3.3 動力電池箱體設計
動力電池系統主要受兩種力的作用，一種為接觸式受力，另一種為非接觸式受力，由防護結構和連接結構對產品進行保護，使其滿足功能要求且能通過相應的測試驗證。
動力電池系統的防護結構主要包括箱體、支架、模組框架、冷卻系統、箱體內部固定結構（固定模組、電氣件、高低壓線束、連接器、冷卻系統等結構）。
在設計防護結構和連接結構時，需要將定性的指標轉化為一個定量的設計參數。
3.3.1 強度設計
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（規則或異型結構）、機械強度和輕量化目標等要求。
電池箱體結構設計要點如下：
1）能量密度：比能量、輕量化。
2）熱管理：熱均勻性、熱管理系統效率、導熱、散熱、保溫、加熱。
3）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）。
4）可制造性：生產效率、優率、成本。
5）機械安全：機械振動、沖擊、強度、碰撞、擠壓、側翻、底部球擊、跌落等。
6）電氣安全：高壓標識、電氣絕緣、電氣間隙、爬電距離、防觸摸、等電位聯結。
7）防護安全：防水防塵（IP67＆IP6K9K）、防鹽霧腐蝕。
8）其他：電池箱火燒、熱失控蔓延控制、電池箱內外壓力平衡和緊急排放。
1.箱體邊界尺寸確定
箱體的邊界尺寸來源于整車對動力電池系統的整體要求，也受到來自下一層級模組、高壓箱的影響。通過上下層級因素的綜合考慮，已確定箱體的邊界尺寸。
標準箱體的需求邊界綜合考慮了整車、模組和高壓箱（包含在箱體內部，還是獨立于箱體）邊界尺寸的需求，考慮了規模化生產、售后維護、后續梯次使用和回收利用等因素，因此標準電池包箱體是能平衡各方面因素的比較成熟的選擇。
2.上蓋設計
電池箱體上蓋主要起密封作用，受力不大，常用的材料主要有鈑金、鋁板材和復合材料。鈑金和鋁板材上蓋有兩種成型工藝：折彎+拼焊和一體沖壓成形，復合材料一般使用一體成型即模壓。上蓋設計考慮因素見表3.5。
表3.5 上蓋設計考慮因素
除了上面的考慮因素外，還有加工的可行性、成本等其他方面的考慮，如加強筋等附加特征（表3.6）。
表3.6 防撞梁、加強梁和加強筋對比
防撞梁和加強梁結構形式稍有差異，但都是對箱體局部點的加強，當需要對箱體面上強度加強時，主要使用圈梁。
3.下箱體設計
下箱體作為主要機械承載部件，設計時相對復雜。確定邊界尺寸后，下箱體需考慮的有機械強度、等電位、防腐蝕、密封設計、輕量化等，其中機械強度、密封設計、輕量化是主要的關注點（密封設計和輕量化將在后面章節介紹）。機械強度的設計內容包括：安裝點設計、內部加強梁設計（圖3.23）、防撞梁設計。機械強度設計考慮因素見表3.7。
圖3.23 加強梁框架式結構
表3.7 機械強度設計考慮因素
安裝點除了上面需要關注的三個方面外，安裝點的結構形式也需要關注，安裝點結構形式見表3.8。
表3.8 安裝點結構形式
3.3.2 輕量化設計
在電池包的輕量化設計中，有兩個方向：一個是系統層面。另一個是詳細設計層面。
系統層面的輕量化設計，首先應該是從電池單體的選擇入手，不同體系和尺寸的電池單體與動力電池系統都有一個匹配度的問題；通過優化整體排布，實現空間的最大利用率；還有就是在系統層面，減少層級。本節主要介紹詳細設計層面，系統層面就略過。
詳細設計層面的輕量化可以從幾方面入手：新的成組方式、新型材料的應用、尺寸優化、拓撲優化和制造工藝的選擇。
1.新的成組方式
現在的電池包設計，大部分都采用三級結構，即模組級、箱體級和系統級。在這種設計中，模組級的成組效率（電池單體占模組的重量百分比）可以做到80%甚至是90%以上，而箱體級的成組效率做得比較好的也就80%多一點，但兩者相乘后總效率不高，在不算高壓盒的情況下，系統級別的成組效率也只能達到70%上下。
以商用車為例，現在的商用車大都使用磷酸鐵鋰電池單體，能量比重量做得好的也就140～150W·h/kg，按照國家補貼要求，能量比重量在115W·h/kg以上，才能拿到比較好的補貼，那么系統的成組效率需要做到80%以上，勢必需要新的成組方式。新的成組方式有兩個方向，見表3.9。
