【动力电池】电池包结构设计与技术要点分析

【电池设计】电池包高压铜铝连接片载流与发热

【动力电池】主流电池厂家产品分析与对比

动力电池包：新能源汽车的核心动力源

在新能源汽车中，动力电池包无疑占据着核心地位。它是汽车唯一的动力来源，其电能的高低直接决定了电动汽车的行驶里程。为了提高动力电池包的电能，目前主要有两种方法：一是采用高容量的电芯，然而一般电芯容量越高，成本也越高；二是使用更多的电芯，但这需要优化动力电池包的结构。

根据《中国制造 2025》明确了动力电池的发展规划：2020 年，电池能量密度达到 300Wh/kg；2025 年，电池能量密度达到 400Wh/kg；2030 年，电池能量密度达到 500Wh/kg。这里指的就是单个电芯级别的能量密度。而系统能量密度是指单体组合完成后的整个电池系统的电量比整个电池系统的重量或体积。由于电池系统内部包含电池管理系统、热管理系统、高低压回路等，占据了部分重量和内部空间，因此系统能量密度都比单体能量密度低。

在相同能耗不变，电池包体积和重量不变都受到严格限制的情况下，新能源汽车的单次最大行驶里程主要取决于电池的能量密度。能量密度分重量能量密度和体积能量密度两个维度。电池重量能量密度 = 电池容量 × 放电平台 / 重量，基本单位为 Wh/kg；电池体积能量密度 = 电池容量 × 放电平台 / 体积，基本单位为 Wh/L。电池的能量密度越大，单位体积或重量内存储的电量越多。

可以说，动力电池包的性能直接影响着新能源汽车的竞争力。无论是从续航里程、成本控制还是未来发展趋势来看，动力电池包都是新能源汽车领域的关键所在。

结构系统详解

（一）动力电池模组：心脏功能

动力电池模组作为动力电池包的 “心脏”，负责储存和释放能量，为电动汽车提供动力。它可以理解为动力电池单体经由串并联方式组合成的多个 PACK。动力电池单体即电芯按正极材料来分，主要包括钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂以及镍钴锰酸锂三元材料等。动力电池模组的结构必须对电芯起到支撑、固定和保护作用，具体可概括为机械强度、电性能、热性能和故障处理能力三个大项。在一定程度上，电芯的性能决定了动力电池模组的性能，进而影响整个动力电池包的性能。例如，不同形状的电芯，如圆柱电芯、方形电芯以及软包电芯，各自的优缺点十分明显。评判动力电池模组优劣的标准包括能否完好固定电芯位置、保护电芯不发生有损性能的形变、满足载流性能要求、对电芯温度进行有效控制以及在遇到严重异常时能否断电并避免热失控的传播等。

（二）结构系统：骨骼支撑

结构系统主要由动力电池 PACK 上盖、托盘、各种金属支架、端板和螺栓组成，可以看作是动力电池 PACK 的 “骨骼”。它起到支撑、抗机械冲击、机械振动和环境保护（防水防尘）的作用。动力电池包装载在汽车上，首先得考虑和满足机械方面的特征，产品需要具有足够的强度和刚度，在振动、冲击等机械载荷下不发生形变和功能异常，在碰撞、挤压、翻滚、跌落等事故状态下有足够的安全防护。例如，根据相关数据统计，经过严格测试的结构系统，在承受一定强度的碰撞时，能够有效保护电池包内部的电芯，降低损坏的风险达到 [X]% 以上。

（三）电气系统：动力输送与信号传输

电气系统主要由高压跨接片或高压线束、低压线束和继电器组成。高压线束可以看作是动力电池 PACK 的 “大动脉血管”，将动力电池包心脏的动力不断输送到各个需要的部件中。低压线束则可以看作动力电池 PACK 的 “神经网络”，实时传输检测信号和控制信号。高压线束的载流能力至关重要，一般来说，其能够承受的电流可高达正负几百安培。低压线束则负责将电池管理系统采集的电压、电流、温度等数据传输到整车控制系统，以便对电池包的状态进行实时监控。

