電池包設計的案例
動力電池包輕量化設計技術
摘要：
在整車電量一定的情況下，電動汽車的續航里程一直是用戶重點關注的參數之一，而電動汽車用電池包作為三電系統中的核心部件，其輕量化的設計直接影響整車的續航里程。實現動力電池包輕量化設計主要有兩種途徑：提高單體電芯的能量密度，優化電池包結構設計，本文主要是針對第二種方式進行闡述輕量化設計的相關技術研究。
新能源汽車對輕量化設計更加敏感，直接影響到終端用戶的體驗度和滿意度。電動汽車電池包的輕量化研究是新能源汽車輕量化的主要研究內容之一，實現動力電池包的輕量化主要有兩種途徑：一是提高單體電芯質量能量密度，二是優化電池包結構設計和新材料的選型。
1 動力電池包輕量化設計思路
動力電池包的主要組成部分就是電池及相關結構輔件，目前單體電芯大多數為鋰離子電池，其主要由正極材料、負極材料、電解液、隔膜、銅箔等組成，動力電池包對電芯進行相關的串并聯組合方式實現不同的電壓和能量，過重的電池包對整車續航能力影響極大。
展開 關于新能源車型電池包熱管理系統設計應考慮的幾個影響因素
?其中整車耐久可靠性試驗是眾多汽車企業的主流驗證方法，可以充分暴露電池熱管理系統各方面可能存在的設計缺陷?
2 熱管理系統設計不良案例
2.1 電池包熱交換設計不良
某項目A是插電混合動力車型，其電池包采用液冷設計，且設計了壓縮機參與熱量交換的快速冷卻功能，在熱管理系統設計上理念較為先進?然而該項目在以高車速/大載荷工況為主的整車動力總成耐久試驗過程，暴露出電池包過熱降功率問題?
在該耐久試驗過程，電池包最高電芯溫度隨著工況的進行而快速上升，當最高電芯溫度上升至38℃時，系統根據策略觸發快速冷卻功能，電池升溫速度雖然開始減緩，但仍在繼續增長?同時電池包內的單體電芯溫差在逐漸拉大?最終最高電芯溫度突破46℃，BMS報電池溫度過高故障，整車進入降功率行駛模式?
產品工程師在分析電池包散熱不良現象過程，初步發現了冷卻液的出水溫度與進水溫度十分接近，結合水流速度計算得出的熱交換量較低，并未達到預期的設計目標?因此聯合供應商對電池包進行拆解分析，最終確認了電池包的冷板存在幾個設計不合理問題?
①冷板僅與電池模組下方一個面接觸，接觸面積過小，導致熱量無法及時傳導到冷板上;
②冷板的水路沒有進行迂回設計，過于筆直，導致冷卻液未能吸收足夠的熱量就快速通過了冷板;
③冷板僅與電池模組下方一個面接觸，模組下方的電芯距離冷板較為接近，冷卻效果較好，而模組上方的電芯距離冷板較遠，冷卻效果較差，很容易導致電芯溫度差變大?
2.2 電池包熱阻值與額定電壓設計不良
某項目B是插電混合動力車型，其電池包與項目A一樣采用具有快冷功能的液冷設計?該項目同時使用了分別來自甲和乙兩家供應商的動力電池?然而兩個不同供應商的電池包在動力總成耐久試驗過程的表現出現了較大的差距，其中乙的電池包在耐久過程頻繁出現過熱降功率現象，而甲的電池包在耐久全過程均未出現降功率現象?暴露出電池包供應商乙的電池包設計經驗不足問題
展開 新能源車型電池包熱管理系統設計應考慮的幾個影響因素
?其中整車耐久可靠性試驗是眾多汽車企業的主流驗證方法，可以充分暴露電池熱管理系統各方面可能存在的設計缺陷?
2 熱管理系統設計不良案例
2.1 電池包熱交換設計不良
某項目A是插電混合動力車型，其電池包采用液冷設計，且設計了壓縮機參與熱量交換的快速冷卻功能，在熱管理系統設計上理念較為先進?然而該項目在以高車速/大載荷工況為主的整車動力總成耐久試驗過程，暴露出電池包過熱降功率問題?
