電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)與制造基本設(shè)計(jì)要求與思路16動(dòng)力電池與高壓電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)單體電池設(shè)計(jì)與選型234動(dòng)力電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本設(shè)計(jì)要求與思路16動(dòng)力電池與高壓電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)單體電池設(shè)計(jì)與選型234動(dòng)力電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本設(shè)計(jì)要求與思路6.1.1動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求和基本準(zhǔn)則首先,必須滿足整車的電壓平臺(tái)、電耗、功率、續(xù)駛里程等性能要求，依次確定所使用的單體電池參數(shù)、電池系統(tǒng)的參數(shù)、電池系統(tǒng)的相應(yīng)配置等.其次，在兼顧電池綜合性能的同時(shí)，也需滿足安全性、可靠性、維護(hù)、成本等其他基本設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。新能源汽車的動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)就是根據(jù)整車的設(shè)計(jì)要求，為其匹配具有最佳使用性能的動(dòng)力電池系統(tǒng)。新能源汽車的續(xù)駛里程取決于電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)容量和荷電狀態(tài)。電池系統(tǒng)往往需要串并聯(lián)大量單體電池來達(dá)到幾百伏的電壓（乘用車200-400V，商用車500-800V）和幾十到幾百千瓦時(shí)的電量，以滿足新能源汽車電驅(qū)系統(tǒng)的高效率運(yùn)行和續(xù)駛里程的需求。動(dòng)力電池系統(tǒng)涉及的安全性能主要有電池的過充電過放電、內(nèi)短路、針刺、擠壓、碰撞、振動(dòng)、低溫和高溫等。動(dòng)力電池屬于電化學(xué)能源體系，該體系對環(huán)境溫度十分敏感，需設(shè)計(jì)高效的熱管理系統(tǒng)來維持電池穩(wěn)定工作在適宜的溫度區(qū)間?；驹O(shè)計(jì)要求與思路6.1.2動(dòng)力電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和開發(fā)流程電氣特性：①標(biāo)稱電壓及工作電壓范圍；②電池系統(tǒng)常規(guī)充放電電流范圍；③電池系統(tǒng)基本充電要求。功率特性：①電池系統(tǒng)最大輸出功率及持續(xù)時(shí)間；②電池系統(tǒng)最大反饋功率及持續(xù)時(shí)間。能量特性：①規(guī)定條件下的總能量、總電量；②可用SOC范圍；③規(guī)定條件下可用能量、電量。環(huán)境特性：①電池系統(tǒng)使用溫度范圍；②充電過程溫度范圍；③儲(chǔ)存/靜置溫度范圍。物理特性：①電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與尺寸；②電池系統(tǒng)的質(zhì)量和密度；③力學(xué)性能；④安全防護(hù)性能。BMS要求：①對電池的管理和保護(hù)；②電池SOC和SOH判斷；③通信方式及收發(fā)器件設(shè)計(jì)要求；④控制要求及通信協(xié)議。整車接口要求：①物理接口，整車中電池安裝空間位置、固定連接方式、冷卻裝置管路和介質(zhì)流通的空間走向技術(shù)要求；②電氣接口，整車線束定義和技術(shù)規(guī)范、連接件的型號和引腳定義；③通信接口，電池系統(tǒng)與整車的通信、BMS內(nèi)部通信、電池系統(tǒng)與充電裝置通信，以及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、導(dǎo)出與維護(hù)。電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要確立以下相關(guān)參數(shù)1.確認(rèn)整車需求確定整車的設(shè)計(jì)要求。確定電機(jī)選型和參數(shù)要求。確定電池系統(tǒng)的功率需求、電壓范圍。確定電池系統(tǒng)的電池類型確定電池系統(tǒng)的SOC范圍、有效容量范圍和實(shí)際容量確定電池系統(tǒng)的組合結(jié)構(gòu)形式、BMS要求、接口、固定連接、散熱方式和充電方式等仿真模擬驗(yàn)證和優(yōu)化?；驹O(shè)計(jì)要求與思路6.1.2動(dòng)力電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和開發(fā)流程2.