新能源汽车用电池包支架结构设计

新能源汽车用电池包支架结构设计

刘争光

惠州亿纬锂能股份有限公司

引言

汽车作为人类重要的交通工具，给人类的生产和生活带来了极大了便利，但其对能源的消耗也十分巨大，对环境的污染也较为严重，因此，随着科学技术的不断发展，人类开始探索采用新能源为汽车提供动力。尤其是近几年新能源汽车技术的不断成熟，新能源汽车已经随处可见，而且已经成为汽车领域未来发展的必然趋势。现阶段新能源汽车所采用的动力能源主要是依靠电池包提供的电能。电池包是新能源汽车的主要储能部件，其直接关系到新能源汽车的性能。目前，新能源汽车的电池主要使用的是镍氢动力电池，由于其本身具有比能量高、比功率高、无污染以及使用寿命长等优势，已经在新能源汽车中得到了广泛应用。但同是镍氢电池特别是汽车所使用的高功率镍氢电池对温度变化较为敏感，需要在稳定的、特定温度范围的环境下才能发挥出最佳效能，这就需要我们对电池包的结构进行科学合理的设计，以保证电池包的正常使用。

一、电池包易发生的问题

（一）电池发热快

由于电池的放电倍率会因车辆低速、高速、加速、减速等行驶状态的变换而产生变化，这就会导致电池放电倍率在变化过程中产生不同的生热速率，从而造成大量热能的产生，给电池的性能造成严重影响。

（二）电池包不易散热

新能源汽车和传统汽车一样，本身重量较大，带动汽车运动的动力能源需求很高，这就需要较多的电池数量来达到相应的指标。但由于汽车本身装载空间有限，这就使得这些电池必须紧密排列连接才能满足要求。因此，在实际行驶过程中，除了会出现电池发热快的问题以外，还会因电池排列紧密引起电池包中间温度过高，而边缘热量较少，造成每个单体电池之间的温度不均衡，并且不利于电池的均匀散热。而这种镍氢电池发热快、散热不均匀的问题，造成电池包在运行中的环境温度更为复杂多变，使得各单体电池、电池模块内组与容量的不一致性问题更加严重。此外，热量的长时间积累所导致的部分电池过分放电与部分电池过分充电，会严重影响电池的寿命与性能，同时还会带来安全隐患。如果电池在高温下不能及时得到散热通风，会使整个电池包系统温度过高或分布不均匀，进而降低整个电池包的电循环效率，使电池包的功率与能量无法得到充分发挥，严重时还会造成热失控，最终降低整个电池包的安全可靠性。

（三）电池之间的连接容易受损

汽车在行驶过程中会因路况不同产生各种震动，这就使电池包必须能经受得住震动考验。特别是各个电池之间相互连接的部位较为脆弱，过度震动会对其造成损坏，从而使电池包的性能与使用寿命受到影响。这就使得电池包的结构在设计的时候不但要充分考虑到如何帮助镍氢动力电池包散热，还要考虑到如何减震才能充分发挥出电池性最佳性能，延长电池的使用寿命。此外，电池包的结构设计也要尽可能的增强其本身强度，从而通过自身强度与减震方面来保证电池包的安全可靠性。

二、电池包支架结构设计

电池数量以及单体电池的连接方式通常是电池包结构设计时需要参考的因素。在本次设计中，电池包中电池的数量为126只，平均分成18支8.4V的电池棒并以串联形式组合起来。在电池支架材料选择上，选用具有优良耐热性、强度高、耐化学药品性以及加工方便等优点的尼龙66型号支架。电池支架分上中下三层设计，中间留出的两层空隙用于放置电池模块，在排列上每层有9支电池模块。这种设计将电池包整体体积减到最小，最大程度上节省了车内的装载空间。

电池包支架内部电池模块安放位置采用圆弧设计，能够有效提升电池模块在支架内部的稳定性。同时依据电池模块端的样式将支架两端做镶嵌式密合设计，使电池模块在支架内的可能发生的转动概率减到最校此外，将正负极符号标于支架两端，能够避免电池模块正负极反接而导致电池损坏。最后，通过在接线盒两端装设接线盒，可以防止外界金属与连接片接触引起电池包短路。

三、电池包散热系统设计

在传热学理论中，固体与液体、气体接触都会产生传热现象。在换热系数方面，液体的对流换热系数相较气体的对流换热系数要更高，因此，液体与固体接触时具有更强的对流换热能力。由于传热系数的大小能够反映出交换热量的多少，因此换热效果随着传热系数的增大而增强。这就要求在散热系统设计时要选择合适的传热介质。

虽然液体换热能力强，作为传热介质时的效果更明显，但如果选用液体来充当传热介质，就必须对液体的导电性、密封性、安全性以及后续维修的便捷性进行充分的考虑。此外，电池包的整体重量也是需要重视的问题。在变相材料的选择上，如液体石蜡的传热能力最强，并且在达到变相温度时会因吸收或释放大量热量而保持温度恒定，因此，液体石蜡可以作为首眩合适的选用变相材料不仅可以确保电池顺利的达到热平衡，更能对电池温度上下限进行很好的控制，从而防止温度的过高或过低现象的出现。但目前来说，变相材料在研发和制造成本上较高，因此其在电池包散热领域的应用还不能得到广泛普及。

由于本电池包结构受限，在散热设计上运用的是强制风散热模式，通过让空气沿电池包内预留的风道从一侧流往另外一侧的串行式通风来实现带走热量的效果。

另外，本设计中还运用了两只散热风扇并将其安装在电池包的一端来实现强制风冷。电池包内部留有6个位置用来放置温度传感器，当电池包内部温度超过一定值后会被温度传感器检测到，进而启动散热风扇来对电池包进行散热，而当电池包温度降低到合理范围时，则会自动停止散热风扇。这种设计可以通过让电池包在合适的温度下进行工作来达到最佳效果，同时散热风扇依据电池包温度自动启停还能够减少对能源的消耗。总体来说，这种散热模式具有质量轻、结构简单、散热效果好以及性价比高的优点。

四、电池包散热性和结构强度测试结果

（一）散热性能

将电池包放置在(20±5)℃的环境温度条件下,依据QC/T744-2006标准对电池包进行连续测试，最终得出电池包内温度小于30℃,属于电池包合理工作温度范围。

（二）结构强度

1.振动试验

试验设备:机械式振动试验机

试验方法:频率为5~20Hz,ASD=0.96m2/s3

振动位置:3面(3个垂直面x,y,z)

持续时间:30min/面

试验结果:电池包外观基本完好，无任何碎裂,三层支架无错位或脱落,电池模块无移位,电池包能正常使用,达到设计要求。

（三）跌落试验

试验设备:单臂跌落试验机

试验方法:350mm跌落高度

振动位置:3面(3个垂直面x,y,x)

试验结果:电池包外观基本完好，无任何破裂,三层支架无错位或脱落,电池模块无移位,电池包能正常使用,达到设计要求。

结语：本文设计的电池包支架结构体积较小，有效地节省了汽车内部装载空间，同时无论是在结构强度还是散热性能上都满足了设计要求，能够用于新能源汽车的动力系统中。

参考文献：

[1]罗宗鸿.电动汽车电池热特性及电池组风冷散热研究[D].南昌航空大学,2018.

[2]刘元强.纯电动汽车电池包结构设计及特性研究[D].东南大学,2016.