電池PACK | 鋰電池包框體結構設計

鋰電池包及框體概述

鋰電池包主要由承載框體(下框體、上框體)、鋰電池、高壓連接組件(如高壓接插件)、低壓連接組件(如低壓接插件)等組成，見圖1所示。1- 上框體；②-下框體；③-鋰電池組；④-高壓組件；⑤-低壓組件(內(nèi)含)圖1鋰電池包鋰電池框體不僅作為各零部件承載體，也充當著連接整車的“橋梁”，鋰電池通過鋰電池框體安裝結構裝配在整車上。

圖源：蔚來汽車為了便于安裝、維護，承載框體一般分為上框體和下框體。下框體主要承載器件，承擔電池系統(tǒng)更多的重量；上框體則一般主要起防護作用，承重要求較?。?/span>

下框體設計

下框體作為電池系統(tǒng)主要承載部件，設計相對更為復雜。設計過程所需考量點較多，主要有機械強度、密封設計、防腐、輕量化等。當前，電池系統(tǒng)所使用的下框體工藝包括鈑金工藝、冷沖壓工藝、擠出成型、壓鑄等。 鈑金拼焊框體設計，主要用于初期設計打樣。其具有周期短、投入少的特點，見圖2。

圖2 鈑金拼焊框體

鈑金沖壓框體設計，其具有工藝成熟、框體結構強度高的優(yōu)點，也深受電池包供應商青睞。尤其是工況惡劣場景，如礦區(qū)，往往采用鈑金沖壓框體設計，見圖3。

圖3 鈑金沖壓框體

鋁擠出成型框體設計，因其輕量化的優(yōu)點，被廣泛應用在電池包框體設計。隨著整車對電池系統(tǒng)能量密度要求的逐漸提高，框體設計輕量化刻不容緩，鋁擠出工藝也作為了電池系統(tǒng)輕量化的主要方案，見圖4。

圖4 擠鋁框體

壓鑄框體設計，其成本相對較高，主要用于小型電池包框體設計，如48V電池包。隨著電池系統(tǒng)框體與整車底盤的逐漸集成化，電池框體直接采用壓鑄底盤框體架構，電芯直接布置在壓鑄底盤框體內(nèi)(Cell to classis，即電芯直接集成到整車底盤上)，也成為框體設計的主要設計方案，見圖5。

圖5 一體化底盤框體

(1)基于整車包絡和鋰電池工藝設計

不同的鋰電池類型及工藝所適用的框體設計方案不同。按鋰電池封裝方式，分圓柱、方殼、軟包。如松下21700圓柱電池、寧德時代方殼電池、LG軟包電池。

根據(jù)選定的電池類型及其工藝，進行電池排布。其中電池在框體內(nèi)的排布方案，稱之為成組技術。成組方案的優(yōu)劣、框體設計是否達標，其中的一項重要指標就是成組效率，即電池有效重量占比、有效空間占比，其有效占比越高，成組效率就越高。

電池框體設計需要考慮電池在框體內(nèi)的排布方式、固定方式、熱管理方式。圓柱電池排布方式有沿高度垂直布置、沿高度平躺布置。圓柱電池需額外借助支架(一般為塑料支架)或膠水固定于下框體。如圖6為圓柱電池沿高度垂直布置，并采用填充膠水固定于框體上。

圖6 圓柱電池沿高度垂直布置

方殼電池主要采用沿高度垂直布置，如圖7。

圖7 方殼電池沿高度垂直布置

其固定方式主要分兩種，采用支架固定，即傳統(tǒng)模組方案和無支架固定，如寧德時代推出的CTP(Cell to Pack)方案，即電芯直接通過膠水固定在框體上。 軟包電池單體結構強度弱，需要支架支撐，電池框體設計更多的需考慮與軟包單體支架間的連接，軟包電池本身的布置相對就較靈活。

(2)基于電量及能量密度設計

根據(jù)整車需求的電量及電壓平臺，進行電池布置。在此過程，可初步完成由包絡到電池的尺寸分解。根據(jù)電池類型和所分解的電池尺寸，可進行電池能量密度、體積密度等預估，再次進行選型及布置方案的校對，確認此布置方案是否滿足當前行業(yè)的電池工藝水平。 不同電池體系，其電池電壓平臺不同，系統(tǒng)所需成組的電池數(shù)量也將各有差異。如一般三元材料電池額定電壓在3.56V，磷酸鐵鋰材料電池額定電壓在3.22V，同樣組成350V的系統(tǒng)電壓，三元需要98個電芯，磷酸鐵鋰需要108個電芯。 根據(jù)能量密度需求，結合電池布置方案，進行框體材料及結構考慮。設計過程，需要結合當前行業(yè)水平進行有效方案評估。目前，三元材料電池系統(tǒng)能量密度可達到200~220Wh/kg，磷酸鐵鋰材料電池系統(tǒng)能量密度可達到160~190Wh/kg。電池重量能量密度是整車新能源補貼、免征購置的重要指標。

(3)基于框體材料及結構進行框體工藝設計

框體設計包括產(chǎn)品設計、模具設計、鉗工、表面處理等。工程師需結合選用的框體材料、工藝，實現(xiàn)閉環(huán)設計，完成最終產(chǎn)品出樣。 利用有限元分析系統(tǒng)(FEA)進行框體的結構分析，獲取模態(tài)、變形、應力等參數(shù)，確認設計滿足指標。 框體設計主要的結構仿真包括振動、沖擊、擠壓、碰撞、跌落。相關的仿真工況輸入主要來源于整車輸入、工況采集、法律法規(guī)。其中，如振動、沖擊、擠壓、跌落等在GB38031中有明確的規(guī)定，屬于必須滿足項目。設計師需要結合實際情況，與客戶確認好仿真工況，確保仿真的有效性。