動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟整車電機(jī)參數(shù)；整車要求的工況續(xù)駛里程；反饋功率；動(dòng)力電池系統(tǒng)的安裝結(jié)構(gòu)尺寸及安裝固定要求；電池系統(tǒng)的質(zhì)量和可靠性要求；電池充電方式及接口要求；車輛運(yùn)行環(huán)境溫度范圍；電池充電環(huán)境溫度范圍；車輛輔助系統(tǒng)（車內(nèi)多媒體、空調(diào)、照明、無線電等）功率要求基本設(shè)計(jì)要求與思路16動(dòng)力電池與高壓電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)單體電池設(shè)計(jì)與選型234動(dòng)力電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)單體電池設(shè)計(jì)與選型6.1.2單體電池的結(jié)構(gòu)與工作原理材料體系主要結(jié)構(gòu)：正極、負(fù)極、電解質(zhì)、隔膜、集流體和外殼等正極材料：鈷酸鋰、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鎳鈷錳三元、鎳鈷鋁三元等幾種鋰金屬氧化物負(fù)極材料：有石墨材料、非石墨類碳材料、硅基材料、鈦酸鋰以及其他合金等電池結(jié)構(gòu)單體電池結(jié)構(gòu)：圓柱形電池，軟包電池，方形電池內(nèi)部成形工藝：疊片工藝，卷繞工藝單體電池設(shè)計(jì)與選型6.1.2單體電池的結(jié)構(gòu)與工作原理比亞迪-刀片電池

刀片電池具有介于軟包電池和方形電池之間的外形結(jié)構(gòu)，采用疊片式內(nèi)部成型工藝，通過增加電芯長度，把電池做成扁平形狀，刀片電池薄而長的結(jié)構(gòu)可以跳過模組由電芯直接陣列在電池包里，從而提高電池包的空間利用率和能量密度。特斯拉-4680電池4680電池單體容量更高，電池?zé)嵝阅芨?，有效降低了電池的生產(chǎn)成本。特斯拉的4680電池通過巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，直接利用整個(gè)集流體尾部作為極耳，并通過蓋板（集流盤）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)增大極耳傳導(dǎo)面積及其連接處的連接面積，縮短極耳的傳導(dǎo)距離。無極耳電池通過縮短極耳導(dǎo)電距離并增大連接面積，變相地降低了電池內(nèi)阻，從而提高了電池的充放電倍率。同時(shí)，無極耳設(shè)計(jì)將整個(gè)正負(fù)極集流體變成極耳，使得電流傳輸和發(fā)熱更均勻，提升了電池的散熱性。單體電池設(shè)計(jì)與選型6.1.2單體電池的結(jié)構(gòu)與工作原理鋰離子電池正負(fù)極材料具有不一樣的電化學(xué)勢，鋰離子總是從電化學(xué)勢較高的插層材料電極向電化學(xué)勢較低的電極移動(dòng)。在充放電過程中，鋰離子在兩個(gè)電極之間往返嵌入和脫嵌：充電時(shí)，鋰離子從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)，穿越隔膜，嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)而正極處于貧鋰狀態(tài)；同時(shí)在外電路中電子的補(bǔ)償電荷移動(dòng)到負(fù)極，形成外電路輸出的電流，并保持負(fù)極的電荷平衡。放電過程則恰恰相反，鋰離子從負(fù)極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)，穿過隔膜，嵌入正極，正極處于富鋰狀態(tài)而負(fù)極處于貧鋰狀態(tài)。鋰離子電池的能量主要來源于內(nèi)部所發(fā)生的電化學(xué)過程，其主要的電化學(xué)反應(yīng)過程包括固相界面的電極過程、固相和液相的傳質(zhì)過程以及固相和液相的電荷守恒過程。電池工作原理單體電池設(shè)計(jì)與選型6.2.2單體電池的設(shè)計(jì)與選型1.單體電池的材料與結(jié)構(gòu)選型和設(shè)計(jì)單體電池的選型和設(shè)計(jì)主要從以下幾個(gè)方面入手和考慮：1）電動(dòng)汽車的應(yīng)用類型和使用特點(diǎn)，尤其是不同類型的電動(dòng)汽車對動(dòng)力電池的差異性需求。

2）動(dòng)力電池自身特點(diǎn)的差異性（包括不同類型動(dòng)力電池的特性差異和對比），包括動(dòng)力電池產(chǎn)品性能、安全性、產(chǎn)品的工藝成熟度、產(chǎn)品成本、產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性，以及環(huán)保因素等。3）在單體電池的選型過程中，動(dòng)力電池特點(diǎn)的差異性是需要重點(diǎn)關(guān)注的，其中主要包括不同的正負(fù)極材料體系和組成結(jié)構(gòu)形式等，這些對應(yīng)著動(dòng)力電池的產(chǎn)品性能、安全性、產(chǎn)品技術(shù)和工藝成熟度、產(chǎn)品價(jià)格、產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性，以及環(huán)保因素等方面。單體電池設(shè)計(jì)與選型6.2.2單體電池的設(shè)計(jì)與選型1.單體電池的材料與結(jié)構(gòu)選型和設(shè)計(jì)幾種典型的正負(fù)極材料的優(yōu)缺點(diǎn)單體電池設(shè)計(jì)與選型6.2.2單體電池的設(shè)計(jì)與選型1.單體電池的材料與結(jié)構(gòu)選型和設(shè)計(jì)幾種典型的鋰離子電池結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)單體電池設(shè)計(jì)與選型6.2.2單體電池的設(shè)計(jì)與選型2.單體電池容量選型與電芯設(shè)計(jì)1）單體電池的技術(shù)成熟度