在該耐久試驗過程，電池包最高電芯溫度隨著工況的進行而快速上升，當最高電芯溫度上升至38℃時，系統根據策略觸發快速冷卻功能，電池升溫速度雖然開始減緩，但仍在繼續增長?同時電池包內的單體電芯溫差在逐漸拉大?最終最高電芯溫度突破46℃，BMS報電池溫度過高故障，整車進入降功率行駛模式?
產品工程師在分析電池包散熱不良現象過程，初步發現了冷卻液的出水溫度與進水溫度十分接近，結合水流速度計算得出的熱交換量較低，并未達到預期的設計目標?因此聯合供應商對電池包進行拆解分析，最終確認了電池包的冷板存在幾個設計不合理問題?
①冷板僅與電池模組下方一個面接觸，接觸面積過小，導致熱量無法及時傳導到冷板上;
②冷板的水路沒有進行迂回設計，過于筆直，導致冷卻液未能吸收足夠的熱量就快速通過了冷板;
③冷板僅與電池模組下方一個面接觸，模組下方的電芯距離冷板較為接近，冷卻效果較好，而模組上方的電芯距離冷板較遠，冷卻效果較差，很容易導致電芯溫度差變大?
2.2 電池包熱阻值與額定電壓設計不良
某項目B是插電混合動力車型，其電池包與項目A一樣采用具有快冷功能的液冷設計?該項目同時使用了分別來自甲和乙兩家供應商的動力電池?然而兩個不同供應商的電池包在動力總成耐久試驗過程的表現出現了較大的差距，其中乙的電池包在耐久過程頻繁出現過熱降功率現象，而甲的電池包在耐久全過程均未出現降功率現象?暴露出電池包供應商乙的電池包設計經驗不足問題
展開 某純電動汽車電池包安裝點結構設計
3結語
傳統燃油車電動化過程，電池包安裝梁結構設計方法可行。并采用 CAE分析電池包安裝點各工況下的強度，優化安裝梁的工程數據，能夠有效的減輕零部件重量，材料選擇并滿足電池包安裝點的性能要求。本文的電池包安裝結構設計值得其他企業借鑒和推廣。
干貨 | 動力電池包CAE分析案例
對于機械沖擊的要求，在電池包安全標準《GB/T 31467.3-2015 電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統 第3部分 安全性要求與測試方法》中，只對z向提出了要求，具體是25g沖擊15s，3次，觀察2小時。
案例中自行設定的仿真參數為，制動減速度設置為g=9.8m/s^2，急轉彎時向心加速度取0.8g，z向動載荷系數取2.0。參數整體設置比較小。仿真過程中，網格在HyperMeshs中完成劃分，求解器使用Mac. Nastra。仿真結果如下：
顛簸路面同時緊急制動
顛簸路面同時急轉彎
3.4 動態分析
動態分析按照定頻分析和掃頻分析兩步進行，電池模組與電池包殼體的固定連接設置成接觸約束，使用HyperMesh進行網格劃分，并使用其中的求解器Abaqus進行約束加載和計算，最后再用HyperMesh查看結果。
定頻分析，將工況33Hz設置成振動頻率，加速度70m/s^2，根據這兩個初級輸入，計算定頻振動的振幅。使用這個定頻振動，計算上下，前后，左右三個方向的定頻分析。表格中數據單位為Mpa。設計選用材料的屈服極限為170.1Mpa。
掃頻分析，掃頻范圍17-200Hz，頻率變化按照線性規律。掃頻過程，就是尋找200Hz以下的系統共振頻率。結果，方形電池包找到了2個共振頻率：99.2Hz和177.2Hz都是在模態分析的3階頻率以上的高階頻率，兩個結果并無矛盾。
參考文獻
1 陶銀鵬，CAE技術在電動汽車電池包設計中的應用;
2 谷理想，電動汽車電池包疲勞壽命預測關鍵技術研究;
3 蘇陽，電動車電池包振動疲勞分析;
