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电动汽车动力电池包布置集成研究

  汽车测试网   2020-01-30 次浏览

导读:目前已经量产的锂电池,其主要差异在产品的外形和正极材料,以下所阐述的分类对比正是围绕这两个方面来展开。

动力电池分类

从铅酸电池、镍氢电池,再到锂离子电池(锂电池),车用动力电池也走过了漫长的过程。目前已经量产的锂电池,其主要差异在产品的外形和正极材料,以下所阐述的分类对比正是围绕这两个方面来展开。


1.正极材料分类


图1 锂电池对比分析


图2 锂电池各项指标参数对比分析


当前按照正极材料,锂电池可以分为钴酸锂、磷酸铁锂 、锰酸铁锂和三元锂。以下从成本、能量密度、布置灵活性、寿命和安全性等方面对比分析这四种典型锂电池的特点,具体见图1和图2。


图3 常见动力电池电芯类型


动力电池虽然有很多不同的外形和大小,但常用的可以按照图3所示的方式分类。



动力电池包整车架构集成

在纯电动车项目前期架构开发中,如何合理布置集成动力电池包是至关重要的,具体工作要素,主要涉及离地间隙、通过性、碰撞安全和电量需求等几个方面,以下将分别介绍。


1.电池的离地间隙要求


图4 动力电池离地间隙及周边布置环境


如图4所示,在电池下表面有结构件保护的情况下,同时也需要满足以下条件:最大上跳的状态下,电池距离地面需要保证一定的间隙;满载状态下保证具有竞争性的离地间隙;电池RESS在正向需要有保护;电池RESS布置不得低于周边车身结构的最低面。


2.乘员舱人机布置对电池Z向尺寸的限制


图5 人机布置及Z 向尺寸链


从图5某电动车项目人机布置可以看出,在Z向纬度上共有9个工程指标需要考虑,具体为乘员H点到地面的距离H5、乘员的坐高H30、头部空间H61、脚踵点到地面的距离H8、电池包Z向厚度、电池包离地间隙、车高H100、电池包上表面到地板上表面的距离以及地毯和隔音棉的厚度。由此根据造型要求限定了车身的高度,依据人机布置要求,可以推出电池包的Z向尺寸限制面。


3.溃缩空间对电池Y向尺寸的限制


图6 电池包Y 向尺寸限制分析


由于电池的工作电压一般为大于300 V的高压电,加上电池单体里的电解液具有高腐蚀性,因此电池包在整车布置时需要设置合理的安全溃缩间隙,其中侧向碰撞工况尤为苛刻。具体车型要通过CAE迭代分析手段,得出合理的电池到门槛板侧向溃缩距离设计。


4.后悬架形式对电池X向尺寸的限制


图7 不同悬架形式后轮心对齐对比


表1、表2和图7为某电动车项目电池X向尺寸限制尺寸与不同悬架形式的对应关系,其中前轮心到1.5号梁X向具体是指紧贴电池前表面的1.5号梁到前轮心的X向距离,可以近似为电池前表面到前轮心的距离,则不同悬架型式在X向的长度不同导致对于电池的X向尺寸限制存在差异。其中安全后碰距离指电池后表面在X向上到后桥最近点的数值须大于50 mm。


5.整车载荷传递路径对电池包设计的限制


整车载荷传递路径可以大致分解为:前舱载荷路径、前中地板载荷传递和后地板载荷路径。由于未来的电池包布置方案基本都在地板下方平铺,所以前中地板载荷传递路径设计与电池包的结构方案息息相关。


根据大量的CAE分析及竞争车型研究,一般在前中地板的上方会布置两根横梁,其主要功能是作为座椅支撑结构、防止碰撞时座椅被拉拽,同时也承载柱碰时的载荷传递。对于地板下方的电池包内部结构设计,也希望尽量使前后模组之间的横梁与2号、3号梁的位置偏差最小,可以起到提高侧面碰撞时电池的抗压能力。


图8 前中地板上方载荷传递路径集成方案


经过拓扑优化,对于地板下方的载荷传递,主要是通过布置电池侧面的纵梁延伸梁及电池前方的1.5号梁来完成,具体如图8所示,图中紫色纵向梁通过三角形结构及1.5号梁与前舱纵梁连接,进行正面碰撞的载荷传递;同时电池框架也应作为载荷传递路径与车身载荷路径一起配合;电池包内部的梁结构应与车身2/3/4号梁、中央通道梁位置保持一致。


6.续航里程对于电量的需求


对同样的电池单元模组,续航里程和电池的能量密度及容量有关,而电池的容量参数又是由其内部电芯单体串并联的数量和方式所决定的,最终会导致电池包整体形状和大小的变化。表2详细列举了不同供应商电池包在相同续航里程目标要求下,由于单体和模组的能量密度及串并联方式的不同,导致电量及电池包尺寸的差异化。


7.电池包安装接口要求


电池包在整车上的安装方式直接影响其模态和强度,一般在电池包四周每隔一段距离需要布置一个安装点,如果整体电池包长度大于2 m,建议在中间位置增加吊挂点改善模态。


8.电池包外部保护要求


图9 电池包底护板方案


电池RESS作为重要的安全件,需要在整车级别上设计一系列的结构方案去保护它。一般成熟的方案是在电池的底部增加钢制材料的防护板,与电池底板螺接固定,同时还需在安装点附近涂抹密封胶,防止在车辆使用过程中异物及水的浸入,具体方案如图9所示。



结语

本文只重点介绍了动力电池包在整车前期架构布置集成中需要考虑的因素,并未过多分析电池包与电动机的系统电压匹配、电池包的冷却设计及目标电量的选择等方面内容,但在实际项目中,这些设计指标也是直接影响车型电池包设计的关键要素,都需要深入研究分析。


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