2.2 機械結構設計

2.2.1 機械結構設計要求

1．重量與輕量化

與傳統(tǒng)燃油汽車相比，由于電動車輛目前所選用的動力電池的比能量遠低于傳統(tǒng)燃油汽車，且電池系統(tǒng)的重量占比較大，因而也使得整車的整備質(zhì)量大幅增加，導致電動車輛的續(xù)駛能力不足，因此，相比于傳統(tǒng)燃油汽車，電動車輛對于輕量化的要求更為迫切。動力電池系統(tǒng)的結構設計需要以提高產(chǎn)品的質(zhì)量比能量和質(zhì)量比功率為目標，通過輕量化設計提高產(chǎn)品的集成效率。

2．外觀標識

要求具有永久標識，注明電池單體的化學體系類型和動力電池系統(tǒng)的基本參數(shù)，以便識別，基本參數(shù)包含：電池系統(tǒng)中電池單體化學體系類型、額定電壓、總能量、最大放電電流、最大充電電流、電池系統(tǒng)整體質(zhì)量等。要求具有安全風險警示標簽，其中警告標識的位置、尺寸和內(nèi)容必須遵照相應的設計要求、標準和規(guī)則。優(yōu)先在電池包的第一可視面，或者清晰醒目位置設置高壓電危險符號。

3．機械強度和剛度

目前在動力電池系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)和應用過程中，主要存在以下共性問題：

1）由于電池包的質(zhì)量較大，電池箱體下売體縱橫梁/加強筋的邊緣部位應力都比較集中，容易發(fā)生疲勞失效。

2）電池箱體下売體的中心區(qū)域變形量較大，會影響整車離地間隙和通過性。

由于電池箱體承受著電池組等部件的質(zhì)量，因此其強度、剛度必須滿足使用要求才可以保證整車行駛的安全性。動力電池系統(tǒng)須進行合理的結構設計，機械強度和剛度設計要求能保證具有足夠的強度和剛度，尤其是在典型的極限工況（如緊急制動、越過路面障礙或顛簸路面、急轉(zhuǎn)彎等）條件下，電池系統(tǒng)各部分不發(fā)生破壞和失效。例如，要求滿載條件下，取沖擊加速度1g、3g進行靜強度的計算，對應的變形量小于3mm（具體可以結合整車離地間隙對應的允許最大變形量進行調(diào)整和確認）。

4．機械振動和沖擊

根據(jù)已有的電池包機械振動試驗測試結果，分析發(fā)生失效的主要問題及原因，歸納如下：

1）單個電池包自身有較大的重量，通常采用吊掛懸置方式固定在整車車身上，容易出現(xiàn)電池箱體局部應力過大，尤其是電池箱下殼體的縱橫梁上對應于電池模組固定的部位，更容易發(fā)生開裂。

2）電池箱體外殼破裂。

3）電池箱內(nèi)部支架結構損壞。

4）插接件、標準件（螺栓螺母）出現(xiàn)松動。

5）高低壓線束磨損，導致出現(xiàn)絕緣電阻降低或短路。

6）在焊接上，存在局部位置焊接點間距過大，造成板件之間連接強度不足的情況。電池箱加工過程中，實際焊接結果與焊接要求（焊接位置、焊點大小及數(shù)量等）不完全一致，導致實際抗振動性能下降。

由于路面的不平度，電動車輛在行駛過程中所承受的載荷具有振動激勵源多樣化、隨機性的特點，因而常采用隨機振動來模擬電池包在該過程中的振動特性。目前針對動力電池系統(tǒng)隨機振動條件下的結構疲勞分析，主要使用頻域分析方法，即通過采集典型行駛工況對應的路譜信息，得到時間歷程的樣本函數(shù)，并將其轉(zhuǎn)化成和概率有關的函數(shù)，如功率譜密度（Power Spectrum Density，PSD）函數(shù)，功率譜密度可以從頻域角度準確地描述載荷的統(tǒng)計規(guī)律，因而，載荷工況一般以功率譜密度-頻率曲線的形式進行定義、將電池箱受到的振動來源分解為3個方向（X、Y、Z）的功率譜密度，電池箱在使用過程中也主要是受Z向振動源的影響較大。根據(jù)GB/T 31467.3—2015 第7.1 節(jié)電池系統(tǒng)經(jīng)受的隨機振動載荷，按一個樣品每個方向測試21h，可等效認為能夠滿足24萬km以上的機械壽命要求。電池系統(tǒng)也因底盤或者安裝位置不一樣，而有其自身的隨機振動譜，因此也可以根據(jù)自身的車型和安裝位置來采集路譜，確定隨機振動測試載荷。對于用于出租運營的電動車輛，由于城市運營工況的特殊性，要求達到50萬km甚至更高的機械壽命要求，最好能按實際運行的典型工況來采集實際路譜數(shù)據(jù)，并針對性制定對應于50萬km或更高累計行駛里程要求的隨機振動測試載荷。