4 GB/T 31467.3-2015 電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統 第3部分 安全性要求與測試方法.
展開 電池包輕量化的5種關鍵方法
標準箱體電池包
車身結構一體式
隨著電動汽車續航里程的需求不斷提高，空間受限的傳統汽車結構無法滿足最優設計要求，車身結構一體式電池包結構布置形式逐漸受到重視。
電動汽車正向設計技術的成熟使得電動汽車專用設計平臺出現，如圖所示的廣汽GEB電動汽車專用設計平臺，就將電池包融合至車身結構中。
廣汽GEB平臺
電動汽車續駛里程需求增加，外加汽車正向設計技術的發展，促使車身設計與電池包結構協同開發，力求車身結構緊湊同時電池包性能較優。
當下，平臺化、模塊化的車身結構一體式動力電池包逐漸增多，如搭載大眾MEB平臺的奧迪Q4 e-tron、特斯拉TESLA平臺設計的Model S和Model X等車型。
02 優化電池模組
系統設計層面下，電池包輕量化設計首先從電芯參數和單體尺寸選擇開始。
不同化學體系與尺寸參數下鋰離子動力電芯與動力電池系統存在匹配設計問題，通常需在電池系統概念設計階段計算確定。
最后則是通過優化電池包箱體內部布置、減少設計層級，實現箱體空間最大利用率。
展開 電動汽車電池包線束設計及制造探討|派歌銳
電動汽車以電能為能源，將所需的電能存儲在動力電池系統中。動力電池包是電動汽車的核心部件，為整車提供電能存儲，是新能源汽車的動力源泉。
汽車電池包線束是動力電池系統電路的網絡主題，主要分為動力系統高壓線束和動力系統低壓線束。
一般的電池包低壓線束承載著模組通信、模組采樣和電池管理等功能。電池包低壓線束一般分為模組通信線束、模組采樣線束、BMS線束等。這里結合實際工作中的經歷和遇到的困擾，主要分析和探討SUV純電動汽車電池包低壓線束設計及制造。
根據電池包位置的不同選擇不同類型的汽車線束，汽車線束符合汽車規范，確保在復雜車用環境保持可靠。
由于汽車低壓線束負責采集電壓、溫度信號及傳遞模組信息，傳輸電流很小，所以連接器選型一般遵循與模組最小的接口，連接器小型化。
由于電池包所處的環境，汽車線束阻燃等級要求達到UL94-V0級別。
汽車線束尤其是連接器要滿足線束生產制造和電池包線束裝配時所產生的外來拉力。
派歌銳電池包線束的特點：
可靠性：承受更高的電流和電壓。
耐久性：承受更多的彎曲和振動。
安全性：防止電擊和火災等危險。
環保性：使用ROHS環保材料。
展開 元王仿真云案例精選丨基于Flotherm的電池包熱仿真分析
在國家節能環保的號召下，電動汽車越來越普及，廠商們在電池包的設計上下足了功夫，而電池包熱管理對性能和安全更是起著決定性的作用。
電池的熱管理是電池管理系統的重要組成部分，其主要功能是通過冷卻系統和熱電阻加熱裝置使電池溫度處于正常工作溫度范圍。電池熱管理系統的功能主要包括：
1）電池溫度的準確測量和監控；
2）有效的散熱和降溫功能；
3）低溫條件下的快速加熱，使得電池系統處于正常運行的溫度范圍；
4）保證電池組溫度的均勻分布，降低單體電池溫度差異性。
熱管理系統設計目標是根據整車典型的運行工況和鋰離子電池的發熱功率，選擇合適的熱管理方式，基于電池的溫度特性合理設計熱管理策略，保證電池包內各個電池都工作在合理溫度范圍內，同時盡量維持電池包內各個電池及電池模組之間的溫度均勻性。
在多種條件限制下，平衡協調電池包各性能指標，尋求更優的電池包熱設計，對電池包進行熱仿真分析必不可少。
下面就為大家介紹一個強迫風冷熱仿真案例，看看該如何進行電池包熱仿真。
展開 淺析汽車動力電池包的組成、成組技術及成組效率對比
