动力电池设计规范 - 5
1.4.3.2 极限设计极限设计针对电池箱系统结构，在承载部位加强设计，而在非承载部位尽可能地减薄料厚、优化拓扑结构，通过不同厚度材料的搭配、最优拓扑和形貌结构共同来实现轻量化的极限设计。极限设计针对已有的产品进行优化设计，需要很清楚地了解产品的临界值，要同时满足产品性能要求和加工工艺或者安装工艺要求。电池箱体结构轻量化的极限设计方法主要有：拓扑优化、尺寸优化、形貌优化等，在电池箱前期设计过程中，拓扑优化、形貌优化属于前期概念设计阶段的工作，在结构设计后期，尺寸优化属于后期详细设计阶段工作。拓扑优化就是在限定的设计空间里找到材料的最佳分布，或者传力路径，从而在满足各种性能的条件下得到重量最轻的设计。根据电池系统的外包络、可布置固定点的区域、电池系统可行性方案、模组在包络中的布置，如拓扑优化技术对电箱箱体横梁的优化分布，基于拓扑优化结果进行结构详细设计，最终得到电池包箱体加强筋最优分布设计。如图14。 结构形貌优化主要应用于电池箱上的钣金结构，在板壳结构上寻找最优的加强筋形状和布置位置，可减少变形、提高模态频率、减少振动等，如电池包上盖加强筋的优化，提升结构刚度性能。如图15。 尺寸优化主要通过改变结构如板件的厚度、梁和杆单元的截面参数、材料特性等，以最少的材料达到最佳结构刚度的设计目标，该优化时，产品或者零部件的结构形式已经确定，主要进行尺寸或参数方面的调整，提升性能、减轻重量等。针对电池箱，主要对内部板壳结构进行厚度优化设计。1.4.4 电池箱结构密封设计1.4.4.1 常见密封设计形式车辆是一年四季全天候使用的交通工具，电池箱会随着车辆经历很多复杂的工况，因此电池箱的密封防护设计需要满足车辆使用场景的要求。车辆在行驶过程中若遇到雨雪、粉尘等恶劣工况，电池箱作为高能量的储能产品，为避免水或粉尘进入电池箱内部引起安全事故，必须使电池箱满足较高的防护等级，保障电池箱整个生命周期的安全，防护等级参考国标GB/T 4208-2017 中的IP 防护等级表。1) 箱体密封圈设计压力密封是指通过上下安装面之间的作用力压缩弹性单元，把弹性单元压缩到一定的百分比，利用弹性单元的反弹力，使弹性单元和上下安装表面充分地接触，达到防水防尘的要求。市场上电池箱常用的压缩密封弹性材料为发泡类的硅胶或橡胶、注塑成型类实心或微发泡的硅胶或橡胶，其中发泡类硅胶有较好的压缩变形性能和反弹应力衰减性能，有一定的减震缓冲的作用，当密封圈与上下箱体之间的接触摩擦力大于水压力，且密封圈与上下箱体之间紧密接触时，能达到防水防尘的密封作用。密封圈的密封效果与密封圈的有效密封宽度和压缩量有密切的关系。密封圈的有效密封宽度：常见的密封圈形式如图16 所示，密封圈的有效密封宽度指的是从螺母内边沿到密封圈内侧的距离，如图中W 所示，圆孔只是为了进行限位，有效密封宽度要根据电池箱的密封防护等级以及密封圈的材料性能来确定。 压缩量：通常弹性材料的压缩量是通过密封圈的厚度和下箱体拉铆螺母的高度来控制，由于弹性材料有一定的压缩性，所以需要上下安装面有一定的刚度，保证上下安装面之间的密封。根据密封圈不同压缩量的密封测试结果，选取适宜的压缩量，从而实现密封的可靠性。压缩率的计算如公式1，其中，h0为密封圈自由状态下的高度（mm），h1为密封圈压缩后上下箱盖之间的高度（mm），ε为压缩率。 生产工艺：常用密封圈是硅胶发泡类材料，其生产工艺主要有模压成型、在线涂覆成型和拼接三种。如表11 所示。模压成型：使用模具直接发泡成型；在线涂覆成型：在电池箱体上按照箱体的密封轨迹进行涂覆发泡，且涂覆的硅胶需要使用温箱进行一定时间的烘烤，保证硅胶发泡的固化，适用于大量生产。拼接成型：先发泡再用刀模模切，最后拼接成型，应用最广。对于拼接成型的密封圈，接头的位置需要避开密封圈的拐角处，距离螺栓孔位的距离要大于10mm，且要避开两个螺栓的正中间位置。接头的形状主要有波浪形、拱门形、燕尾形，如图17 所示，波浪形接头可有效提高接头胶的接触面积，应用最广。 