我的动力电池系统设计:结构“三 + 6”模式
发布日期:2018-03-06        



在新能源、智能化高速发展的今天,车已经从单纯的交通工具,逐步成为一种全新的生活方式。既然技术让生活变得多彩,对车产品“设计”的目标和要求,就不能墨守成规,停滞不前,需要不断的调整和创新。


动力电池系统是新能源车辆的核心部分。系统结构,又是保障其功能完整性、安全性的重要环节。从近几年全球产品分析来看,结构设计,发展非常迅速并趋于成熟。也不乏精品出现,技术达到炉火纯青。


我通过多年系统集成设计,也在不断摸索和总结。逐渐形成用于自己设计工作的一套方法:结构“三+6”设计模式。并在多个项目中应用。取得不错的效果。当然了,随着认识的提高,还在不断的总结和扩展。


本文重点介绍电池系统 “三”大结构安全性设计,并通过leaf 经典案例,把 “三+6”思想贯穿起来,便于理解。
 

 

 

“三+6”模式是什么:从字面不难理解:“三”代表大结构;“6”代表功能单元小结构。主要是对电池系统众多不同功能结构和功能特点重新梳理和定义。突出其设计要点。
 


“三+6”模式优点:让设计“有的放矢”。让功能设计“更完整”。

 

 

“三+6”模式,让需要“强”的地方更强:例如框架的功能安全设计。功能完整性:例如电池系统壳体设计发展,从单纯的“箱子”简单结构形式,向融合了多种特性元素的“先进壳体”进步。


“三 + 6”模式特点:理解关联性,细分“大”结构,强化“小”结构。


下面是leaf结构爆炸图,结构单元的复杂性可见一斑。同时,结构元素关联性又非常强,内框架结构不仅仅要兼顾对模组的承重,还要考虑安全特性设计、支架特性设计等。所以,需要把大结构元素提炼出来,重点设计。再如IP小结构,看似小结构需求,但其设计难度很大。不单单是胶条的设计,还有多层密封结构,其密封精髓“冗余”设计(就是内护板的“牙边”结构)、“压缩量”密封本质,非常有特色。更需要强化设计。总之,结构关系千丝万缕。需要把这些结构特性因素区分和归纳,突出其主要特点,兼顾其它特性。接下来,就一些结构“点”设计,进一步展开和分析:

 

 


1)    框架结构:是最重要的“三”大结构设计灵魂,重点在“安全”


 

在我们早期新能源车设计中,很多是在现有车身改制而成。并非正向设计。电池系统与车身结构被动配合,系统结构也多采用了“箱子”结构设计(也是简单设计的代名词)。通过一定厚度钢板折弯、拼焊就完成了设计。承重功能主要依靠“厚度”解决。加上仿真也不充分,导致电池系统箱体出现开裂、支架断裂。这种结构功能设计模糊,承重、加强、防护、等诸多功能于集于一体。很难做到安全。功能完整性也得不到保障。

 

 “三”大结构,框架结构设计不同,功能定义非常明确。例如,内框架主要任务是完成模组的承载,例如可以采用1.5mm、1.8mm 中高强钢完成;外框架结构,类似于内框架设计要求,只不过它的作用是对系统的承载,通过支架,完成和车身的装配结合;防护面板(含下壳体防护面板、上盖板),下壳体防护板,在内、外框架之间,没有承载作用,只是完成对系统的防护和封闭。这时候,因为不承担重量,板材可以做的很薄,leaf 板材厚度实测0.7mm(磨漆后)。大大减轻了系统结构重量。其上盖板尽管板材薄,但感觉没有变形,强度很好。这就是通过设计达到的目标。



在轻量化方面,我们做过一个计算(以约1500×1200×45mm包络结构),采用框架结构设计后,减重可以达到约20%,更重要的是“安全性”通过结构设计而加强。真正让设计“有的放矢”。

 

 

(图示有色部分为内/外框架,白色为防护板)

 

2) 对电池系统保护的“多层”安全结构设计

 