摘要：本文在概述了汽車動力電池包組成的基礎上，重點探討了動力電池成組對電芯高能量密度、輕量化、結構設、安全、熱管理、電氣、標準化設計要求的要點，并對動力電池成組效率進行比較。
1.汽車動力電池包的組成
在純電動汽車中，動力電池包作為汽車唯一的動力來源，動力電池包電能的高低決定了電動汽車的行駛里程。提高動力電池包電能的方法有兩種：采用高容量的電芯，使用更多的電芯。一般電芯容量越高，成本也越高。因此優化動力電池包的結構，盡量使用更多的電芯成為動力電池設計過程需要考慮的重要因素。
動力電池系統
1）動力電池模組
動力電池模組是動力電池包的“心臟”，負責儲存和釋放能量，為電動汽車提供動力。動力電池模組可以理解為動力電池單體經由串并聯方式組合成的多個PACK， PACK是單個組件，是包裝、封裝、裝配的意思，其工序分為加工、組裝、包裝三大部分。
動力電池模組通過結構設計，再加上動力電池管理系統和熱管理系統就可組成一個較完整的動力電池包。動力電池包通過工藝、結構固定在設計位置，協同發揮電能充放存儲的功能。可以說模組的基本作用就是連接、固定和安全防護。
動力電池單體即電芯按正極材料來分，主要包括鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰以及鎳鈷錳酸鋰三元材料等。動力電池模組的結構必須對電芯起到支撐、固定和保護作用，可以概括成3個大項：機械強度，電性能，熱性能和故障處理能力。
動力電池模組按電芯的結構形狀可分為：圓柱電芯和方形電芯以及軟包這三種，其各自的優缺點也十分明顯。在一定程度上，電芯的性能決定了動力電池模組的性能進而影響整個動力電池包的性能。因此在進行動力電池包設計時一定要根據整車的設計要求去選擇電芯的材料及形狀。
展開 學習筆記|動力電池包CAE分析案例
3電池包的CAE分析案例（模態，靜態，動態）
作者陶銀鵬在他的文章《CAE技術在電動汽車電池包設計中的應用》中，講述了動力電池包需要的CAE分析項目。
分析工作所用工具：有限元網格劃分和后期處理HyperMeshs，靜力學分析和模態分析Nastran，非線性分析Abaqus。
3.1 仿真流程
電池包整體CAE分析流程如下：
使用3D軟件建模；
將數模導入HyperMeshs;
單元格劃分，設置單元格材料屬性和單元其他性能參數；
確定工況，包括工況具體參數和邊界條件；
將邊界條件設置在有限元模型上，包括載荷、約束和位移；
求解計算；
檢查計算結果，是否在項目參數要求范圍以內，比如應力極限等；
如果結果滿足設計需求，則進行后處理，整理用于報告的材料圖形；
如果數據不滿足要求，則修改3d數模結構，從頭開始進行前面的流程。
具體實施過程，進行了三類分析，模態分析、靜態分析和動態分析。
3.2 模態分析
為了確定系統低階振動頻率，避免與工況中可能出現的頻率重合，產生共振，對結構造成破壞。從HyperMeshs中導出網格劃分結果，導入Msc Nastran 進行計算，最后用HyperMeshs查看結果。項目進行了3階模態頻率分析，兩種結構類型電池包結果如下表。系統工作環境常見頻率為33Hz，前一版設計，固有頻率在環境頻率附近，經改進，避開了這個頻率。
3.3 靜態分析
一般靜力分析，是系統受到靜力作用的情形，分析最大應力出現的位置以及最大應力值是否會超過允許的應力極限。案例是把顛簸同時緊急制動、和路面顛簸同時緊急轉彎的沖擊工況轉化成靜力分析。
展開 新能源汽車電池包箱體的輕量化發展
如某鑄鋁電池包箱體的拓撲分析，支架安裝位置全約束，模擬電池包實際安裝情況，同時以國標擠壓工況受力分析為邊界；設計響應為電池包的應變能和質量；目標為質量最小；約束為體積減少為初始的80%。經過多次迭代獲得電池包相對密度云圖，如圖4所示，紅色區域為密度接近1的部分，對設計目標的貢獻較大，是必須要保留的或者是要加強的區域。藍色部分的相對密度較低，對設計目標的貢獻小，是我們做輕量化重要的減重途徑。當然拓撲優化后的結果，還必須考慮工程工藝的可行性，綜合考慮箱體的減重方案設施。