表3.9 新的成組方式方向
2.新型材料的應用
輕量化材料是指可用來減輕動力電池系統自重的材料，它有兩大類:一類是低密度的輕質材料，如鋁合金、復合材料等；另一類是高強度鋼。輕量化材料的特點見表3.10。
表3.10 動力電池系統輕量化材料
在動力電池系統中應用新型材料部件的示例見表3.11。
表3.11 新型材料應用示例
隨著新材料和新技術的逐漸應用，動力電池系統的生產工藝也在發生變化（表3.12）。比如，沖壓、板材溫沖壓、型材擠壓和結構件鑄造代替傳統方法，以及焊裝、涂裝都與傳統不同，使得鋁合金的涂裝工藝發生了變化，這里面比較有代表性的就是特斯拉。碳纖維的工藝為纖維編制然后烘烤，它的連接方式可以是預埋一些連接件，其代表車型就是長城華冠。
表3.12 輕量化材料典型加工工藝
3.3.3 IP防護設計
電池包是一個內部帶很大能量的電子產品，它的電壓一般都超過安全電壓60V，并且對導電的液體很敏感，導電液體一旦進入電池包內部，很可能造成電池包功能異常，甚至引起短路、起火、爆炸等情況。所以，在進行電池包結構設計時，必須考慮IP防護。
IP防護分為兩塊：一是接觸防護，IPXXB和IPXXD；二是防水防塵，PXX。
目前，使用比較成熟的電池包箱體主要有鈑金箱體、鋁合金箱體和復合材料箱體，不同材料的箱體，在進行IP67密封設計時，有不同的要求（表3.13）。
表3.13 箱體IP防護設計要點
對于上下箱體的安裝面,除了考慮水平度外，安裝面的結構設計對IP防護也有不同的影響（表3.14）。
表3.14 上下箱體安裝面密封結構
除了對上下箱體安裝面密封結構有要求外，對于插接件與箱體的安裝固定方式也必須滿足IP等級要求，在設計時通常采用兩種方式：
1）箱體插接件安裝孔設計為盲孔這種方式簡單，但是存在結構強度不足的缺點。
2）為了達到箱體的強度要求，可以先將插接件安裝在板上，再把板安裝在箱體上并做密封處理。
3.3.4 防火阻燃設計
動力電池系統是一個長期、頻繁使用的產品，它應用的環境比較多樣，并且應用場合的人員也比較集中，一旦發生極端情況（起火、爆炸），如果沒有相應的保護措施，將對社會造成很大的危害。因此，在防火和阻燃方面需要對動力電池系統做針對性的設計。
防火與阻燃可以從兩方面來考慮：①被動防火與阻燃；②主動防火與阻燃（表3.15）。
表3.15 防火阻燃設計
現在，防火的材料主要由無機黏合劑、耐火的礦物質填料、難燃型有機樹脂、難燃防火添加劑構成。在動力電池系統中，結構件經常添加防火添加劑增強防火阻燃能力，比如在密封墊中添加防火阻燃材料。
對電池著火來說，水是最有效的滅火材料，但由于動力電池系統空間限制，不可能儲存大量的水，所以電池系統的消防系統可以采用多級設計：在箱體內部安裝小劑量的消防裝置，抑制電池系統的開始火勢，然后通過箱體面板上的接口連接箱外消防系統再抑制，最后通過箱體面板上的接口，接入消防水管達到完全撲滅效果。
3.3.5 防腐設計
防腐蝕可以用不同的防腐等級來表達，主要根據產品的使用壽命和使用環境來確定零部件的防腐等級。例如使用壽命為8年，并且在沿海地區使用，那么產品的防腐等級一般要達到：中性鹽霧時間480h，參考汽車行業規范（表3.16）。
表3.16 動力電池系統常用防腐蝕工藝
（續）
3.3.6 防呆設計
動力電池系統的零件數量高達數百個，高壓連接可達數十處，在生產、安裝及測試過程中，很容易出現因人員誤操作，導致電池系統短路起火，甚至人員遭受電擊的事故，因此，防呆設計對人員安全和財產安全至關重要，可大大避免不必要的人員和財產損失。
通常來說，防呆可以分為：機械防呆、顏色防呆和標志防呆（表3.17）。
表3.17 動力電池系統防呆設計
（續）
例如BMW i3電池系統的設計，電池系統內部模組連接采用串聯結構，控制高壓線束長度，并在高壓串聯線上增加標志，以防止人員誤操作風險。
電池系統內部高壓線束接頭正負極均必須采用防呆結構設計，以控制人員誤操作風險。再如，快插高壓連接器，有鍵位、顏色和標志的三重防呆設計。在接口位置比較集中的部位，對不同高壓連接選用同系列快插連接器時，應當選用鍵位、顏色和標志都不一樣的高壓連接器。