2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

1．重量與輕量化

與傳統(tǒng)燃油汽車相比，由于電動(dòng)車輛目前所選用的動(dòng)力電池的比能量遠(yuǎn)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(dǎo)致電動(dòng)車輛的續(xù)駛能力不足，因此，相比于傳統(tǒng)燃油汽車，電動(dòng)車輛對(duì)于輕量化的要求更為迫切。動(dòng)力電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(biāo)，通過輕量化設(shè)計(jì)提高產(chǎn)品的集成效率。

2．外觀標(biāo)識(shí)

要求具有永久標(biāo)識(shí)，注明電池單體的化學(xué)體系類型和動(dòng)力電池系統(tǒng)的基本參數(shù)，以便識(shí)別，基本參數(shù)包含：電池系統(tǒng)中電池單體化學(xué)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(fēng)險(xiǎn)警示標(biāo)簽，其中警告標(biāo)識(shí)的位置、尺寸和內(nèi)容必須遵照相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求、標(biāo)準(zhǔn)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(shè)置高壓電危險(xiǎn)符號(hào)。

3．機(jī)械強(qiáng)度和剛度

目前在動(dòng)力電池系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)和應(yīng)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(qiáng)筋的邊緣部位應(yīng)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(huì)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(qiáng)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(dòng)力電池系統(tǒng)須進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)械強(qiáng)度和剛度設(shè)計(jì)要求能保證具有足夠的強(qiáng)度和剛度，尤其是在典型的極限工況（如緊急制動(dòng)、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(jìn)行靜強(qiáng)度的計(jì)算，對(duì)應(yīng)的變形量小于3mm（具體可以結(jié)合整車離地間隙對(duì)應(yīng)的允許最大變形量進(jìn)行調(diào)整和確認(rèn)）。

4．機(jī)械振動(dòng)和沖擊

根據(jù)已有的電池包機(jī)械振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，分析發(fā)生失效的主要問題及原因，歸納如下：

1）單個(gè)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(yīng)力過大，尤其是電池箱下殼體的縱橫梁上對(duì)應(yīng)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(jié)構(gòu)損壞。

4）插接件、標(biāo)準(zhǔn)件（螺栓螺母）出現(xiàn)松動(dòng)。

5）高低壓線束磨損，導(dǎo)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(diǎn)間距過大，造成板件之間連接強(qiáng)度不足的情況。電池箱加工過程中，實(shí)際焊接結(jié)果與焊接要求（焊接位置、焊點(diǎn)大小及數(shù)量等）不完全一致，導(dǎo)致實(shí)際抗振動(dòng)性能下降。

由于路面的不平度，電動(dòng)車輛在行駛過程中所承受的載荷具有振動(dòng)激勵(lì)源多樣化、隨機(jī)性的特點(diǎn)，因而常采用隨機(jī)振動(dòng)來模擬電池包在該過程中的振動(dòng)特性。目前針對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)隨機(jī)振動(dòng)條件下的結(jié)構(gòu)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(duì)應(yīng)的路譜信息，得到時(shí)間歷程的樣本函數(shù)，并將其轉(zhuǎn)化成和概率有關(guān)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(zhǔn)確地描述載荷的統(tǒng)計(jì)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(jìn)行定義、將電池箱受到的振動(dòng)來源分解為3個(gè)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(dòng)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(jī)振動(dòng)載荷，按一個(gè)樣品每個(gè)方向測(cè)試21h，可等效認(rèn)為能夠滿足24萬km以上的機(jī)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(jī)振動(dòng)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(jī)振動(dòng)測(cè)試載荷。對(duì)于用于出租運(yùn)營的電動(dòng)車輛，由于城市運(yùn)營工況的特殊性，要求達(dá)到50萬km甚至更高的機(jī)械壽命要求，最好能按實(shí)際運(yùn)行的典型工況來采集實(shí)際路譜數(shù)據(jù)，并針對(duì)性制定對(duì)應(yīng)于50萬km或更高累計(jì)行駛里程要求的隨機(jī)振動(dòng)測(cè)試載荷。

由于動(dòng)力電池系統(tǒng)的抗振動(dòng)與抗沖擊性能會(huì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)能滿足多變運(yùn)行環(huán)境和行駛工況條件下的疲勞壽命要求，能滿足結(jié)構(gòu)耐久測(cè)試和整車耐久試驗(yàn)要求。經(jīng)歷機(jī)械沖擊試驗(yàn)（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(yīng)有機(jī)械損壞、變形和緊固部位的松動(dòng)現(xiàn)象。

5．碰撞

相比于傳統(tǒng)汽車，電動(dòng)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(dòng)力電池包在碰撞中受到擠壓損傷時(shí)（電池包擠壓變形量超過能容忍的極限）可能會(huì)引起起火、爆炸：二是高電壓的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)碰撞后可能會(huì)與乘員發(fā)生直接或間接接觸從而引發(fā)電擊傷害。電動(dòng)車輛在碰撞、翻車等情況下，高壓線束可能會(huì)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(xiǎn)，危害乘員人身安全：動(dòng)力電池組可能會(huì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)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．?dāng)D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(jī)械接觸式作用力、變形量及位移，進(jìn)而可能形成的危害事件，是碰撞安全的進(jìn)一步補(bǔ)充。對(duì)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(jié)構(gòu)的差異性，包括卷繞結(jié)構(gòu)和疊片結(jié)構(gòu)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(fēng)險(xiǎn)也不同。例如：電池單體的極片采用卷繞式結(jié)構(gòu)，其大面擠壓風(fēng)險(xiǎn)高，因而電池單體或電池模組在整車上的布置應(yīng)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(hù)設(shè)計(jì)），避免發(fā)生過大的擠壓和結(jié)構(gòu)侵入，導(dǎo)致發(fā)生漏電和電解液泄漏的情況。同時(shí)，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(hù)設(shè)計(jì)），避免發(fā)生后縱梁以及副車架等結(jié)構(gòu)侵入，導(dǎo)致發(fā)生漏電和電解液泄漏的情況。