對于已經(jīng)設(shè)計(jì)定型或是已實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定成熟生產(chǎn)的單體電池而言，單體電池容量的選擇只需考慮已經(jīng)批量穩(wěn)定生產(chǎn)的單體電池容量規(guī)格。而對于非定型設(shè)計(jì)的單體電池而言，則需要考慮其技術(shù)可行性和生產(chǎn)工藝的可實(shí)現(xiàn)性，并且也需考慮目前單體電池開發(fā)進(jìn)度與動(dòng)力電池產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)度的一致匹配性。2）單體電池的安全性

①電池的體積：電池的體積與電池的安全性能息息相關(guān)。通常來說，電池的安全性是與電池中儲(chǔ)存的能量成反比的：電池所能釋放和存儲(chǔ)的能量越大，其安全性就越差。

②電池表面積與體積比：電池與外界的熱量交換主要是通過外界介質(zhì)與電池的表面?zhèn)鳠徇M(jìn)行的，一般電池越大，其比表面積就越小，電池內(nèi)部產(chǎn)生的熱量越不容易得到散發(fā)冷卻。3）整車電池安裝位置和空間限制

選擇尺寸合適的單體電池在有限的電池箱體中進(jìn)行布置，以合理地利用電池箱內(nèi)部有限的安裝布置空間，最大限度地提高電池箱的空間體積利用率，在有限的空間內(nèi)布置更多的單體電池。4）動(dòng)力電池系統(tǒng)的使用維護(hù)成本從使用和維護(hù)角度來看，小容量電池在生產(chǎn)制造過程中更容易控制其一致性。在電池組中出現(xiàn)故障的概率上，大電池要比小電池要高。單體電池容量選型需考慮的因素如下：單體電池設(shè)計(jì)與選型6.2.2單體電池的設(shè)計(jì)與選型2.單體電池容量選型與電芯設(shè)計(jì)首先需根據(jù)車輛在某整車綜合工況條件下的純電續(xù)駛里程實(shí)際要求、能耗需求、車速目標(biāo)，初步設(shè)計(jì)出動(dòng)力電池系統(tǒng)的總能量Q，結(jié)合整車選用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和其他控制電路的額定工作電壓U，計(jì)算系統(tǒng)的總?cè)萘亢涂捎萌萘浚夯趩误w電池正負(fù)極材料對比、電池系統(tǒng)總能量、總功率和空間重量需求、確定系統(tǒng)的比能量和比功率的最低需求，并結(jié)合電池系統(tǒng)峰值功率和總能量比值以及電池系統(tǒng)使用壽命的要求，確定動(dòng)力電池的材料體系和外形結(jié)構(gòu)選型，得到單體電池的額定電壓U0，并根據(jù)系統(tǒng)的額定電壓計(jì)算單體電池的串聯(lián)數(shù)量n1：最后基于整車的純電續(xù)駛里程的設(shè)計(jì)需求，根據(jù)動(dòng)力電池系統(tǒng)的總能量和額定電壓，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的并聯(lián)方案，并根據(jù)單體電池并聯(lián)數(shù)量n2，計(jì)算出對應(yīng)并聯(lián)方案下單體電池的容量：基本設(shè)計(jì)要求與思路16動(dòng)力電池與高壓電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)單體電池設(shè)計(jì)與選型234動(dòng)力電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)動(dòng)力電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)動(dòng)力電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)需要滿足以下要求：機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的通用要求。機(jī)械振動(dòng)和沖擊。測試對象按GB/T2423.43—2008《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)第2部分：試驗(yàn)方法振動(dòng)、沖擊和類似動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)樣品的安裝》的要求，在Z軸方向沖擊3次，觀察2h，要求電池包或系統(tǒng)無泄漏、無外殼破裂、無著火或爆炸等現(xiàn)象。試驗(yàn)后的絕緣電阻值不小于100Ω/V。