電池PACK | 鋰電池包框體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(jiàn)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(dāng)著連接整車的“橋梁”，鋰電池通過(guò)鋰電池框體安裝結(jié)構(gòu)裝配在整車上。

圖源：蔚來(lái)汽車為了便于安裝、維護(hù)，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(dān)電池系統(tǒng)更多的重量；上框體則一般主要起防護(hù)作用，承重要求較??；

下框體設(shè)計(jì)

下框體作為電池系統(tǒng)主要承載部件，設(shè)計(jì)相對(duì)更為復(fù)雜。設(shè)計(jì)過(guò)程所需考量點(diǎn)較多，主要有機(jī)械強(qiáng)度、密封設(shè)計(jì)、防腐、輕量化等。當(dāng)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(shè)計(jì)，主要用于初期設(shè)計(jì)打樣。其具有周期短、投入少的特點(diǎn)，見(jiàn)圖2。

圖2 鈑金拼焊框體

鈑金沖壓框體設(shè)計(jì)，其具有工藝成熟、框體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，也深受電池包供應(yīng)商青睞。尤其是工況惡劣場(chǎng)景，如礦區(qū)，往往采用鈑金沖壓框體設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖3。

圖3 鈑金沖壓框體

鋁擠出成型框體設(shè)計(jì)，因其輕量化的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在電池包框體設(shè)計(jì)。隨著整車對(duì)電池系統(tǒng)能量密度要求的逐漸提高，框體設(shè)計(jì)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(jiàn)圖4。

圖4 擠鋁框體

壓鑄框體設(shè)計(jì)，其成本相對(duì)較高，主要用于小型電池包框體設(shè)計(jì)，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(gòu)，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(shè)計(jì)的主要設(shè)計(jì)方案，見(jiàn)圖5。

圖5 一體化底盤框體

(1)基于整車包絡(luò)和鋰電池工藝設(shè)計(jì)

不同的鋰電池類型及工藝所適用的框體設(shè)計(jì)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(shí)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(jìn)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(shù)。成組方案的優(yōu)劣、框體設(shè)計(jì)是否達(dá)標(biāo)，其中的一項(xiàng)重要指標(biāo)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(shè)計(jì)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(wú)支架固定，如寧德時(shí)代推出的CTP(Cell to Pack)方案，即電芯直接通過(guò)膠水固定在框體上。 軟包電池單體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度弱，需要支架支撐，電池框體設(shè)計(jì)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(duì)就較靈活。

(2)基于電量及能量密度設(shè)計(jì)

根據(jù)整車需求的電量及電壓平臺(tái)，進(jìn)行電池布置。在此過(guò)程，可初步完成由包絡(luò)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(jìn)行電池能量密度、體積密度等預(yù)估，再次進(jìn)行選型及布置方案的校對(duì)，確認(rèn)此布置方案是否滿足當(dāng)前行業(yè)的電池工藝水平。 不同電池體系，其電池電壓平臺(tái)不同，系統(tǒng)所需成組的電池?cái)?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(gè)電芯，磷酸鐵鋰需要108個(gè)電芯。 根據(jù)能量密度需求，結(jié)合電池布置方案，進(jìn)行框體材料及結(jié)構(gòu)考慮。設(shè)計(jì)過(guò)程，需要結(jié)合當(dāng)前行業(yè)水平進(jìn)行有效方案評(píng)估。目前，三元材料電池系統(tǒng)能量密度可達(dá)到200~220Wh/kg，磷酸鐵鋰材料電池系統(tǒng)能量密度可達(dá)到160~190Wh/kg。電池重量能量密度是整車新能源補(bǔ)貼、免征購(gòu)置的重要指標(biāo)。

(3)基于框體材料及結(jié)構(gòu)進(jìn)行框體工藝設(shè)計(jì)

框體設(shè)計(jì)包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、鉗工、表面處理等。工程師需結(jié)合選用的框體材料、工藝，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)設(shè)計(jì)，完成最終產(chǎn)品出樣。 利用有限元分析系統(tǒng)(FEA)進(jìn)行框體的結(jié)構(gòu)分析，獲取模態(tài)、變形、應(yīng)力等參數(shù)，確認(rèn)設(shè)計(jì)滿足指標(biāo)。 框體設(shè)計(jì)主要的結(jié)構(gòu)仿真包括振動(dòng)、沖擊、擠壓、碰撞、跌落。相關(guān)的仿真工況輸入主要來(lái)源于整車輸入、工況采集、法律法規(guī)。其中，如振動(dòng)、沖擊、擠壓、跌落等在GB38031中有明確的規(guī)定，屬于必須滿足項(xiàng)目。設(shè)計(jì)師需要結(jié)合實(shí)際情況，與客戶確認(rèn)好仿真工況，確保仿真的有效性。

上框體設(shè)計(jì)

