3.2 動(dòng)力電池系統(tǒng)總布置設(shè)計(jì)

3.2.1 外部布置設(shè)計(jì)

整車廠根據(jù)整車車身地板結(jié)構(gòu)，并考慮整車底盤、電器件、內(nèi)外飾件的影響。同時(shí)，結(jié)合以下限制條件和滿足的要求，初步給出電池包可布置的位置和可放置的空間范圍邊界。

1）基于電動(dòng)車輛的乘員數(shù)量、續(xù)駛里程等設(shè)計(jì)目標(biāo)，初步估算需要的電池包容量大小，并推算出動(dòng)力電池包的空間需求。

2）整車配置要求（例如行李箱空間要求，影響電池包的布置位置及空間）。

3）整車最小離地間隙（一般滿載最小離地間隙大于100mm）。

4）電池包的防護(hù)結(jié)構(gòu)（與地板之間的安全間隙、碰撞防護(hù)結(jié)構(gòu)等）。

5）工藝裝配需求（機(jī)械安裝接口、電氣連接接口及裝配操作間隙）。

一般情況下，基于傳統(tǒng)燃油車產(chǎn)品平臺(tái)進(jìn)行改造開發(fā)的電動(dòng)車，其在整車上的布置主要分布在表3.4所示的6個(gè)區(qū)域。

1.工字形電池包安裝

早期的電動(dòng)汽車，都是基于傳統(tǒng)的燃油車進(jìn)行改裝，去掉發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、油箱和一些傳動(dòng)裝置，這樣整車上空出來(lái)的空間，是最適合安裝電池包的。

一般安裝于B、D區(qū)：中央通道和后排座椅下方。

華晨寶馬之諾1E純電動(dòng)汽車就有一個(gè)典型的工字形電池包（圖3.12），在寶馬X1車型的基礎(chǔ)上，充分挖掘可以利用的布置空間，前后串聯(lián)的三個(gè)高電壓蓄電池單元?jiǎng)t被安裝在車身的前部（前機(jī)艙蓋下方的發(fā)動(dòng)機(jī)位置）、中部（傳統(tǒng)的傳動(dòng)軸通道中）和后部（傳統(tǒng)燃油箱的位置），這樣的設(shè)計(jì)可以確保更好的前后軸負(fù)荷分配，賦予車輛更低的重心，同時(shí)讓車輛在碰撞發(fā)生時(shí)更加安全。

2.T字形電池包安裝

雪佛蘭沃藍(lán)達(dá)（Volt）是典型的T字形電池包布置（圖3.13），因?yàn)樗且豢钤龀淌诫妱?dòng)車，因此發(fā)動(dòng)機(jī)和油箱仍然保留，設(shè)計(jì)師充分利用了去掉變速器和傳動(dòng)軸后的空間和后排座位下面的空間，將電池包設(shè)計(jì)成一個(gè)T形。

一般安裝于B區(qū)：主要利用中央通道。

不管是華晨寶馬之諾1E，還是雪佛蘭沃藍(lán)達(dá)，都是在傳統(tǒng)燃油車基礎(chǔ)上做了非常小的改動(dòng)，空間非常有限，能夠裝載的電池包體積和重量都受限，因此容量不大，續(xù)駛里程也有限。華晨寶馬之諾1E采用寧德時(shí)代（CATL）的磷酸鐵鋰電池，電池包容量為27kW·h，可達(dá)到150km的續(xù)駛里程，第一代雪佛蘭沃藍(lán)達(dá)采用LG的錳酸鋰電池，電池包容量為16kW·h，純電續(xù)駛里程為64km。

3.土字形電池包安裝

要想進(jìn)一步提升整車的續(xù)駛里程，就必須要增加整車的電量，有兩個(gè)可行的途徑：提高電池的能量密度，在同樣的空間內(nèi)存儲(chǔ)更多的電量；擴(kuò)展電池包的空間，增大電池包的體積和重量，進(jìn)而增加可用電量。

電池能量密度的提升是比較緩慢的，受制于動(dòng)力電池技術(shù)的進(jìn)步速度，很難在短時(shí)間內(nèi)大幅度改善，那么就需要在電池包的體積上面做文章，從整車空間上挖掘出更多的空間，來(lái)裝載更多的電池，存儲(chǔ)更多的電量，從而提升電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程。

電池包一般安裝在B、C、D區(qū)：位于底盤正下方。

2015版e-Golf電池包是一個(gè)典型的土字形結(jié)構(gòu)（圖3.14），充分利用了整車上可以利用的空間。總電量為24.2kW·h，總電壓為320V，容量為75A·h，電池包重量為313kg，體積為229.4L。2016年起，大眾選用新的三元電池單體，在原有體積不變的情況下，電池包的總電量達(dá)到35.8kW · h，整車的續(xù)駛里程也從134 km 提升至200 km。

吉利帝豪EV車型則是另一款土字形電池包的代表（圖3.15），為了裝載更多的電池，吉利還對(duì)整車的底盤做了二次開發(fā)，騰出了更多的形狀規(guī)則的空間，用于容納鋰離子電池組。2015 款的帝豪EV 采用了寧德時(shí)代的三元電池單體，電量為44kW·h，續(xù)駛里程達(dá)到250km。2017款的帝豪EV，仍然采用同樣的三元電池單體，但是對(duì)電池包、熱管理系統(tǒng)和動(dòng)力總成做了設(shè)計(jì)優(yōu)化，從而使得續(xù)駛里程達(dá)到了300 km。