碰撞。將測試對象水平安裝在帶有支架的臺(tái)車上,按GB38031—2020《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》要求進(jìn)行測試。密封防護(hù)需要滿足IP67要求。電池均衡。確保電池單體之間的電荷和放電均勻。底部抗石擊、球擊和穿刺性能。可靠性。結(jié)構(gòu)必須經(jīng)受住長時(shí)間和高頻率的充放電循環(huán)。防腐、防爆性能。在滿足以上要求時(shí)盡量輕量化設(shè)計(jì)。動(dòng)力電池系統(tǒng)主要由電池模組部分、箱體部分、線束部分、高壓電氣及電連接部分、熱管理部分等組成。首先需要滿足基本功能和機(jī)械安全，其次還需要考慮材料安全、電氣安全、熱安全、壽命以及可靠性等。動(dòng)力電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)6.3.1電池模組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)CTM結(jié)構(gòu)模組的構(gòu)成主要有以下部分：單體電池：電池模組的核心是單體電池，通常采用鋰離子電池技術(shù)。單體電池是能夠存儲(chǔ)和釋放電能的基本單元，可以認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)化的單元結(jié)構(gòu)。熱管理結(jié)構(gòu)：與單體電池進(jìn)行熱交換的換熱器和散熱構(gòu)件，如導(dǎo)熱膠、散熱片、散熱管或液冷系統(tǒng)。這有助于防止電池過熱，提高性能和安全性。電連接結(jié)構(gòu)：電池模組中的電池單體之間以及與整個(gè)電動(dòng)車系統(tǒng)之間的連接通常使用高壓插接器和導(dǎo)線，大多通過激光或超聲焊接的方式連接。這些組件負(fù)責(zé)電氣連接以及傳輸電能。單體電池緊固結(jié)構(gòu)：單體電池通過固定件定位之后，需要緊固結(jié)構(gòu)來保證長時(shí)間振動(dòng)環(huán)境下的放松要求。設(shè)計(jì)上一般采用螺栓螺母連接、焊接或者粘結(jié)等方式。絕緣保護(hù)結(jié)構(gòu)：保證整體的電氣安全，需要設(shè)計(jì)絕緣保護(hù)結(jié)構(gòu)，例如單體電池的絕緣保護(hù)紙。采樣結(jié)構(gòu)：主要包括采樣線束以及采集器，也有將兩者集成在一起的設(shè)計(jì)。該結(jié)構(gòu)主要用來采集單體電池的電壓和溫度，實(shí)時(shí)監(jiān)控模組內(nèi)單體電池的工作狀態(tài)。另外采樣結(jié)構(gòu)還有均衡功能，保證模組內(nèi)單體電池容量均衡。CTM（CelltoModule）結(jié)構(gòu)是將單體電池先集成到模組，再將模組集成為整個(gè)電池包的結(jié)構(gòu)。動(dòng)力電池模組是由多個(gè)電池單體以及相關(guān)的散熱、電氣連接和控制管理系統(tǒng)組成的功能單元。單個(gè)模組由單體電池通過串聯(lián)和并聯(lián)外加結(jié)構(gòu)件、線束和導(dǎo)電巴組成。目前市面上的動(dòng)力電池模組按照單體電池的種類，可分為方形電池模組、軟包電池模組和圓柱電池模組三類。動(dòng)力電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)6.3.1電池模組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)CTP結(jié)構(gòu)CTP結(jié)構(gòu)全稱為“CelltoPack”,即跳過標(biāo)準(zhǔn)化模組環(huán)節(jié)，直接將單體電池集成在電池包上，較傳統(tǒng)體積利用率提高15%-20%，零件減少40%，生產(chǎn)效率提高50%，電池包能量密度達(dá)到200W·h/kg以上。動(dòng)力電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)6.3.1電池模組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)CTB結(jié)構(gòu)CTB結(jié)構(gòu)全稱為“CelltoBody”，是2022年由比亞迪提出的一種全新電池集成方式，主要形式為將電池直接集成到車身上，進(jìn)一步提升了整車空間利用率和汽車各項(xiàng)性能。該技術(shù)由CTP技術(shù)發(fā)展而來，從下往上分別是托盤、黏結(jié)劑、單體電池、黏結(jié)劑和車身地板集成電池上蓋，共計(jì)5個(gè)部分，簡而言之，就是車身地板集成電池上蓋—電芯—托盤，成為一個(gè)整車三明治結(jié)構(gòu)。在CTB這種結(jié)構(gòu)模式下，電池不僅是能量體，同時(shí)也作為結(jié)構(gòu)體參與整車傳力和受力，能夠使整車側(cè)柱碰撞侵入量減少45%。CTB技術(shù)是在刀片電池的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是將車身地板面板與電池包上殼體合二為一，集成到電池上蓋與門檻及前后橫梁形成的平整密封面上，通過密封膠密封乘員艙，電池包底部通過安裝點(diǎn)與車身組裝。