由于動力電池系統(tǒng)的抗振動與抗沖擊性能會直接影響其基本性能、安全性、可靠性以及耐久性等，因此，電池包的結構設計應能滿足多變運行環(huán)境和行駛工況條件下的疲勞壽命要求，能滿足結構耐久測試和整車耐久試驗要求。經(jīng)歷機械沖擊試驗（例如施加25g、15ms的半正弦沖擊波形）后，要求箱體外部及內(nèi)部不應有機械損壞、變形和緊固部位的松動現(xiàn)象。

5．碰撞

相比于傳統(tǒng)汽車，電動車輛在碰撞中的特殊性體現(xiàn)在兩方面：一是高能量、大質(zhì)量的動力電池包在碰撞中受到擠壓損傷時（電池包擠壓變形量超過能容忍的極限）可能會引起起火、爆炸：二是高電壓的電驅(qū)動系統(tǒng)碰撞后可能會與乘員發(fā)生直接或間接接觸從而引發(fā)電擊傷害。電動車輛在碰撞、翻車等情況下，高壓線束可能會出現(xiàn)脫落、短路、損壞等情況，引起車體帶電，使乘員遭受觸電危險，危害乘員人身安全：動力電池組可能會發(fā)生擠壓、短路、穿刺等故障，造成電池內(nèi)部或外部短路，從而引起電池的熱失控，造成起火、泄漏、爆炸等事故，危害乘員人身安全。要求電池包的結構設計能滿足整車碰撞要求，模擬碰撞過程中不能發(fā)生電解液的泄漏、電池箱殼體破裂或固定結構失效、著火或爆炸等現(xiàn)象。如果電池包中包含液冷系統(tǒng)，則水冷板中的冷卻液不能發(fā)生泄漏。

6．擠壓

擠壓主要是模擬整車發(fā)生碰撞過程中，電池模組及電池箱內(nèi)部高壓電氣部件可能受到的機械接觸式作用力、變形量及位移，進而可能形成的危害事件，是碰撞安全的進一步補充。對于采用方形電池單體或軟包電池單體的電池模組，由于電池單體內(nèi)部卷芯結構的差異性，包括卷繞結構和疊片結構的差異性，其在不同方向上允許的擠壓變形量有較大差異，因而受到擠壓之后的安全風險也不同。例如：電池單體的極片采用卷繞式結構，其大面擠壓風險高，因而電池單體或電池模組在整車上的布置應優(yōu)先將電池單體窄邊沿Y方向布置。

首先，必須限制電池包（包括內(nèi)部電池模組或電池單體）在Y方向的變形壓縮量（主要依靠整車的側(cè)面碰撞防護設計），避免發(fā)生過大的擠壓和結構侵入，導致發(fā)生漏電和電解液泄漏的情況。同時，必須限制電池包（包括內(nèi)部電池模組或電池單體）在X方向的變形壓縮量（主要依靠整車的后碰碰撞防護設計），避免發(fā)生后縱梁以及副車架等結構侵入，導致發(fā)生漏電和電解液泄漏的情況。

7．密封防護要求

由于整車行駛環(huán)境的復雜性，尤其是安裝在車輛底盤下方或者安裝位置較低的區(qū)域，當電動車輛遇到涉水、暴雨等危險工況時，可能由于水汽的侵襲引起電池的電氣故障、短路、漏電等危害，因此必須為電池系統(tǒng)提供防水、防塵的環(huán)境，電池包的密封性直接影響到電池系統(tǒng)的工作安全，影響到電動車輛的使用安全，通常，密封防護等級要求達到IP67，才能保證電池包密封防水，電池組不會因為進水而短路。在一些要求較高的場合也需要滿足IP68的要求。

8．底部抗石擊性能

在車輛行駛過程中，安裝在車輛底部的電池箱體容易受到飛石撞擊，尤其是濺起的小石子長期重復沖擊，會對電池箱體底部的保護漆膜造成損壞，導致金屬部件缺少防護而發(fā)生生銹。通常參考傳統(tǒng)燃油汽車，要求在電池箱體底部設置防護裝甲（例如采用厚度約為2～4mm且具有彈性的樹脂保護層），要求滿足防腐蝕、防石擊要求。

9．底部球擊和穿刺

道路上可能會出現(xiàn)各種石塊、混凝土塊，如果沒有得到及時清理，并且駕駛?cè)嗽谲囕v行駛過程中沒有有效避讓道路上的這些異物，則安裝在整車地板下方的電池箱體很容易受到?jīng)_擊變形，從而可能對電池箱內(nèi)部的電池模組、水冷板形成擠壓。道路上還可能會出現(xiàn)各種尖銳異物，例如鋼筋、鋼板尖頭、拖車掛鉤等，如果安裝在整車地板下方的電池箱體受到這些尖銳異物的猛烈撞擊，很可能將電池箱底部擊穿，并對內(nèi)部的電池模組形成穿刺損壞。