7．密封防護(hù)要求

由于整車行駛環(huán)境的復(fù)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(dāng)電動(dòng)車輛遇到涉水、暴雨等危險(xiǎn)工況時(shí)，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(dòng)車輛的使用安全，通常，密封防護(hù)等級(jí)要求達(dá)到IP67，才能保證電池包密封防水，電池組不會(huì)因?yàn)檫M(jìn)水而短路。在一些要求較高的場(chǎng)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(fù)沖擊，會(huì)對(duì)電池箱體底部的保護(hù)漆膜造成損壞，導(dǎo)致金屬部件缺少防護(hù)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(shè)置防護(hù)裝甲（例如采用厚度約為2～4mm且具有彈性的樹脂保護(hù)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(huì)出現(xiàn)各種石塊、混凝土塊，如果沒有得到及時(shí)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(duì)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(huì)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(duì)內(nèi)部的電池模組形成穿刺損壞。

2.2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

1.電池模組方案設(shè)計(jì)方案

電池模組主要由電池單體、模組結(jié)構(gòu)件、電池參數(shù)檢測(cè)傳感器、電氣連接組件等構(gòu)成。電池模組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：

?能量密度：比能量、輕量化。

?熱管理：導(dǎo)熱、散熱、加熱。

?連接可靠性：電氣連接可靠性、機(jī)械連接可靠性（防松）。

?可制造性：生產(chǎn)效率、優(yōu)率。

?機(jī)械安全：機(jī)械振動(dòng)、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(jié)。

電池模組的機(jī)械設(shè)計(jì)主要按以下要求進(jìn)行。

?電池單體之間的串并聯(lián)可靠性連接、電池單體之間導(dǎo)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(jī)械安全設(shè)計(jì)。電池模組裝配松緊度適中，各結(jié)構(gòu)件具有足夠的強(qiáng)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(yán)格避免振動(dòng)過程中電池單體的移動(dòng)。

?電氣安全設(shè)計(jì)。電池單體之間、電池單體與結(jié)構(gòu)件之間達(dá)到電絕緣：電氣間隙和爬電距離；接觸防護(hù)；等電位聯(lián)結(jié)等。

?根據(jù)電池包整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，能夠與水冷板進(jìn)行良好的熱交換。

?電池模組溫度采樣的布點(diǎn)應(yīng)能體現(xiàn)其特征溫度。

?電池模組的標(biāo)準(zhǔn)化及可擴(kuò)展性設(shè)計(jì)。可由不同數(shù)量的電池單體進(jìn)行串并聯(lián)擴(kuò)展設(shè)計(jì)、零部件盡量復(fù)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(jié)構(gòu)件應(yīng)具有良好的生產(chǎn)工藝性，制造簡(jiǎn)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(yīng)盡可能通用、具有互換性。

?在滿足強(qiáng)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(shè)計(jì)

?電池箱體是動(dòng)力電池系統(tǒng)總成的載體，對(duì)產(chǎn)品的安全運(yùn)行和防護(hù)起著關(guān)鍵作用，直接影響整車的安全性。電池箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)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(dǎo)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(jī)械連接可靠性（防松）。

?可制造性：生產(chǎn)效率、優(yōu)率、成本。

?機(jī)械安全：機(jī)械振動(dòng)、沖擊、強(qiáng)度、碰撞、擠壓、側(cè)翻、底部撞擊、跌落等。

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

?防護(hù)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(shè)計(jì)主要包括上蓋、下箱體、密封結(jié)構(gòu)件、壓條、支架等，其材料選擇和結(jié)構(gòu)形式主要取決于電池箱體的尺寸大小、結(jié)構(gòu)形式（規(guī)則或異形結(jié)構(gòu)）、機(jī)械強(qiáng)度和輕量化目標(biāo)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(jìn)行折彎拼焊，或者采用沖壓成型。在電池箱上蓋結(jié)構(gòu)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(huì)有較大加工難度，且制造效率難以達(dá)到批量化要求，同時(shí)考慮到整體電池箱體的輕量化需求，上蓋也可選用復(fù)合材料進(jìn)行制作，例如聚酯片狀模塑料（SMC）、玻璃纖維增強(qiáng)樹脂（GMT）、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）和長纖維增強(qiáng)熱塑性材料（LFT）等。

電池箱體下箱體是整個(gè)動(dòng)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(jié)構(gòu)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(gè)方向上均不發(fā)生竄動(dòng)，避免對(duì)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(qiáng)度鋼并沖壓出加強(qiáng)筋，在與車身連接點(diǎn)位置做X、Y方向的“井”字形加強(qiáng)梁，提高下箱體的抗彎扭強(qiáng)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(jié)合批量及生產(chǎn)效率需求、成本需求、輕量化需求及強(qiáng)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(shè)計(jì)對(duì)密封性起重要作用，其設(shè)計(jì)需要配合電池箱體結(jié)構(gòu)和密封圈一起設(shè)計(jì)。密封面應(yīng)盡可能保持在同一個(gè)平面，避免出現(xiàn)較多的曲面結(jié)構(gòu)。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(shí)，位置尺寸盡量圓整，且在X、Y向呈對(duì)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。