換而言之，就是將電池系統(tǒng)作為一個(gè)整體與車身集成，這樣既可以滿足電池本身的密封及防水要求，又可以簡化電池與乘員艙的密封方式，提高整車強(qiáng)度，同時(shí)降低電池風(fēng)險(xiǎn)。動(dòng)力電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)6.3.1電池模組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)CTC結(jié)構(gòu)CTC結(jié)構(gòu)，全稱為“CelltoChassis”，是指將電池集成到底盤上。CTC技術(shù)省去了從單體電池到模組，再到電池包的兩個(gè)裝配過程，直接將電芯單體集成到底盤。其本質(zhì)是將電池包上殼體和車身下地板合二為一，座椅直接安裝在電池包上蓋上，電池包既是能量提供裝置，又是整車結(jié)構(gòu)部件。該技術(shù)最先由特斯拉公司于2020年9月23日與4680電池同步推出。其優(yōu)點(diǎn)在于減少了模組和電池包，節(jié)省了空間，提升了續(xù)駛里程；同時(shí)，零部件和結(jié)構(gòu)件也大大減少，降低了重量，簡化了流程，節(jié)約了成本，灌膠方案對電池“化零為整”，大大提高了車身的剛度。但同時(shí)也存在對單體電池一致性要求高、幾乎不可能進(jìn)行維修、維修成本極高等問題。動(dòng)力電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)6.3.2電箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)要求動(dòng)力電池箱體的主要任務(wù)是支撐保護(hù)電池模組，并在實(shí)際設(shè)計(jì)尺寸內(nèi)盡量容納更多的電池模組。整個(gè)電池包則通過箱體與車身連接并固定在一起。目前電池箱體一般使用鈑金件、鋁壓件和復(fù)合材料箱體，在保證強(qiáng)度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)批量化以及標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。如下是動(dòng)力電池箱體的設(shè)計(jì)要求：考慮強(qiáng)度和剛度的同時(shí)，必須承受電池的重量以及與車輛運(yùn)行相關(guān)的振動(dòng)和沖擊。滿足電氣安全需求的前提下，需要盡可能地壓縮空間體積，以提高成組效率。為了實(shí)現(xiàn)低成本和輕量化，需在滿足強(qiáng)度和剛度要求的前提下，采用低成本、薄材料。確保電池不受外界環(huán)境的影響，達(dá)到IP68防護(hù)等級，并杜絕任何破裂和起皺的缺陷，以保障可靠性。要具備耐蝕性，使電池的使用壽命可達(dá)10年以上。為了實(shí)現(xiàn)散熱的均勻性，底部必須平整，以確保電池與箱體底部導(dǎo)熱介質(zhì)的均勻厚度。動(dòng)力電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)6.3.2電箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分部設(shè)計(jì)要求（1）箱體上殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)純電動(dòng)汽車的電池包通常被安裝在車身地板的下方，與車身地板靠近的上殼體有時(shí)會(huì)與地板的局部結(jié)構(gòu)發(fā)生沖突。因此，在設(shè)計(jì)上殼體時(shí)，需要合理安排上殼體與車身地板之間的間隙。常見材質(zhì)包括鈑金、鋁合金、復(fù)合材料。在前期樣品階段，鈑金和鋁合金蓋板使用較多，可以直接折彎拼焊，無需使用模具，但生產(chǎn)成本較高，售價(jià)相對較貴。相反，復(fù)合材料蓋板在批量生產(chǎn)時(shí)更為常見，產(chǎn)品單價(jià)較低且重量較輕。鈑金：通常采用折彎后拼焊、鉚接、焊接等工藝；鋁合金：通常應(yīng)用一體沖壓成形、修整、摩擦焊、變形矯正等工藝；復(fù)合材料：一般采用模壓成型工藝。（3）箱體下殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)箱體下殼體是動(dòng)力電池的主要承重部件，在設(shè)計(jì)時(shí)相對于上殼體更為復(fù)雜。目前，箱體底座常用的材質(zhì)同上殼體大致相同，包括鈑金和鋁合金。鈑金底座采用兩種加工工藝：折彎后拼焊；一體沖壓成形并進(jìn)行點(diǎn)焊。鋁合金底座則一般采用低壓砂型鑄造在箱體底座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要重點(diǎn)考慮機(jī)械強(qiáng)度、防腐蝕、防石擊、密封防水、輕量化、定位和固定點(diǎn)，以及內(nèi)部橫、縱梁的設(shè)計(jì)，以滿足擠壓、振動(dòng)和模組的固定等需求。（2）密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)密封性是動(dòng)力電池箱體的關(guān)鍵功能之一。