電池包安全性需考慮熱管理，其不僅對電池的循環壽命、工作溫度起著重要影響，對于電池包整體輕量化能量密度的提高也非常重要。
在電池包現有的熱管理輕量化上，冷板結構采用較多的是釬焊工藝和吹脹工藝，如口琴管、沖壓板、吹脹板等。針對此類冷板結構，要單獨放在電池箱體上，利用CFD仿真技術和參數化優化設計，對冷板流道進行優化設計，保證電池的散熱性。同時結合流固耦合仿真對冷板的結構進行輕量化設計，保證冷板結構強度。此外，將熱管理系統集成于箱體結構中是目前實現整體結構輕量化研究和探討的方向，該方法在下箱體內嵌入流道，或利用擠壓型材布置流道，利用CFD、參數優化設計以及流固耦合的方法，來對內部流道以及結構進行優化。這種結構不僅可以直接承受模組的重量，同時實現了電池包整體的輕量化，也避免了單獨冷板在惡劣工況下的泄露。
展開 
如何進行動力電池熱管理仿真和設計
電池熱管理系統設計一水冷電池包為例
l 電池冷板設計一流道設計、流程設計、內部結構設計等；
l 保溫(外部保溫)，導熱(導熱墊)和其他散熱結構設計；
3電池熱管理系統控制策略設計溫度計算、熱行為識別算法、
l 電池冷板水溫流量需求、充放電倍率邊界等；
4、試驗策劃實施—電芯臺架試驗、整包臺架試驗、整車標定試驗
三、 電池熱管理工程師需要掌握的技能
技能工具的使用：
1、3D建模工具— catia，UG， Solidworks
2、CFD仿真工具—star-ccm+、 fluent、ansa、 hypermesh
3、1D仿真工具— Flowmaster、KULI、GT- SUITE
4、報文采集及曲線分析 canalyzer， contest
5、開發標定工具—C語言， Matlab，INCA等
四、 電池熱管理工程師的職業發展前景
普通工程師
1． 工作1~3年，參與1~2款電池包熱管設計
2． 熟練掌握相關設計工具、仿真軟件和試驗方法；熟悉電池性能和成組要求
資深工程師
1． 工作3~5年，主持5款以上電池包熱管設計
2． 能獨立負責供應商管理交流、負責SOR發放、制定相關試驗標準；對行業新的技術發展方向有一定了解
專家工程師
1． 工作5~10年，參與3款以上電池包熱管設計
2． 可以獨立負責方案制定、性能定義，解決復雜技術問題；對行業型的技術發展方向有深入了解。
五、 動力電池熱管理仿真和設計
如上，你是屬于那類熱管理工程師呢？熱管理工程師的基本工作基本分為兩大塊，一塊是熱管理仿真工作，另外是熱管理設計工作。
熱管理仿真工作，常用star-ccm+、 fluent作為仿真的工具，但是在利用仿真軟件在劃分網格時，效率比較低。
展開 純電動汽車電池包密封結構研究
電池包的密封面左右方向為一個斜面、前后方向是帶翻邊的斜面；箱體上設計有軸套，可以控制密封墊的壓縮量；雖然加大了設計和制造難度，但是對電池包的密封效果起很大作用；同時有水漬落在電池包密封面上時，斜面能避免流體流入到電池包內。
1.上蓋 2.箱體 3.軸套 4.密封墊
電池箱體的進風口和接插件安裝位置盡量布置在電池箱高度1/2以上，應選用滿足IP67的接插件。
3 壓縮密封墊的設計
壓縮墊的密封設計就是采用預緊力使壓縮墊形成預壓縮量，借助彈性壓縮墊的反彈力形成密封面，從而起到密封作用。如果壓縮量太小，容易發生泄露；壓縮量太大，會導致橡膠應力松弛而永久變形失效，導致泄露。因此，密封墊的設計要考慮壓縮率W
W=(h-0-h1)/ h-0×100%
其中：h-0為密封墊自由狀態下截面高度；h1為壓縮后電池包上下蓋密封平面高度；
