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新能源汽车动力电池系统结构设计

先进储能材料国家工程研究中心 陈勇军 2018-8-7 17:05:51

  摘要:基于节能减排理念的提出,以及新能源产业的迅速发展,新能源汽车普及率越来越高,动力电池系统作为新能源汽车的关键组成部件,其工作性能及运行能力将会直接影响汽车使用。为了更好的推广新能源汽车,便需要加大对新能源汽车动力电池系统的研究力度,提高设计水平和设计质量。文章分析了其主要组成,结合设计要求给出了具体的设计方案,希望有所借鉴和启示。
   关键词:新能源汽车;动力电池系统;结构设计;具体方案
  
   汽车作为一种最为普遍的现代交通工具之一,为人们的生活带来了诸多便利。但是随着石油资源紧缺现象的日渐突出,以及大气污染的程度的日益加重,都必须大力发展清洁、无污染的新能源汽车,这已经引起了世界各国的广泛关注,成为了当下新能源领域的研究热点。而关于新能源汽车动力电池系统,是其中的一项重要研究内容,与汽车动力有着直接关联,这就需要从多个方面进行综合考虑,保证其结构设计的科学性、合理性、安全性,从而提升新能源汽车整体性能。
   1.新能源汽车动力电池系统主要组成
   动力电池系统主要由电池模块、电池模块支架、电池箱体、电池管理系统、高压电路控制系统、热管理系统、安全控制模块等几部分组成。首先,电池模块具备电能存储功能,可利用电池模块支架在电池箱中将其固定好,以便在动态的环境中使用。其次,通过电池箱体,可以将整个动力电池系统连接成为一个整体,并作为整个系统的承载体,还可防护外力对其造成破坏。另外,为保证动力电池的安全性、延长其使用寿命,需要借助电池管理系统依据汽车实际运行工况进行相应的电池工作状态调整,保证电池在最佳工作范围中运行。然后,新能源汽车运行时会出现高低温现象,此时便需要通过热管理系统进行温度管控,保证动力电池的稳定运行,其具体功能包括温度监控及报警、加热、冷却、安全辅助控制等。最后,出于新能源汽车安全行驶考虑,为避免外部撞击或者电路短路影响动力电池工作性能,保护驾驶员和车辆安全,动力电池系统中还设置有安全控制模块,以提供被动保护。这些都是新能源汽车动力电池系统的重要组成部件,通过彼此之间的协同合作及稳定工作,保证新能源汽车的安全和有效的运行。
   2.新能源汽车动力电池系统结构设计要求
   动力电池系统属于新能源汽车的关键部件之一,在对其进行结构设计时,不仅要保证基本工作性能的良好性,而且还要从机械安全、电气安全、化学安全等多方面考虑,并做好系统结构的防水防尘、防火防爆处理。实际设计时,应满足以下几点要求:第一,保证系统结构具有较强的强度和刚度,满足GB/T 31467.3-2015各项测试要求,不得出现泄漏、外壳破裂、着火或爆炸等现象。第二,各个机械零部件不得出现疲劳失效现象,尤其是安装和加强部位,并且确保动力电池可以在极限工况下正常使用和运行。第三,保证动力电池系统结构外露底端具有抗石击、球击和穿刺性能。第四,保证动力电池系统有着良好的密封防护性能,满足IP67要求。第五,保证动力电池系统具有良好的防腐、防爆性能。第六,系统的绝缘电阻应大于100Ω/V,带电端子之间的爬电距离满足电工相关安全标准。第七,保证动力电池系统外部安全标识清晰,并做好防呆设计,保证使用安全。第八,保证系统结构件的模块化设计,增强其通用性。第九,考虑系统结构的轻量化设计,提高能量密度。只有在设计新能源汽车动力系统结构时全面考虑各方需求,统筹均衡,才能实现较为理想的设计效果。
   3.新能源汽车动力电池系统结构设计方案
   在对新能源汽车动力电池系统结构进行设计时,其中的电池管理系统及热管理系统会涉及到电子、电气及热学等专业知识,此次研究主要从电芯模组结构及箱体结构两方面进行分析,现将具体设计方案总结如下。
   3.1电芯模组结构设计
   新能源汽车动力电池系统所用到电池类型多种多样,包括锂离子电池、镍氢电池、燃料电池、铅酸电池、超级电容器等。从外观大致分为方形、圆形和软包三种形态,在选择时,应根据电池的性能特点、电池的安全性、动力电池系统空间大小、所能达到的能量密度、用户的使用工况和环境等因素进行综合考虑,确定最为合适的一种。
   在设计电芯模组结构时,因为单个电芯的电压及容量都比较小,无法满足新能源汽车动力需求,所以通常采用串联和并联方式,利用结构件将若干电芯组合在一起,以此来提高动力电池系统的电压和容量,满足新能源汽车的动力需求。实际设计过程中,电芯模组的大小及形状存在较大差异,与电芯形状、型号、模组支架结构、组合方式,以及生产工艺路线等因素相关,在机械性能、电气性能、热管理等几个方面,都需满足相应的设计要求。对于机械性能来讲,应确保各个机械部件的可靠连接,满足振动冲击、挤压、穿刺、电芯充、放电时的膨胀等要求;对于电气性能来讲,应具备良好的绝缘性(未完,下一页

  
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