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动力电池设计规范 - 3

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1.4.2.2 整体排布设计
在整车厂提供电池箱体的边界包络之后,就需要进行根据包络特点进行整体排布设计,为相应结构模块分配布置空间。结构模块主要包括:模组、高低压线束/连接件、高低压连接器、电池管理系统模块、热管理系统模块、安全防护模块。

1) 模组排布:模组排布对称规整,空间大位置优先布置模组。

模组一般占据电池箱70%以上的重量,模组排布直接影响到电池箱重心位置。为保持电池箱重力分布均匀性,使得电池箱重心尽量位于电池箱体的对称轴中间位置上(对于形状不规整的箱体,采用近似对称轴),模组排布需要尽量左右对称、位置规整。为提升电池箱的体积能量密度,需要在箱体有限的空间内布置尽可能多的模组,因此箱体空间大的位置优先用于布置模组。如下图,可以看到模组排布占据电池箱大部分空间。

2) 高低压线束/连接件排布:高压低走线分开布置,尽可能避免交叉。

为减少高压电流对低压采样信号的干扰,高低压走线不能布置在一个位置,一般位于箱体两侧或相距较远,下箱体相应位置需要预留布线空间。为减少电池箱振动时线束的磨损,需要对线束进行定点固定,箱体上需要预留线束固定点。

3) 高低压连接器排布:排布均匀,便于连接器装卸。

连接器一般位于电池箱的前面板上,电池箱安装在整车上之后,连接器就位于易于售后维护的地方。连接器是装卸频率最高的部件,装卸便利性是重要的排布要求。

4) 电池管理系统模块排布:排布位置便于装卸,便于布线。

电池管理系统模块中有一些易损件和易维护件,如继电器、CSC 等,需要进行更换和维护,因此排布位置需要便于装卸。而高低压走线最后会汇集到电池管理系统模块中,为减少走线长度、线路简单易行,电池管理系统模块一般靠近连接器布置,位于电池箱的前端,相应位置预留排布空间。

5) 热管理系统模块排布:位于模组周围。

热管理系统模块分两种:加热系统和冷却系统。
加热系统一般布置在模组的侧面或底面。
冷却系统有多种,常见的有自然冷却、风冷、液冷、冷媒直冷等类型。其中应用最广泛的是液冷。液冷有两种实现方式:单独液冷板冷却、液冷板与箱体集成冷却。对于单独液冷板冷却方式,液冷板大部分位于模组底部,因此箱体需要预留相应空间。对于液冷板与箱体集成冷却方式,一般集成于箱体底部,这种冷却方式节省了单独液冷板的装配空间,降低了电池箱的成本,优势明显。

6) 安全防护模块排布:挤压防护、绝缘防护。

挤压防护:根据电池箱挤压要求,挤压测试的最大风险在于挤压造成高压连接点的短路,因此需要在箱体高压连接点位置预留防护结构装配空间。
绝缘防护:电池箱体与高压回路之间需要保证绝缘可靠性,因此一般通过双重乃至多重绝缘防护来实现。需要重点关注的绝缘防护位置是模组与上下箱体之间,常用的绝缘防护方式有接触面喷涂绝缘层、接触面粘贴绝缘片、导热硅胶垫、绝缘结构胶等方式。因此箱体设计时需要预留对应的装配空间。

1.4.2.3 详细设计

在展开上下箱体的结构设计之前,需要根据设计输入确定上下箱体的材质和加工工艺,材质和加工工艺不同,上下箱体的结构设计也会不同。

1) 上箱体设计

目前上箱体使用比较广泛的材质有钢、铝合金、复合材料。常用的加工工艺有折弯、冲压、模压。如下图为三种类型上箱体。
如下表从重量、成本这三个维度对钢板折弯、钢板冲压、铝板折弯、铝板冲压、复合材料模压这五种上箱体进行比较分析。

- 装配性能

上箱体的主要装配件为下箱体,有些上箱体还装配有平衡防爆阀和其他装配件。相应位置开孔大小和位置需要保证装配件的正常安装,开孔大小和位置由装配件的尺寸需求和工艺加工水平所决定。

