车用新能源动力电池系统PACK开发设计

动力电池系统是新能源电动汽车动力的来源，作为电动汽车的关键零部件，其设计的合理性和安全性对电动汽车起着至关重要的作用。文章基于某车企需求研发设计一款28 kWh的动力电池系统，主要从电池系统整体结构的排布与设计、电池电气系统的设计、电池热管理系统的设计等三个方面对该动力电池系统进行详细设计和分析。该设计通过结构上尺寸链的分析校核是合理的，以及对其热管理系统进行仿真分析，从而来验证其性能的可行性。此次设计为后续进一步对该电池系统进行优化和试验验证提供了一定的理论基础，也为电池系统开发工作者提供一定的参考价值。 

动力电池包是电动汽车的关键核心零部件，目前大多数电池包的固定方式采用箱体装载式并固定于汽车底盘。动力电池系统主要由电池组件、电池箱体组件、电池管理系统（Battery Management  System, BMS）、高压电气系统和热管理系统等组成。动力电池系统的整体布局在满足客户设计需求的前提下，电池内部空间需排布合理，并且保障动力的稳定性以及电池的安全性。各排布之间确保零件之间不会相互干扰，且保证电池系统在合理的工作范围内工作，且确保电池系统在合理的温度范围内工作，也就是确保电池的热管理系统正常工作，均匀散热，确保电池的一致性，提高电池的利用率，同时延长电池的使用寿命。以下对电池系统整体排布与设计进行概述。

根据上述动力电池系统的特点和特性，以及主机厂的设计要求，本文设计的动力电池系统主要由电池箱体、箱盖、电池模组、高压铜排、液冷板、高压插件、电池切断单元（Battery Disconnect Unit, BDU）、BMS 主机和从机、烟雾传感器以及高低压接插件等组件组成。电池各部件的初步选定为：采用方壳电芯进行设计，电池模组选用1P34S×3 成组方式，系统额定容量为87 Ah，额定电压为326 V，标称电量为28.39 kWh，电压范围为255～372 V，可用的电池荷电状态（State Of Charge, SOC）范围为0～100%，电池系统的能量密度为120.8 Wh/kg。电池的防护等级根据国家的相关标准采用IP67 的防护等级。目前热管理方式主要有液冷和风冷两种方式，根据电池结构特点和客户需求，本文采用液冷板液冷散热和侧面正温度系数热敏电阻（Positive Temperature Coefficient, PTC）加热的热管理方式。BMS 排布选择一主两从的结构形式。整体的PACK 尺寸设计为1 230 mm×1 085 mm×130 mm，整体PACK 的重量应为235 kg。电池包的三维整体布置如图1 所示。

图1 电池包三维整体布置图

该电池PACK 系统中电池模组通过螺栓固定在电池箱体上，箱体与箱盖最终通过螺栓进行密封。模组与模组之间通过串联铜排进行连接，电池系统的前端留有一个矩形空间，专门布置2 个高压箱BDU、BMS 主机和BMS 从机、烟雾传感器以及用于引出总正和总负的高压铜排。箱体前端外部安装有高低压接插件用于充放电以及与整车通讯连接。为了散热性能好，在电池模组底部设计有液冷板用于散热冷却，模组侧边设计有PTC 加热，两者相结合保证电池系统在合理的温度范围内工作，提高电池系统的使用寿命。该电池系统结构设计紧凑、集成度高，且便于装配和维修。

1.1 箱盖设计

箱盖采用预浸料模压（Prepreg Compression Molding, PCM）材质。防腐等级根据国家标准GB/T10125－2012中对盐雾实验的要求，中性盐雾≥720 h，阻燃等级应达到UL94-V0。加工工艺采用PCM，开模周期要求为45天。箱盖的设计尺寸为1 215 mm×1 059 mm×32.65 mm，主体厚1.2 mm，法兰为3.0 mm，箱盖整体的质量≤4 kg，箱盖安装孔需增加C 型衬套，衬套可以避免扭矩衰减，有利于保护PCM 材料本体。箱盖设计图如图2 所示。

图2 箱盖设计图

1.2 箱体设计

箱体由多个零部件组成，边框型材采用Al6061-T6，插件面板采用铸铝AlSi10MnMg，底护采用0.8 mm 的B340LA/590DP。防腐等级根据国家标准GB/T 10125－2012 中对盐雾的实验要求，中性盐雾≥720 h，阻燃等级应达到UL94-V0。箱体的加工工艺采用液冷一体化设计，框架采用熔焊焊接，液冷板与箱体框架采用流钻螺钉拧紧（Flow Drill Screw, FDS）工艺，同时使用密封胶辅助密封，冲压底护板与箱体及液冷板用螺栓进行连接。箱体的设计尺寸为1 355 mm×1 145 mm×135 mm，质量大约36 kg。其箱体底护板喷涂0.8 mm聚氯乙烯（Polyvinyl Chloride, PVC），箱体设计如图3 所示。