2.2.2 機械結構設計方案

1.電池模組方案設計方案

電池模組主要由電池單體、模組結構件、電池參數(shù)檢測傳感器、電氣連接組件等構成。電池模組結構設計要點如下：

?能量密度：比能量、輕量化。

?熱管理：導熱、散熱、加熱。

?連接可靠性：電氣連接可靠性、機械連接可靠性（防松）。

?可制造性：生產(chǎn)效率、優(yōu)率。

?機械安全：機械振動、沖擊、電池單體膨脹力。

?電氣安全：電氣絕緣、電氣間隙、爬電距離、防觸摸、等電位聯(lián)結。

電池模組的機械設計主要按以下要求進行。

?電池單體之間的串并聯(lián)可靠性連接、電池單體之間導電連接距離盡可能短且連接內(nèi)阻小，匯流排能滿足最大載流能力要求。

?機械安全設計。電池模組裝配松緊度適中，各結構件具有足夠的強度和剛度，防止因電池的內(nèi)壓變化而產(chǎn)生變形或破壞，并且要嚴格避免振動過程中電池單體的移動。

?電氣安全設計。電池單體之間、電池單體與結構件之間達到電絕緣：電氣間隙和爬電距離；接觸防護；等電位聯(lián)結等。

?根據(jù)電池包整體結構設計要求，能夠與水冷板進行良好的熱交換。

?電池模組溫度采樣的布點應能體現(xiàn)其特征溫度。

?電池模組的標準化及可擴展性設計。可由不同數(shù)量的電池單體進行串并聯(lián)擴展設計、零部件盡量復用。

?具有安裝固定位置，能牢固地固定在電池包內(nèi)部。

?電池模組中的結構件應具有良好的生產(chǎn)工藝性，制造簡單、方便，易批量化加工制作，低工藝成本。

?具有良好的裝配工藝性，方便安裝、拆卸；應盡可能通用、具有互換性。

?在滿足強度和剛度的前提下，盡量減少材料用量，盡量減輕重量。

?2.電池箱體方案設計

?電池箱體是動力電池系統(tǒng)總成的載體，對產(chǎn)品的安全運行和防護起著關鍵作用，直接影響整車的安全性。電池箱體的結構設計主要包括電池箱上殼體、下殼體等部件的殼體材料選擇，制造工藝方案選擇等。電池箱體結構設計要點如下：

?能量密度：比能量、輕量化。

?熱管理：熱均勻性、熱管理系統(tǒng)效率、導熱、散熱、保溫、加熱。

?連接可靠性：過電流能力、電氣連接可靠性、機械連接可靠性（防松）。

?可制造性：生產(chǎn)效率、優(yōu)率、成本。

?機械安全：機械振動、沖擊、強度、碰撞、擠壓、側(cè)翻、底部撞擊、跌落等。

?電氣安全：高壓電標識、電氣絕緣、電氣間隙、爬電距離、防觸摸、等電位聯(lián)結。

?防護安全：防水防塵（IP67＆IP6K9K）、防鹽霧腐蝕。

?其他：電池箱火燒、熱失控蔓延控制、電池箱內(nèi)外壓力平衡和緊急排放。

電池箱體的設計主要包括上蓋、下箱體、密封結構件、壓條、支架等，其材料選擇和結構形式主要取決于電池箱體的尺寸大小、結構形式（規(guī)則或異形結構）、機械強度和輕量化目標等要求。

電池箱體上蓋主要起密封作用，受力不大，通常選用鍍鋅鋼板進行折彎拼焊，或者采用沖壓成型。在電池箱上蓋結構非常異形的情況下，如果采用鋼板折彎拼焊或者沖壓拉伸均會有較大加工難度，且制造效率難以達到批量化要求，同時考慮到整體電池箱體的輕量化需求，上蓋也可選用復合材料進行制作，例如聚酯片狀模塑料（SMC）、玻璃纖維增強樹脂（GMT）、纖維增強復合材料（FRP）和長纖維增強熱塑性材料（LFT）等。

電池箱體下箱體是整個動力電池系統(tǒng)產(chǎn)品的承載件，電池模組主要布置在下箱體里面，因此電池箱體內(nèi)部要有嵌槽、擋板等結構措施，使電池模組在車輛行駛的狀況下可靠固定，在前后、左右、上下各個方向上均不發(fā)生竄動，避免對側(cè)壁和上蓋造成沖擊，影響電池箱體壽命。下箱體可以采用拼焊工藝，底板可以選用高強度鋼并沖壓出加強筋，在與車身連接點位置做X、Y方向的“井”字形加強梁，提高下箱體的抗彎扭強度。下箱體的主要材料及成型方式包括：折彎型材鈑金材料，沖壓型材鈑金材料，鑄鋁成型材料，焊接擠型鋁材料。結合批量及生產(chǎn)效率需求、成本需求、輕量化需求及強度質(zhì)量需求做出綜合性的選擇。

電池箱體上蓋與下箱體之間密封面的設計對密封性起重要作用，其設計需要配合電池箱體結構和密封圈一起設計。密封面應盡可能保持在同一個平面，避免出現(xiàn)較多的曲面結構。由于上蓋和下箱體是通過螺栓連接，所用螺栓數(shù)目較多，因此保證孔的同軸度尤其重要，需在合理布置螺栓孔位置的同時，位置尺寸盡量圓整，且在X、Y向呈對稱布置。連接螺栓數(shù)目的選擇需根據(jù)密封性高低和拆裝工作量大小兩方面綜合考慮。