（四）热管理系统：温度调控

热管理系统相当于是给动力电池 PACK 装了 “空调”。由于动力电池充放电的过程实际上就是化学反应的过程，化学反应会释放大量的热量，需要将热量带走，让动力电池处于一个合理的工作温度范围内，以提高动力电池的寿命和可靠性。热管理系统主要有风冷、水冷、液冷、相变材料等 4 类。以水冷系统为例，热管理系统主要由冷却板，冷却水管、隔热垫和导热垫组成。在北半球的高纬度地区，冬季的室外温度会达到 -30℃甚至更低，而在低纬度地区，夏季的地面温度可以达到 50℃以上。目前的动力电池技术，还无法应对这种挑战，所以必须在设计动力电池包时，为动力电池装配 “空调” 系统，夏季能够降温，冬季能够加热。例如，采用液冷系统的动力电池包，在高温环境下，能够将电池温度控制在 [X]℃以内，有效延长电池寿命。

（五）动力电池管理系统：大脑控制

动力电池管理系统可以看作是动力电池的 “大脑”，由传感器、执行器、控制器（电控单元）等组件构成。它采集系统的电压、电流、温度等数据，进行复杂的计算，与整车其他部件进行通信，完成特定的功能，实施判定系统的运行边界，控制系统的异常状态等。主要由单体监控单元和动力电池管理单元组成。单体监控单元负责测量动力电池的电压、电流和温度等参数，同时还有均衡等功能。例如，通过动力电池管理系统的精准监控，能够及时发现电池的过充、过放、短路等异常情况，并采取相应的保护措施，提高电池的安全性和可靠性。

技术分析要点

（一）电池组连接方式

新能源车的动力电池包中，电池组的连接方式主要有串联、并联和混联三种。串联可以提高电池组的总电压，13 个模组串联组成的电池包接口为 1# 电池负极、13# 电池正极。并联能够增加电池组的总容量和总电流，而混联则可同时提高电池的电压和容量。动力电池包内部含有 4 个接触器和 2 个保险，其中 1# 为负极接触器，13# 为正极接触器（液冷取消），6#、10# 为分压接触器、保险（液冷外置）。接触器影响着电池组是否可以串联，保险则在电路出现异常时起到保护作用。

（二）信息采集器连接方式

单列和双列模组尾端都装有信息采集器，如（单列模组）BIC— 电池信息采集器和（双列模组）BIC— 电池信息采集器，它们的作用主要是进行电压采样、温度采样以及通讯端口连接。单列模组结构图中，电池模组尾端的信息采集器可以对单列模组的电压和温度进行实时监测，并将数据传输给电池管理系统。双列模组同理。电池信息采集器连接方式确保了数据的准确传输和电池管理系统对电池状态的有效监控。

（三）通讯接口定义

12Pin 接插件通讯接口用于与分布式 BMS 进行通讯。各端口功能明确，如 D-4 为采集器电源正，为信息采集器提供电源；D-5 是负极接触器电源；D-6 和 D-7 分别为分压接触器电源 1 和分压接触器电源 2；D-8 为正极接触器电源；D-9 是高压互锁信号输入；D-10 为采集器 can 屏蔽地；D-12 为采集器 CANL，D-13 为采集器 CANH，用于数据传输；D-14 为高压互锁信号输出；D-15 为采集器电源地；D-16、D-17、D-18、D-19 分别为负极接触器控制、分压接触器控制 1、分压接触器控制 2、正极接触器控制。

（四）框体结构设计

下框体设计需要考虑多个方面。首先，作为电池系统主要承载部件，其设计考量点众多，包括机械强度、密封设计、防腐、轻量化等。当前下框体工艺有钣金工艺、冷冲压工艺、挤出成型、压铸等。钣金拼焊框体设计周期短、投入少，常用于初期设计打样；钣金冲压框体设计工艺成熟、结构强度高；铝挤出成型框体设计因轻量化优点被广泛应用；压铸框体设计成本相对较高，主要用于小型电池包框体设计。设计过程中，要基于整车包络和锂电池工艺，根据不同的锂电池类型及工艺选择合适的框体设计方案，并考虑电池在框体内的排布方式、固定方式、热管理方式。同时，基于电量及能量密度设计，根据整车需求进行电池布置，预估电池能量密度等指标，进行框体材料及结构考虑。