2）箱体密封胶设计黏性密封是使用黏性的弹性单元，利用黏性单元与上下箱体之间产生的黏性作用力，保证黏性单元和上下箱体之间紧密的接触。黏性密封通常采用密封胶进行密封，通过控制和调节密封胶的高度、宽度和涂胶量，使密封胶的黏性达到最优，实现密封的可靠性。密封胶的轨迹通过设计挡胶结构来控制，使密封胶固定在设计的密封轨迹里，避免胶向箱体的内外溢出；胶高、胶宽和涂胶量的选取是根据电池箱上盖和下箱体之间预留的间隙以及平面度误差计算得出，并通过相应的IP 防护测试，最终制定适宜的参数值，生产过程中通过具体的工艺参数来控制，保证电池箱的密封防护。3）连接器密封设计电池包上外部可见的零部件，都会涉及密封设计，这些零部件主要有高压连接器、低压连接器、维护开关、平衡防爆阀和管路连接。在选用这些标准零部件时，涉及密封的主要有两个方面：零部件自身的密封设计、零部件和电池包的安装界面的密封设计，密封方案多是采用密封圈或密封垫：需要选用防护等级≥IP67 的零部件，零部件和电池包的安装法兰面的平面度要求局部平面度不大于0.3mm。1.4.4.2 平衡防爆设计1)平衡防爆装置的种类对于有密封要求的电池箱，为了消除海拔或温度的变化引起电箱内部气压的变化，需要设计平衡装置来进行气压的平衡；同时，若电池箱有热失控的风险或内部有易产气体的零部件（如三元电芯），还需设计防爆装置对气体进行定向泄放，避免产生爆炸。目前市场上使用的平衡防爆装置主要分为两类：平衡阀和防爆阀。平衡阀的主要作用是平衡电池箱内外的气压，使其保持一致。对于无显著产气零部件、无热失控风险的电池箱，采用价格较低的平衡阀即可。防爆阀既可以保持电池箱内外的气压一致，又可以在电池箱的内外压差（一般是电池箱的内部压力大于外部压力）发生急剧变化时，防爆阀的透气膜直接爆破，快速平衡箱体内外的压差，防止箱体产生爆炸、压扁等现象。对于内部有显著产气的零部件、有热失控风险的电池箱体（尤其是三元锂电电池箱），宜采用价格较高的防爆阀。如图18。 2)平衡防爆阀的爆破方式在某些极限情况下，可能会产生能量集中爆发的情况，此时爆发的位置和方向都是随机的，若电箱的薄弱点设计防爆阀处，让能量从最薄弱的地方爆发，实现能量的定向泄放。目前常用的有三种爆破方式。方式一：顶针爆破，当箱体内部的气压急剧增大时，透气膜向外鼓起，被顶 针 刺破，从而使气体得到释放，如图19 所示。 方式二：机械爆破，透气膜与一个活动式结构A 焊接一起，当内部气压急剧增大时，结构A 往外松动，从缝隙处大量排气，如图20 所示。 方式三：焊接爆破，透气膜通过热压等方式焊接在平衡防爆阀的主体上，当箱体内部的气压急剧增大时，透气膜从焊接处脱落，从而大量排气。3)平衡防爆阀的关键选型参数平衡防爆阀的性能要满足电池箱的使用工况，因此防爆阀的关键参数的确定至关重要，其核心参数主要有以下3 项：IP 防护性能（IP68、IP6K9K）：基本性能要求，为电池包性能要求之一。透气速率：反映防爆阀平衡透气性能的关键参数。参数计算：透气量根据环境温度变化梯度、温度转换时间、极限工作温度等要求选取： 式中：P 为气体压强；V 为气体的体积；n 为气体物质的量；R 为普适气体常量；T 为气体的热力学温度。当温度发生变化时，电池包内部压力变化可采用公式3 计算： 式中：P1 为标准大气压；T2 为终止温度；T1 为初始温度当温度发生变化时，电池包内气体体积变化可采用下式计算： 式中：V1 为电池包净容积根据《电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第3 部分：安全性要求与测试方法：GB31467.3-2015》中7.7 温度冲击试验，外部使用环境最大温差是从-40℃升到85℃(30min内)平衡防爆阀在单位时间上升的压差为△P/30，透气量为2*△V/30min （2 为2 倍安全系数）爆破压力：爆破压力的大小与箱体强度密切相关，基本要求是在箱盖发生不可逆变形之前防爆阀爆破，因此爆破压力不能过大，但压力也不能过小，过小会造成正常工况的误爆。（未完待续）来源：小明来电