图3 箱体设计图

动力电池的电气系统可保证整个电池包能够安全运行，所以电气设计是动力电池系统设计的关键部分。电动汽车电池包的电气部分主要有电池模组、BMS、电气部件（继电器、接触器、保险、传感器、预充电阻等）、高低压线束和连接器。

电气系统设计实现功能为基础，以安全为第一，可靠性为主，输出可靠高效的电能。在设计过程中，高压电气负载匹配是一个重要的设计方案，包括接触器、高压线缆或铜巴、汇流排、熔断器、高压接插件等相互连接，将动力电池系统的电能输送到车辆高压系统。还需要考虑预充电阻和预充时间的确定，以避免高压上电时产生瞬间大电流冲击高压电气部件。

根据本文整体系统排布和结构方面的设计对电气系统进行整体布局，其中电气系统设计主要有高低压系统设计、各类连接线束设计、各类低压接插件设计。本文设计的动力电池电气系统的整体布局如图4 所示。

图4 电气系统整体布局图

动力电池的热管理系统对动力电池的性能、寿命、安全和储能大小的变化等均有影响。要保证动力电池系统在合理的温度范围内工作，防止电池系统出现热失控，导致电池寿命缩短和损坏，所以为了防止电池过热，保障电池系统安全运行，对于动力电池的热管理系统的设计和开发至关重要。

热管理系统主要是对冷却系统温度进行检测与控制。动力电池系统一般分为液冷和风冷，风冷成本低，能够散去有害气体，不存在漏液等复杂的问题。但是在动力电池包这种结构紧凑且需迅速冷却的设备上，风冷并不适用；相比液冷，与整个电池包热交互的速率更快，散热更可靠的原因，同时电池模组采用了三块1P34S的成组方式，所以受热不均匀也成了电池是否能安全使用的一大重要问题，因此，本文设计的电池热管理方式为液冷一体化加侧面PTC 加热的组合方式。

具体方案为冷却方式采用一体化冷板液冷、加热方式侧面PTC 加热方案、导热界面模组与冷板之间填充2.5 mm 导热胶（模组带兜边）、保温和支撑设计底护板与一体化冷板间采用条状硅胶泡棉作支撑（压缩后2.5 mm）。液冷板布置在电池箱体与电池模组之间，为电池模组底部提供散热，并在电池模组的侧面布置PTC 进行加热。采用该种底部液冷板加侧面PTC 加热的组合方式，可很好地对电池系统进行热管理，其热管理整体方案图和热管理系统图如图5 和图6 所示。

图5 整体方案图

图6 热管理系统示意图

3.1 液冷板设计

针对冷板进行关键尺寸及流道设计。冷板的材料选择：上板选择铝锰合金并进行镀膜处理（AL3003Mod），下板选择铝锰合金（AL3003）。冷板的板厚设计为上板1.2 mm，下板1.0 mm，水嘴内径设计为16 mm。冷板的总体尺寸为1 206 mm×1 050 mm× 6.2 mm。液冷板进出水口直接接整车端，取消管路设计，在液冷板总进总出处安装固定防护底座，液冷板四周固定，且与箱体边框的固定采用FDS 流钻螺钉固定。液冷板的设计方案如图7 所示。

图7 液冷板设计方案

3.2 PTC 设计

在模组的侧面固定Ｌ型的PTC 加热板，其两头通过螺栓紧固在模组端板上与模组集成在一起，集成后作为模组侧板，通过加热板上的支架将模组固定在箱体支撑梁上。该PTC 设计的结构尺寸为935 mm×97 mm×1.5 mm。

该PTC 在设计时采用了绝缘设计：在PTC 加热板表面贴绝缘膜，防止加热板铝外壳与电芯接触。导热设计采用0.5 mm 导热结构胶，导热系数1.2 W/m.K，均匀铺在绝缘膜表面。线路设计单独采用一根主控线束将6个PTC加热板并联在一起，加热板采用快插插件与线束连接，PTC 的三维设计方案见图8。

图8 PTC 三维设计方案

针对以上电池系统的结构设计，需通过尺寸链分析来判定其设计的结构尺寸是否合理，避免出现干涉的现象，特别是Z 向（即电池包的厚度方向）。由于Z 向空间较小，且布置的零部件较多，要保证设计的零部件都能合理地布置，下面将具体对Z 向进行尺寸链分析。

在Z 向尺寸链计算中，通过测量可得电池包Z向总尺寸为130 mm，具体电池包Z 向各尺寸间隙名称和明细表如表1 和图9 所示。图9 电池包Z 向尺寸链示意图如图11 所示，选取Z 方向间隙最小区域进行尺寸链校核。