第一层 来自车身的安全结构:当然,这一层不是电池系统结构所能为,需要车身来设计。但需要电池系统提出需求,配合整车完成集成设计。

 

 


正碰后的状态:
 

 

 

 
第二层  来自壳体材料设计:多种材质应用,满足结构功能需求


 

 


选用不同材料,更是“有的放矢”的完美体现。也是系统轻量化要求。毕竟电池系统太重了。需要减负。当然了,从成本角度,不太适合小批量或样品生产制作。更适合量产产品。


第三层 来自结构特征设计的保护:馈缩结构是完成碰撞“后”的吸能,是被动的防撞结构;外框空心内加强梁结构是碰撞“前”主动防撞结构。它既起到了加强作用,也兼顾了轻量化。这个结构特征,在Tesla 也有应用(其实在车身设计中,是非常成熟的技术)。但是,在电池系统壳体设计时,很多时候并没有把这种技术移植过来,有时一味的追求轻量化,而牺牲了安全结构。
 

 

 


第四层 布置结构,对插件、电气盒的有效安全保护

 

 



我们都知道ASIL 评级中,一般把电气盒(继电器)功能安全定义为 C 等级,但从整个电池系统来讲,从失效台阶顺序分析,也是不允许先于其它系统零件失效。所以,从设计保护角度,是需要重点考虑的。我们看leaf 设计,基本都放在了系统和车辆的“中心”位置。Tesla 、volt 也是这样设计的。


这一点,非常值得学习。我们又是如何做的呢?两个字:设计 “任性”。把插件或维修开关布置于系统或车辆位置的侧面(出于操作方便或结构限制等原因进行了让步设计)。车辆在侧碰撞状态,侧面是薄弱的,这个时候,布置在侧面的电池系统插件,风险和失效的发生率将大大增加。


上述分析,主要着重框架结构及安全重点设计。主要想说明,只有在结构功能清晰的同时,设计才能突出重点。当然了,我们同样会提出一个问题,面对今天多种材质(非金属壳体、铸铝壳体、挤压铝材拼焊壳体)、多种结构形式(箱式、半箱式、托盘),“三 + 6”模式可以适用吗?让我的小结来回答。


小结

1、“三 + 6”模式,提练的是设计精髓。是适合多种材质、多种形式壳体的。只不过,在具体设计时,会存在一定的局限性、轻重选择的问题。比如,托盘式的挤压实验,就没有箱式框架设计后的壳体效果好,是因为结构形式所限。这一点我非常有感触(我正好目睹国外两款某知名品牌电池系统的挤压实验,得出的结论)



2、“三 + 6”模式 可以帮助我们把结构设计元素“标准化”。方便移植到不同项目,成熟的设计可以减少设计失误。



3、“三 + 6”模式 更看重的还是“安全”设计 。这是核心。



注解:为什么更多引用leaf 说事



 

首先,leaf 在安全性设计方面,堪称是经典之作。理由是leaf从2010年12月发布第一款到2016版,尽管电池系统能量密度不断提升,电芯调整,模组框架调整,但其结构设计精髓没有变化。特别是从2010版获得五星级碰撞殊荣(欧洲安全性能)算起,其销量几十万辆,极少听说来自电池的安全事故,取得的成功,恰是这些基础设计堆积起来的。



其次,对比tesla、宝马等壳体结构设计,leaf仍然不输于他们。同时也发现有很多相似之处。至于说,谁学习谁的,就不得而知了。让我们站在巨人肩膀上进步,这是真理。大学堂最新课程更多  特斯拉Model S的秘密  特斯拉电动卡车首发:续航可达800公里  德州仪器汽车高级驾驶员辅助系统 ADAS 方案研讨会  德州仪器汽车高级驾驶员辅助系统网络研讨会  电动汽车充电桩介绍

 


来源:电子工程世界-汽车电子
点击查看网络原文>>

版权所有@ 北京市电子科技情报研究所 京公网安备 11010102003025号

地址:北京市东城区北河沿大街79号  邮编:100009  Email:bjdzqbs@126.com

在线人数:154

当日访问计数:21748

累计访问计数:35146531