上框體主要與下框體配合，形成密閉的空間，實(shí)現(xiàn)對(duì)框體內(nèi)部零部件的保護(hù)。上框體材料的選擇主要考慮環(huán)境適應(yīng)性，如耐侯性、耐高溫、防腐蝕等；并具備一定的強(qiáng)度，滿足電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需求。目前主要采用鈑金材料和復(fù)合材料。 鈑金材料具有工藝成熟、成型簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)。主要用于環(huán)境適應(yīng)性要求高、強(qiáng)度要求高，但對(duì)能量密度相對(duì)要求低的場(chǎng)景。 復(fù)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(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在乘用車電池包上框體設(shè)計(jì)中。 上框體工藝的選擇需基于采用的材料及框體結(jié)構(gòu)。鈑金材料上框體一般采用沖壓工藝，復(fù)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(yīng)用，上框體也將整合于整車底盤。

其他輔助設(shè)計(jì)

(1)密封設(shè)計(jì)

上下框體間連接需實(shí)現(xiàn)密封連接，達(dá)到防水、防塵等功能。防護(hù)等級(jí)(Degreeofprotection)參照GB/T4208進(jìn)行測(cè)試確認(rèn)。

密封結(jié)構(gòu)需基于結(jié)構(gòu)、材質(zhì)特性(如親水率、變形率、老化)進(jìn)行設(shè)計(jì)，常見(jiàn)的密封結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)主要有密封墊設(shè)計(jì)和涂膠設(shè)計(jì)。密封墊設(shè)計(jì)，具備拆換方便，可重復(fù)使用的特點(diǎn)，但相對(duì)成本較高；涂膠密封更換維護(hù)較困難，重復(fù)使用性差，但密封效果較好、成本較低。

(2)氣壓平衡設(shè)計(jì)

密封框體內(nèi)外存在壓差，其受影響于溫度、海拔等，過(guò)大的壓差將導(dǎo)致框體額外受力，影響框體結(jié)構(gòu)，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(jìn)行內(nèi)外壓差平衡。 氣壓平衡設(shè)計(jì)的另一個(gè)功能是起到及時(shí)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(shí)，必須保證電池框內(nèi)氣體能及時(shí)有效并定方向的通過(guò)該設(shè)計(jì)釋放氣體，防止發(fā)生電池包爆炸。 氣壓平衡設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可布置于上下框體上，具體視上下框體同整車間的預(yù)留空間，該結(jié)構(gòu)要求置于有足夠預(yù)留空間，且泄氣方向盡量朝整車行駛方向。

(3)熱管理設(shè)計(jì)

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(dāng)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。框體設(shè)計(jì)同步需要考慮熱管理的結(jié)構(gòu)布置及設(shè)計(jì)。 熱管理方案分被動(dòng)方案(如風(fēng)冷或自然冷卻)和主動(dòng)方案(如液冷)。其中，風(fēng)冷/自然冷卻方案的框體設(shè)計(jì)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?zé)峁芾矸桨父嗟氖遣捎靡豪湟簾岱桨浮?/span>

電池包風(fēng)冷設(shè)計(jì)

電池包液冷設(shè)計(jì)

不同的電池成組方案，其熱管理設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中，更多考慮其空間及電池支架的固定方案。

(4)安全設(shè)計(jì)

框體設(shè)計(jì)還需要考慮相應(yīng)的安全防護(hù)設(shè)計(jì)，如等電位設(shè)計(jì)、觸電防護(hù)設(shè)計(jì)、擠壓防護(hù)、碰撞防護(hù)、熱失控防護(hù)設(shè)計(jì)等。 框體設(shè)計(jì)過(guò)程中，工程師需嚴(yán)格按GB18384，GB38031等法規(guī)要求，并結(jié)合FMEA分析，確保安全設(shè)計(jì)的有效性，保證用戶的人身安全。

(5)高低壓連接設(shè)計(jì)

高低壓連接充當(dāng)著電池系統(tǒng)“神經(jīng)”的作用，將動(dòng)力及信息有效的對(duì)外輸出。上下框體的設(shè)計(jì)需要結(jié)合高低壓連接方案預(yù)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(jié)構(gòu)基于電芯類型、電芯成組技術(shù)有不同的設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)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(jìn)行框體尺寸分解及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 綜上，本文按正向設(shè)計(jì)的流程，簡(jiǎn)述了鋰電池構(gòu)造并分別給出的上框體和下框體的設(shè)計(jì)方法及注意事項(xiàng)。整車輸入電池布置空間后，需結(jié)合設(shè)計(jì)指標(biāo)、電池成組方案、熱管理方案、高低壓連接方案等進(jìn)行上下框體方案確定及相關(guān)零部件有效空間預(yù)留；再結(jié)合整車安裝要求、工藝特性等，進(jìn)行細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，包括氣壓平衡設(shè)計(jì)、氣密設(shè)計(jì)等；最終再結(jié)合仿真，完成設(shè)計(jì)優(yōu)化和設(shè)計(jì)凍結(jié)。 不同的設(shè)計(jì)需求，其最終的設(shè)計(jì)方向?qū)⒂兴煌?，如CTP(Cell to Pack)和CTC(Cell to Classis)，其框體結(jié)構(gòu)大有不同。工程師需結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目需求及本身電芯工藝能力，進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)。

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