上偏差：Es=Es(A)+Es(B)+Es(C)+Es(D)+Es(E)+Es(F)+Es(G)+Es(H)+Es(I)=4.7 mm；

下偏差：EI=EI(A)+EI(B)+EI(C)+EI(D)+EI(E)+EI(F)+EI(G)+EI(H)+EI(I)=-4.7 mm。

经过上述分析和计算，可得出该电池系统的上、下偏差分别为4.7 mm 和-4.7 mm，满足电池结构偏差设计要求±5 mm 的偏差范围，可验证该计算方向的设计间隙符合要求。

动力电池热管理系统作为动力电池的关键零部件，其性能的好坏对动力电池及车辆的使用寿命和安全性等有着重要的影响，特别是针对极端恶劣天气，电池系统能否有效实现低温加热，确保汽车安全稳定行驶，因此，设计一款具有良好热管理系统的动力电池尤为重要。所以通常需要对电池热管理系统进行仿真分析，来判断系统内部压降和低温加热性能是否满足设计要求。

5.1 系统压降仿真分析

为保证该动力电池系统在运行过程中始终保持在合适的温度范围内，需对该电池热管理系统进行仿真分析，以分析该液冷系统内部压降和低温加热工况，验证设计的合理性。

本文将液冷板的进口端面设置为液体流量入口，出口端面设置为压力出口，大小为0 Pa。其工况为以进口20 ℃冷却液，流体介质为体积比为50%的水和乙醇的混合液，进口流量10 L/min，密度1 040 kg/m3，动力粘度1.65 mPa・s 来分析液冷板内部系统压降，要求系统压降≤25 kPa，系统内部压降仿真分析曲线图如图10 所示，其对应的液体速度云图如图11 所示。

图10 系统内部压降曲线图

图11 系统内部流体速度云图

根据仿真结果可知，液冷板内壁面最大压应力存在部位，即入口部位。液冷板内壁面最大压应力为21.413 kPa，小于设计要求的判定标准25 kPa，说明系统压降满足设计要求。从系统内部流体速度云图可以看出，系统内部液体流速为0.8 m/s，满足整车厂对电池热管理系统流速在0.1～1 m/s区间的设计要求，仿真结果可验证该系统满足设计要求。

5.2 低温加热仿真分析

电池系统在低温环境下工作性能较差，需要对电池热管理系统的低温加热工况进行仿真分析。本文采用的是87 Ah 的LFP 型号的方壳电芯，其分析工况为假设周围环境及电池系统初始温度为-20 ℃，开启PTC 加热，当电芯最低温度Tmin=0 ℃时停止，PTC 功率为单片550 W。设计目标为低温世界轻型汽车测试循环工况，电池最低温由-20 ℃加热至0 ℃，时间≤35 min，温差≤8 ℃。在每个大模组上分布3 个温度监控点，3 个模组共分布9 个温度监控点。经仿真分析后电池温度仿真云图和电池监控点温度曲线分别如图12和图13所示。

图12 电池温度仿真云图

图13 电池监控点温度曲线图

图13 表明，在此工况下，电池由-20 ℃加热至0 ℃，低温加热工况结束后，模组的最高温度为30.3 ℃，小于目标值38 ℃。温差2.7 ℃≤8 ℃，仿真结果表明，电池系统的低温加热性能指标均满足设计要求。

本文设计了一款车用新能源动力电池系统，分别从该动力电池系统的结构进行了设计（包括系统整体方案设计、箱体设计和箱盖设计），又对电池的电气系统以及对电池的热管理系统进行了设计，并对该电池在结构上的尺寸链进行了分析和校核，以及对该电池系统的热管理性能进行了仿真分析，包括分析其系统压降以及低温加热工况，具体得到以下几点结论：

1）通过对电池系统的结构设计进行分析，选取Z 向间隙最小区域进行尺寸链校核，结果表明该电池系统的上下偏差分别为4.7 mm和-4.7 mm，满足电池结构偏差设计要求±5 mm 的偏差范围，可验证该系统结构在计算方向的设计间隙符合要求，验证了结构设计的可行性。

2）通过对电池热管理系统中的系统压降工况进行仿真分析，结果表明液冷板内壁面最大压应力存在部位，即入口部位。液冷板内壁面最大压应力为21.413 kPa，小于设计要求的判定标准25 kPa，说明系统压降满足设计要求；系统内部液体流速为0.8 m/s，满足整车厂对电池热管理系统流速在0.1～1 m/s 区间的设计要求；仿真结果可验证该系统满足设计要求。

3）通过对电池热管理系统中的低温加热工况进行仿真分析，电池由-20 ℃加热至0 ℃，低温加热工况结束后，模组的最高温度为30.3 ℃小于目标值 38 ℃。温差 2.7 ℃≤8 ℃，仿真结果表明电池系统的低温加热性能指标均满足设计要求。