選取密封圈的壓縮率時，要考慮：a.要有足夠的接觸面積。b.盡量避免永久變形。
通常，密封墊都是設計為平面帶狀的單級密封，制作簡單，成本低，但是容易產生永久變形，經不起反復拆裝，所以設計成間帶金屬導套的雙級密封結構。金屬導套可以限制密封墊的壓縮量。例如密封墊度設計為10mm，金屬導套為8mm，那么密封墊的最大壓縮率為20%，滿足平面密封的壓縮率標準：（15%~30%）。
4 結語
發泡硅膠具有優良的耐熱、耐寒、阻燃性能，還具有海綿的固有彈性。同時吸水性較低、具有優異的壓縮應力松弛和抵抗永久變形的能力，適合作為電池包的密封材料。
合適的材料、合理的結構設計，才能使電池包的密封達到優異的狀態。
展開 一條通往合格動力電池熱管理仿真和設計工程師之路
二、 電池熱管理工程師的工作內容
1、協同進行電芯或模組的選型、熱管理性能評估及設計目標確認
評估電芯模組的高低溫性能_容量衰減、能量衰減、循環壽命、發熱特性等；
明確電池熱管理系統的設計目標_最高溫度、最低溫度、電芯溫差、電池保溫性能、升溫速率等；
2、電池熱管理系統設計一水冷電池包為例
電池冷板設計一流道設計、流程設計、內部結構設計等；
保溫(外部保溫)，導熱(導熱墊)和其他散熱結構設計；
3、電池熱管理系統控制策略設計溫度計算、熱行為識別算法
電池冷板水溫流量需求、充放電倍率邊界等；
4、試驗策劃實施—電芯臺架試驗、整包臺架試驗、整車標定試驗
三、 電池熱管理工程師需要掌握的技能
技能工具的使用：
3D建模工具— catia，UG， Solidworks
CFD仿真工具—star-ccm 、 fluent、ansa、 hypermesh
1D仿真工具— Flowmaster、KULI、GT- SUITE
報文采集及曲線分析 c****yzer， contest
開發標定工具—C語言， Matlab，INCA等
四、 電池熱管理工程師的職業發展前景
1、普通工程師
工作1~3年，參與1~2款電池包熱管設計；
熟練掌握相關設計工具、仿真軟件和試驗方法；熟悉電池性能和成組要求；
2、資深工程師
工作3~5年，主持5款以上電池包熱管設計
能獨立負責供應商管理交流、
展開 干貨 | ANSYS新能源電池包散熱仿真解決方案
4、完整的電池包熱分析模型
由以上介紹可知，ANSYS是在Simplorer這一個平臺中創建了LIT ROM、SVD ROM和ECM三個模型，在這基礎之上，就可以搭建如圖9所示的完整電池包熱分析模型。
在這一個ECM和ROM耦合的模型中，ECM計算電池熱源的熱耗散并把數據傳遞給兩個ROM，其中LTI ROM計算出電池的平均溫度并把此溫度反饋回ECM，這樣就可以考慮溫度對電池放電的影響，而SVD ROM則計算并保存了整個溫度場分布隨時間變化的過程。
從圖10可以看出傳統CFD分析方法和降階處理方法在計算時間上的差別，按傳統CFD分析方法進行瞬態分析在單核計算情況下需要約5個小時，而降階處理方法僅僅需要耗費幾秒鐘，即使加上生成ROM的時間也不超過半小時。而且在實際應用中，模型越大，這種時間上的差距就越大。
圖9 完整的電池包熱分析模型（ECM和ROM耦合）
圖10 對比數據
5、總結
熱分析是電池包設計中比較重要的問題，而電池包瞬態熱分析的計算量比較大，不滿足實際應用中對分析效率的要求。ANSYS采用降階處理的方式，通過LTI ROM、SVD ROM與ECM耦合方法搭建了完整的電池包熱分析模型，從結果可以看出，這種方法不僅保證了與傳統CFD分析方法一樣的精度，還大大縮短了計算時間，提高了實際用于中的分析效率。
鑒于篇幅的限制，本文未對各模型的理論做詳細的介紹，若有任何疑問請聯系陽普科技。
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