土字形的電池包，可以將電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程提升到200～300km，如果想進(jìn)一步提升續(xù)駛里程，就有相當(dāng)大的難度了，因?yàn)檎嚳赏卣沟目臻g已經(jīng)被挖掘得差不多了。

4.一體式（滑板式）電池包安裝

受限于傳統(tǒng)燃油車的結(jié)構(gòu)局限，不管怎樣挖掘可用空間，始終不能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。客戶對(duì)于電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程的需求，已經(jīng)從100km、200km，提升到300km、400km，甚至是500km以上。在這種情況下，電池包和底盤的一體化設(shè)計(jì)，已經(jīng)逐漸成為一種必然的趨勢(shì)。

這是一種全新的產(chǎn)品思路，整車的設(shè)計(jì)需要圍繞核心零部件電池包來(lái)展開，將電池包進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，平鋪在車輛的底盤上，以最大限度獲得可用空間，調(diào)整整車的重心位置，同時(shí)還可以利用電池包的結(jié)構(gòu)來(lái)加強(qiáng)底盤的強(qiáng)度和剛度，也可以利用整車的框架強(qiáng)化對(duì)電池包的結(jié)構(gòu)防護(hù)（圖3.16）。

一般安裝于B、C、D區(qū)：對(duì)整車的底盤做了二次開發(fā)，騰出了更多形狀規(guī)則的空間。

最早采用這種方案來(lái)做整車設(shè)計(jì)的是特斯拉，在暢銷的Model S和Model X車型上，特斯拉都采用了電池包和底盤的一體化設(shè)計(jì)，以達(dá)到最優(yōu)的車輛性能。得益于領(lǐng)先對(duì)手的設(shè)計(jì)思路，Model S車型可以給用戶提供多種規(guī)格的電池包容量，從60kW·h一直擴(kuò)展到90kW·h，續(xù)駛里程可以達(dá)到驚人的526km（P90D版本），這是對(duì)傳統(tǒng)燃油車進(jìn)行改造所無(wú)法達(dá)到的。

在特斯拉的成功指引下，大眾和寶馬等車企也紛紛跟進(jìn)，推出了自己的一體式電動(dòng)汽車產(chǎn)品解決方案。

大眾汽車集團(tuán)推出了電動(dòng)汽車專用平臺(tái)：MEB平臺(tái)，預(yù)計(jì)將于2019年投入使用，該平臺(tái)具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性。這意味著，大眾的設(shè)計(jì)師可以通過(guò)改變軸距、輪距以及座椅布局，以應(yīng)用于更多種類的車輛制造。而安裝在底盤上的電池組則尤其引人矚目（圖3.17），由于完全模塊化設(shè)計(jì)，它允許工程師按照適用車輛的類型來(lái)調(diào)整電池組的數(shù)量和大小，從而滿足不同車型的需求。大眾汽車集團(tuán)希望借助MEB平臺(tái)（電動(dòng)車模塊化平臺(tái)）將純電動(dòng)車的續(xù)駛里程提升至400～600km，完全可以達(dá)到目前燃油車的標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.2 內(nèi)部布置設(shè)計(jì)

動(dòng)力電池系統(tǒng)箱體內(nèi)部的整體排布有以下建議：排布規(guī)整對(duì)稱；高低壓“各行其道”；預(yù)留安全距離；電氣件、模組隔離；考慮熱管理系統(tǒng)。

模組排布（圖3.18）需要盡量排布規(guī)整，使電池包的重心盡量在幾何中心，需要考慮電池包配重對(duì)整車的影響。

電連接（圖3.19）在整體排布時(shí)，需要考慮高低壓線束走線空間、固定高低壓線束的位置和結(jié)構(gòu)、高低壓連接器的安裝位置及連接形式。

熱管理根據(jù)電池單體的性能和整車的使用條件初步確定熱設(shè)計(jì)的形式，預(yù)留加熱、散熱的通道和安裝空間，確保熱設(shè)計(jì)的合理性和高效性（圖3.20）。

箱體縱橫梁（圖3.21）選擇車身上鋼板等級(jí)和厚度較高部分作為基礎(chǔ)，通過(guò)受力分析和計(jì)算，確定縱橫梁具體的結(jié)構(gòu)、材料型號(hào)和厚度。

除了上面考慮的這些因素外，還需要考慮安全、成本、環(huán)境等方面的因素，比如安全方面的防火、阻燃、定向泄放，成本方面的減少異型結(jié)構(gòu)等。

按照電池單體能量密度300W·h/kg和電池包能量密度260W·h/kg的目標(biāo)來(lái)計(jì)算，電池包系統(tǒng)的集成效率要做到85%，而當(dāng)前乘用車電池包的集成效率普遍在65%左右，這意味著集成效率需要大幅度提升，才能達(dá)成目標(biāo)。

要提高電池包的集成效率（圖3.22），有兩個(gè)可行的途徑，一是優(yōu)化電池包內(nèi)部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，大幅度減少電池包內(nèi)部的組件數(shù)量，將更多的組件和功能集成在模組和箱體上，從而減輕重量；另一個(gè)是采用輕量化的材料，如采用鋁型材或復(fù)合材料代替高強(qiáng)度鋼，采用塑膠件代替金屬件等，也可以減輕重量。