- 结构强度

上箱体结构强度要求主要有:1、上箱体本身强度要求;2、与下箱体配合的法兰面强度要求。
对于上箱体本身强度要求,因为上箱体壁厚一般较薄,满足强度要求一般通过在表面增加各种形状的凸筋或凹筋来实现,而筋位形状及凹凸的深度一般通过CAE 拓扑优化及实际使用要求来确定。从图3~图5 可以看到,钣金折弯上箱体因为涉及到弧焊,并且不开模,因此筋位是简单的滚压筋,甚至没有筋;钣金冲压上箱体因为使用复杂的冲压模具制作,因此筋位形状可以得到最大程度的发挥;复合材料模压上箱体的筋位形状比较简单,因为复杂形状会降低导致上箱体的生产良率。
对于上箱体与下箱体配合的法兰面强度要求,金属上盖可以通过增加法兰面翻边来提升法兰面强度,而复合材料上箱体可以通过增加法兰面厚度或设置局部加强形状来提升法兰面强度。为保证密封性能,法兰面安装螺栓孔之间距离的设置需合适,其中密封垫密封时孔距比密封胶密封要大,且上箱体角落处需要单独布置紧固螺栓。

- 防腐性能

为满足金属材质上箱体的防腐性能,需要进行相关表面处理,常用的表面处理方式有电泳、喷粉等方式。表面处理方式的选取取决于结构设计方式和材质,例如:对于结构比较复杂,细节比较多的结构,一般选用电泳处理;对于钢质箱体,一般选用电泳处理,对于铝质箱体,一般选用喷粉处理。防腐性能一般通过盐雾测试进行判定,盐雾测试标准通常参考GB/T 10125,盐雾测试方法通常为中性盐雾和铜加速乙酸盐雾,根据金属材质的不同选取不同的盐雾测试方法。

2) 下箱体设计

下箱体是电池箱的主要承载零部件,客户确定包络边界之后,箱体总体尺寸及电池箱挂载点基本确定,结构设计中要重点关注的方面有装配性能、结构强度、防腐性能、轻量化要求(在2.4.3 节中有详细描述)、密封性能(在2.4.4 节中有详细描述)等。
目前下箱体使用比较广泛的材质有钢板、铝型材、压铸铝。常用的加工工艺有折弯、冲压、拼焊、铝压铸。如下图6、图7。
如下表从重量、成本这两个个维度对钢板折弯、钢板冲压、铝板冲压、铝型材拼焊、铝压铸这四种下箱体进行比较分析。

- 装配性能

装配性能是下箱体的基本性能,箱体内部(电池箱本身)需要与上箱体、模组、接插件等部件进行装配,外部需要与整车进行装配,所有装配面和装配孔需要满足能装配、易装配要求。

- 结构强度

结构强度设计主要体现在满足GB/T 31467.3 中振动、机械冲击、跌落、翻转、模拟碰撞、挤压等机械强度要求,为满足这些要求,下箱体结构设计中需要重点考虑整车安装点设计、模组安装梁设计、底部加强梁设计。

- 整车安装点设计

整车安装点与结构强度相关比较大影响因素有四点:安装点数量、安装点分布、安装点紧固螺栓大小、安装点部位强度。
影响因素中的前2 点由下箱体的边界条件决定,一般是固定的。安装点紧固螺栓大小一般是由客户决定,可以根据实际情况与客户商议达成一致。安装点部位强度需要进行加强设计。一般通过加厚安装点部位厚度、安装点部位采用实心结构、增加加强筋等方式来实现。
整车安装点数量越多,分布越均匀,整车安装点的受力越小。但实际客户需求不一定满足以上要求,因此需要通过CAE 仿真来确定各个安装点设计,应力比较大的安装点需要加大强度设计,选用较大的螺栓进行固定。目前应用比较广泛的螺栓类型有M10、M12、M16。

- 模组安装梁设计

模组安装梁承受模组螺栓固定点的受力,受力较大,类似于整车安装点,一般通过加厚安装点部位厚度、安装点部位采用实心结构等方式来实现。

- 底部加强梁设计

底部加强梁时影响下箱体结构强度的关键点,尤其是钣金箱体,需要进行CAE 拓扑优化,不同的位置选择不同的材质和厚度,达到整体成本和重量的一个最优解。为满足结构刚度,一般采用内梁与外梁相结合的方式,内梁与外梁推荐使用封闭框架式结构形式,优势在于结构稳定、刚度大。内梁与外梁之间需要进行配合设计,进一步增强下箱体的强度。如下图8。

- 防腐性能

金属下箱体的防腐性能同金属上箱体,进行电泳、喷粉等方式进行处理。

来源:小明来电
振动复合材料碰撞拓扑优化材料模具钣金螺栓装配
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2026-01-27
最近编辑:8月前
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