表明，電池系統的低溫加熱性能指標均滿足設計要求。

本文設計了一款車用新能源動力電池系統，分別從該動力電池系統的結構進行了設計（包括系統整體方案設計、箱體設計和箱蓋設計），又對電池的電氣系統以及對電池的熱管理系統進行了設計，并對該電池在結構上的尺寸鏈進行了分析和校核，以及對該電池系統的熱管理性能進行了仿真分析，包括分析其系統壓降以及低溫加熱工況，具體得到以下幾點結論：

1）通過對電池系統的結構設計進行分析，選取Z 向間隙最小區域進行尺寸鏈校核，結果表明該電池系統的上下偏差分別為4.7 mm和-4.7 mm，滿足電池結構偏差設計要求±5 mm 的偏差范圍，可驗證該系統結構在計算方向的設計間隙符合要求，驗證了結構設計的可行性。

2）通過對電池熱管理系統中的系統壓降工況進行仿真分析，結果表明液冷板內壁面最大壓應力存在部位，即入口部位。液冷板內壁面最大壓應力為21.413 kPa，小于設計要求的判定標準25 kPa，說明系統壓降滿足設計要求；系統內部液體流速為0.8 m/s，滿足整車廠對電池熱管理系統流速在0.1～1 m/s 區間的設計要求；仿真結果可驗證該系統滿足設計要求。

3）通過對電池熱管理系統中的低溫加熱工況進行仿真分析，電池由-20 ℃加熱至0 ℃，低溫加熱工況結束后，模組的最高溫度為30.3 ℃小于目標值 38 ℃。溫差 2.7 ℃≤8 ℃，仿真結果表明電池系統的低溫加熱性能指標均滿足設計要求。