根據(jù)電氣元件的要求，其密封級別通常要求達(dá)到IP6K7，而一些整車廠商甚至要求密封性達(dá)到IP6K9K。動(dòng)力電池箱體的尺寸較大，電池模組和車身結(jié)構(gòu)的存在導(dǎo)致設(shè)計(jì)空間有限，使得密封長度較長。在大多數(shù)情況下，只能提供一道密封的設(shè)計(jì)空間。箱體密封系統(tǒng)屬于典型的靜密封。密封失效主要在于主密封面的起伏變化。上下殼體的匹配與其他區(qū)域不一致，主密封面的起伏區(qū)域前后預(yù)緊力方向也不一致，因此泄漏容易發(fā)生在此區(qū)域。主密封面需置于同一平面上。此外，主密封面上必須有足夠數(shù)量的緊固螺栓。動(dòng)力電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)6.3.2電箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新型電箱結(jié)構(gòu)實(shí)例由圖是上述單體電池成組之后的電箱結(jié)構(gòu)。將單體電池通過匯流部件成組，安裝在箱體中。在電箱下板上為每個(gè)單體電池布置避讓結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)尺寸和單體電池防爆閥一致或略大，一一對應(yīng)。在單體電池發(fā)生熱失控時(shí)通過下底板流道將氣體排出。箱體下板所在板為冷卻板。冷卻板可以是兩層導(dǎo)熱板集合而成，中間布置流道流通冷卻液體。緊固結(jié)構(gòu)為冷卻板提供防護(hù)；箱體梁將箱體分為兩側(cè)，左側(cè)為電氣結(jié)構(gòu)布置箱，右側(cè)為收集箱。左圖為寧德時(shí)代公司推出的熱電分離的單體電池結(jié)構(gòu)。包括單體電池盒1，電極組件2。其中單體電池盒1包括殼體3、蓋板4以及泄壓機(jī)構(gòu)5。正、負(fù)極極耳在單體電池上端，泄壓機(jī)構(gòu)即防爆閥位于單體電池下端。在單體電池發(fā)生熱失控時(shí)，防爆閥設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)會(huì)被打開，形成泄壓通道。多個(gè)單體電池被匯流部件連接產(chǎn)生高壓。此時(shí)熱失控泄壓區(qū)和高壓側(cè)位于電池包的兩端，兩者互不影響，提升了電池的安全性能。目前最新的電箱結(jié)構(gòu)都考慮了熱電分離的形式。熱電分離即為將電池的泄壓機(jī)構(gòu)和匯流部件設(shè)計(jì)在不同側(cè)。使得泄壓機(jī)構(gòu)觸發(fā)時(shí)該電池單體的排放物遠(yuǎn)離匯流部件，實(shí)現(xiàn)熱電分離。同時(shí)泄壓機(jī)構(gòu)布置在遠(yuǎn)離駕駛艙乘員的一端，在發(fā)生熱失控時(shí)，單體電池的排放物不會(huì)朝著駕駛艙排放，提高車輛的安全性。動(dòng)力電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)6.3.3安全防護(hù)設(shè)計(jì)機(jī)械安全電動(dòng)汽車安全性和傳統(tǒng)燃油汽車的最大不同在于電帶來的實(shí)際效果。模組的電氣安全設(shè)計(jì)主要為絕緣設(shè)計(jì)，包含單體電池和單體電池、單體電池和模組機(jī)械外殼的絕緣防護(hù)。上圖所示為軟包單體電池的堆疊方案，在兩端和殼體接觸位置布置4.5mm的端板泡棉，用來保證模組內(nèi)單體電池的絕緣性能。其次，在單體電池和模組外殼的設(shè)計(jì)上，通常在單體電池與底板、端板以及側(cè)板之間增加絕緣材料或者絕緣膜，保證殼體和模組金屬外殼的絕緣強(qiáng)度。機(jī)械安全設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)是使機(jī)械電子產(chǎn)品在其整個(gè)壽命期，即從制造、運(yùn)輸、安裝、運(yùn)行、清理、維修、停止使用以及拆卸處理等各個(gè)環(huán)節(jié)都是充分安全的。電池模組的機(jī)械安全主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度上。一般可以分為單體電池自身固定和模組對外固定：單體電池的自身固定軟包電池：單體電池本身結(jié)構(gòu)較弱，增加保護(hù)外殼。圓柱形電池：自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不弱，通常采用帶有圓柱形凹槽的固定架來固定單體電池。為防止單體電池轉(zhuǎn)動(dòng)，一般使用膠水來黏結(jié)單體電池。方形電池：大多數(shù)采用金屬框架來固定單體電池，金屬框架之間通過焊接連接。電池模組對外的固定結(jié)構(gòu)需要滿足在標(biāo)準(zhǔn)工況或客戶要求工況下的耐沖擊和耐久性要求。電氣安全動(dòng)力電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)6.3.3安全防護(hù)設(shè)計(jì)熱安全云母片作為防火隔熱材料在電池中廣泛應(yīng)用。云母板由云母紙與有機(jī)硅樹脂經(jīng)氈合、加溫、壓制而成。相較于阻燃泡棉，由于云母在其中高達(dá)90%以上，所以抗沖擊性大大增強(qiáng)，且抗彎折和拉伸性能極佳，適應(yīng)于多種隔熱場景。