上框體設計

上框體主要與下框體配合，形成密閉的空間，實現(xiàn)對框體內(nèi)部零部件的保護。上框體材料的選擇主要考慮環(huán)境適應性，如耐侯性、耐高溫、防腐蝕等；并具備一定的強度，滿足電池系統(tǒng)的結構強度需求。目前主要采用鈑金材料和復合材料。 鈑金材料具有工藝成熟、成型簡單、結構強度高的優(yōu)點。主要用于環(huán)境適應性要求高、強度要求高，但對能量密度相對要求低的場景。 復合材料具有密度低、重量輕、耐腐蝕、阻燃性好，絕緣性好等特點，被廣泛應用在乘用車電池包上框體設計中。 上框體工藝的選擇需基于采用的材料及框體結構。鈑金材料上框體一般采用沖壓工藝，復合材料上框體主要采用模壓工藝和注塑工藝成型。 隨著CTC方案的推廣及應用，上框體也將整合于整車底盤。

其他輔助設計

(1)密封設計

上下框體間連接需實現(xiàn)密封連接，達到防水、防塵等功能。防護等級(Degreeofprotection)參照GB/T4208進行測試確認。

密封結構需基于結構、材質(zhì)特性(如親水率、變形率、老化)進行設計，常見的密封結構有密封墊、密封圈(如O型圈)、涂膠密封。 目前鋰電池上下框體密封設計主要有密封墊設計和涂膠設計。密封墊設計，具備拆換方便，可重復使用的特點，但相對成本較高；涂膠密封更換維護較困難，重復使用性差，但密封效果較好、成本較低。

(2)氣壓平衡設計

密封框體內(nèi)外存在壓差，其受影響于溫度、海拔等，過大的壓差將導致框體額外受力，影響框體結構，甚至引發(fā)框體爆破。常采用氣壓平衡閥或透氣閥等裝置，進行內(nèi)外壓差平衡。 氣壓平衡設計的另一個功能是起到及時泄氣的作用。尤其在電池發(fā)生噴閥泄露產(chǎn)生大量氣體時，必須保證電池框內(nèi)氣體能及時有效并定方向的通過該設計釋放氣體，防止發(fā)生電池包爆炸。 氣壓平衡設計結構可布置于上下框體上，具體視上下框體同整車間的預留空間，該結構要求置于有足夠預留空間，且泄氣方向盡量朝整車行駛方向。

(3)熱管理設計

電池系統(tǒng)工作需維持在一定的溫度范圍，一般理想的工作溫度在20~35℃間。電池系統(tǒng)熱管理充當著電池系統(tǒng)溫度調(diào)節(jié)器的作用，保證電池溫度在適宜區(qū)間?？蝮w設計同步需要考慮熱管理的結構布置及設計。 熱管理方案分被動方案(如風冷或自然冷卻)和主動方案(如液冷)。其中，風冷/自然冷卻方案的框體設計主要考慮內(nèi)部電芯布置分布，保證框體內(nèi)電芯溫度的一致性。目前電池熱管理方案更多的是采用液冷液熱方案。

電池包風冷設計

電池包液冷設計

不同的電池成組方案，其熱管理設計也有所不同，其同電池框體的集成方案也不同。 圓柱電池通常采用變形的水冷板附于電池表面作為熱管理設計方案，如TeslaY水冷板布置在圓柱電芯間，內(nèi)置于下框體。

直冷

方殼電池可采用水冷板附于下框體底部或與下框體集成的方式作為熱管理設計方案。 軟包電池一般將水冷板集成于電池支架上作為熱管理方案。下框體設計中，更多考慮其空間及電池支架的固定方案。

(4)安全設計

框體設計還需要考慮相應的安全防護設計，如等電位設計、觸電防護設計、擠壓防護、碰撞防護、熱失控防護設計等。 框體設計過程中，工程師需嚴格按GB18384，GB38031等法規(guī)要求，并結合FMEA分析，確保安全設計的有效性，保證用戶的人身安全。

(5)高低壓連接設計

高低壓連接充當著電池系統(tǒng)“神經(jīng)”的作用，將動力及信息有效的對外輸出。上下框體的設計需要結合高低壓連接方案預留足夠的空間，包括安裝空間、爬電距離、電器間隙等。 鋰電池框體結構基于電芯類型、電芯成組技術有不同的設計方案。設計人員就需要了解不同電芯類型的工藝、成組方式、電池工藝水平進行框體尺寸分解及結構設計。 綜上，本文按正向設計的流程，簡述了鋰電池構造并分別給出的上框體和下框體的設計方法及注意事項。整車輸入電池布置空間后，需結合設計指標、電池成組方案、熱管理方案、高低壓連接方案等進行上下框體方案確定及相關零部件有效空間預留；再結合整車安裝要求、工藝特性等，進行細節(jié)設計，包括氣壓平衡設計、氣密設計等；最終再結合仿真，完成設計優(yōu)化和設計凍結。 不同的設計需求，其最終的設計方向?qū)⒂兴煌?，如CTP(Cell to Pack)和CTC(Cell to Classis)，其框體結構大有不同。工程師需結合實際項目需求及本身電芯工藝能力，進行相關的設計。

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