模組的熱安全性能：某個(gè)單體電池發(fā)生熱失控時(shí)，避免或者延緩熱失控事件傳播到其他單體電池的能力。模組的熱安全設(shè)計(jì)應(yīng)該包括模組內(nèi)材料的選擇以及隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為了保證單體電池之間的隔熱，在單體電池之間加入1.5mm的氣凝膠來隔絕熱傳播。鋁板與單體電池直接接觸，將單體電池產(chǎn)生的熱量阻隔并達(dá)到散熱作用。電池包外殼采用ZS隔熱保溫涂料，起隔熱作用動(dòng)力電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)6.3.3安全防護(hù)設(shè)計(jì)材料安全傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模組需要具有耐高溫的絕緣熱性能材料，增強(qiáng)隔熱性能，應(yīng)對在機(jī)械濫用、電濫用和熱濫用等條件下引發(fā)的副反應(yīng)。結(jié)構(gòu)膠、絕緣保護(hù)蓋和采樣線束都需要達(dá)到UL94-V0等級。模組內(nèi)的金屬材料，需要考慮腐蝕帶來的風(fēng)險(xiǎn)。銅、鋁材料表面施加鎳、錫或銀等鍍層，增強(qiáng)防腐能力。安全電解液：添加含磷元素的阻燃劑——甲基膦酸二甲酯（DMMP）、磷酸三乙酯（TEP）等。安全隔膜：新型隔膜使鋰離子電池具有高電化學(xué)容量和高安全性，如改性聚烯烴基隔膜、新型聚合物隔膜和陶瓷隔膜等。固態(tài)電解質(zhì)液態(tài)電解質(zhì)：高溫下會(huì)發(fā)生的副反應(yīng)。大電流工作情況下由于鋰的不均勻沉積，可能會(huì)出現(xiàn)鋰枝晶刺破隔膜導(dǎo)致短路破壞。固態(tài)電解質(zhì)：能量密度能夠達(dá)到500~600W·h/kg。避免液態(tài)鋰電池易燃燒、易腐蝕以及泄漏污染的問題。模組的材料安全主要體現(xiàn)：隔絕熱源、防止濫用或者局部事件導(dǎo)致的熱量蔓延失控。有害物質(zhì)的使用需要限制。金屬材料的腐蝕防護(hù)基本設(shè)計(jì)要求與思路16動(dòng)力電池與高壓電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)單體電池設(shè)計(jì)與選型234動(dòng)力電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)電池系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與管理6.4.1狀態(tài)監(jiān)測與分析電池狀態(tài)監(jiān)測電池狀態(tài)監(jiān)測是BMS的基礎(chǔ)功能，主要涉及電壓、電流和溫度這三種物理量的實(shí)時(shí)監(jiān)測。這些數(shù)據(jù)是評估電池其他性能指標(biāo)的基礎(chǔ)，例如SOC的估算。準(zhǔn)確的狀態(tài)監(jiān)測對于保證電池的安全性和性能至關(guān)重要電壓監(jiān)測：用于了解每個(gè)電池單體的電壓狀態(tài)，防止過充或過放。電流監(jiān)測：用于監(jiān)控充電和放電過程中電流的大小，確保其在安全范圍內(nèi)。溫度監(jiān)測：用于檢測電池和環(huán)境溫度，防止電池在高溫或低溫條件下工作導(dǎo)致的潛在安全風(fēng)險(xiǎn)。電池系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與管理6.4.1狀態(tài)監(jiān)測與分析電池狀態(tài)分析——SOC評估電池狀態(tài)分析主要包括電池的剩余電量評估及電池劣化程度評估兩部分，即所謂的荷電狀態(tài)評估及健康狀態(tài)評估。SOC表示電池的剩余電量，類似于傳統(tǒng)汽車的燃油表。SOC的準(zhǔn)確估算是電動(dòng)汽車駕駛員了解電池續(xù)航能力的關(guān)鍵。SOC估計(jì)方法電池系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與管理電池狀態(tài)分析——SOC評估電荷累積法(CoulombCountingMethod,CCM)是一種通過預(yù)先知道上一時(shí)刻電池剩余電量狀態(tài)，并對一段時(shí)間內(nèi)動(dòng)力電池充入和放出的電荷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的方法，從而得到當(dāng)前電池的荷電狀態(tài)。若t1時(shí)刻電荷量為Qt1，t2時(shí)刻電池電荷量為Qt2則從t1到t2期間電池充入，放出的累計(jì)電荷為：通過上式求得Qt2后，可以通過比例運(yùn)算求得此時(shí)的SOC值。6.4.1狀態(tài)監(jiān)測與分析電池系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與管理電池狀態(tài)分析——SOC評估開路電壓法一種通過測量動(dòng)力電池在工作電流為零時(shí)的開路電壓，來估算電池的SOC的方法。三元鋰電池的OCV-SOC曲線在實(shí)際應(yīng)用中，OCV法常常利用工作電流為零時(shí)測量的電池電壓，然后根據(jù)SOC-OCV曲線反推出電池的SOC值。缺點(diǎn)：中間段坡度平緩，受溫度等因素影響容易產(chǎn)生較大誤差。6.4.1狀態(tài)監(jiān)測與分析電池系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與管理電池狀態(tài)分析——SOC評估基于模型的估計(jì)方法該方法利用模型和狀態(tài)估計(jì)算法完成動(dòng)力電池的SOC估計(jì)，因此該方法需要建立可靠的數(shù)學(xué)模型。基本步驟：1)初始化。確定初始SOC值及初始電池電壓。2)電流采樣。以一定的頻率采樣電池充放電電流。3)電壓采樣。同時(shí)以一定的頻率采樣電池端電壓。4)動(dòng)態(tài)更新電池電壓。根據(jù)RC模型更新電池端電壓：5)更新SOC。使用開路電壓-荷電狀態(tài)（OCV-SOC）關(guān)系曲線反向查找當(dāng)前SOC：6)誤差校正?？梢酝ㄟ^卡爾曼濾波器或擴(kuò)展卡爾曼濾波器來減少累計(jì)誤差。7)循環(huán)迭代。持續(xù)重復(fù)上述過程，直到停止條件滿足。6.4.1狀態(tài)監(jiān)測與分析電池系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與管理電池狀態(tài)分析——SOH評估SOH反映了電池的劣化程度和剩余壽命?；谌萘康碾姵亟】禒顟B(tài)表征：SOH通常通過“容量衰減”和“直流內(nèi)阻譜”來評估。容量衰減指電池的實(shí)際容量相對于其初始容量的減少量；直流內(nèi)阻譜指電池內(nèi)部阻抗的變化，較高的內(nèi)阻可能意味著電池老化。新動(dòng)力電池的SOH被設(shè)定為100%純電動(dòng)汽車可以認(rèn)為當(dāng)動(dòng)力電池的容量達(dá)到初始容量的80%即不再滿足使用要求?；旌蟿?dòng)力汽車采用2倍的初始內(nèi)阻作為達(dá)到壽命終點(diǎn)的條件。6.4.1狀態(tài)監(jiān)測與分析電池系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與管理電池狀態(tài)分析——SOH評估SOH估計(jì)方法的種類SOH估計(jì)方法可分為實(shí)驗(yàn)分析法與基于模型的方法：實(shí)驗(yàn)分析法指通過對采集到的動(dòng)力電池電流、電壓、溫度等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析相對直接地獲取某些能反映動(dòng)力電池衰退的特征參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池SOH的標(biāo)定，根據(jù)所選動(dòng)力電池參數(shù)的不同，它又可分為直接測量法與間接分析法；基于模型的方法則需采用動(dòng)力電池模型對所選動(dòng)力電池參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池SOH的標(biāo)定，根據(jù)所選估計(jì)算法的不同，它又可分為自適應(yīng)狀態(tài)估計(jì)算法與基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法。6.4.1狀態(tài)監(jiān)測與分析電池系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與管理6.4.2電池系統(tǒng)保護(hù)電池安全保護(hù)是BMS最重要的功能之一，它主要通過狀態(tài)監(jiān)測和分析來預(yù)防和應(yīng)對各種潛在的安全問題。過流保護(hù)當(dāng)充放電電流超過電池的安全范圍時(shí)，BMS會(huì)啟動(dòng)過流保護(hù)措施。電動(dòng)汽車啟動(dòng)和加速時(shí)需要較大的電流，BMS必須根據(jù)不同電池的特性來設(shè)置合適的過流保護(hù)策略。過流保護(hù)采取的措施可以包括限制電流或切斷電流，防止電池因過流而過熱或損壞。過充過放保護(hù)過充會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部產(chǎn)生高壓和高溫，從而損壞電池；過放則會(huì)導(dǎo)致電池電壓過低，影響其壽命和安全性。BMS通過設(shè)定充放電的截止電壓，當(dāng)電壓超出設(shè)定范圍時(shí)，自動(dòng)切斷充電或放電回路以保護(hù)電池。過溫保護(hù)動(dòng)力電池在高溫條件下可能發(fā)生不受控的化學(xué)反應(yīng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)安全事故，因此過溫保護(hù)必不可少。BMS監(jiān)控環(huán)境溫度、電池組溫度及單體電池溫度，及時(shí)采取措施如降載、停止充放電或警示駕駛員。當(dāng)溫度接近危險(xiǎn)門限值時(shí)，提前采取防護(hù)措施是確保安全的關(guān)鍵。電池系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與管理6.4.3電池均衡管理電池組使用過程中，電池的容量和SOC往往存在差異，