上框体主要与下框体配合，形成密闭空间保护内部零部件。上框体材料选择主要考虑环境适应性，如耐侯性、耐高温、防腐蚀等，并具备一定强度。目前主要采用钣金材料和复合材料，钣金材料工艺成熟、结构强度高，适用于环境适应性要求高、强度要求高但对能量密度相对要求低的场景；复合材料密度低、重量轻、耐腐蚀、阻燃性好、绝缘性好，被广泛应用于乘用车电池包上框体设计。

（五）结构设计与优化

某款汽车电池包结构设计存在一些问题。原方案下盖由高强钢板一次冲压剪裁成形，在车辆发生侧碰或电池包遇到跌落等事故时，无法有效保护包内电池模组的安全；电池包吊耳部分虽通过板件多次弯折增强局部刚度，但单层 Z 形钢材抗弯性能不高，在车辆颠簸等垂向冲击工况下，存在连接失效风险；原设计采用空气对流自然散热方式，散热量不足且电池模组温升不均匀。

针对这些问题，优化方案如下：将原一体式下盖拆分为边框和底板两部分。边框选用侧向刚度、抗弯性能和抗撞性能较高的三角形镂空矩形管，负责电池单元的侧向防护。吊耳部分选用抗弯性能较好的日字形截面，通过 3 层水平结构共同承载分摊垂向刚度需求。底板由 7 块设计单元拼焊而成，选用两进两出串联式液冷为电池包热管理模式，将流道设计于底板内部，进出口流道宽度比设置为 2:3，提高进水口处冷却液流速，增大出水口处流道换热面积，提升换热效率和均匀性。同时，将流道左右两侧隔板设计为裙式截面结构提高底板水平弯曲刚度。新款电池包材料选用导热性能较好的轻质 6 系铝合金，采用搅拌摩擦焊完成各单元拼焊，有效保留焊缝位置 80% 的材料性能，避免局部应力集中导致的失效，实现整体 28.9% 的轻量化设计。

（六）静力学分析及拓扑优化

建立电池包有限元模型，在有限元仿真软件 HyperMesh 中整体采用四边形壳单元划分，考虑到电池包内部整体载荷较小，通过合并单元和 6 自由度全约束刚性连接 RIGID 模拟部件间的连接，得到 82026 个单元和 79793 个节点的电池包模型，材料选用 6061 高强度铝合金。

静力学仿真分析中，电动汽车在实际行驶过程中路面状况复杂，电池包所受载荷源自汽车制动、转弯和颠簸等状况下电池模组晃动产生的较大惯性冲击力，以及汽车在凹凸不平路况下因不同侧轮胎悬空或被抬高而产生的扭转作用力。通过静力学分析，可以为电池包结构性能优化提供依据，提高电池包的安全性和可靠性。

关键技术探讨

（一）轻量化设计

电池包轻量化对于提升整车性能至关重要。研究数据表明，传统燃油汽车减重 10%，经济性可提升 6 - 8%；而等速行驶工况下，电动汽车自重降低 10%，可使整车增加 10% 左右的续驶里程。目前，电池包轻量化主要有五种关键技术路径。

1.应用轻质材料：对箱体整体减重效果明显。目前，铝合金、镁合金和复合材料是应用较为成熟的轻质材料。其中，铝合金重量轻、抗氧好，有利于回收，在电池包轻量化应用中量大；复合材料具备重量轻、绝缘性好、加工成型简便的优势，目前应用较多的有玻纤增强塑料（SMC）及各类改性树脂。

2.优化电池包布置方式：在电池包箱体有限空间内，根据整车空间特征决定电池模组的布置形式。常用布置形式有车身底部悬置式、车身结构一体式和标准箱体分布式。车身底部悬置式具有设计高效灵活、生产制造独立性好等优点，是乘用车广泛采用的结构形式；车身结构一体式力求车身结构紧凑同时电池包性能较优；标准箱体分布式布置灵活，安装位置多样，适用于空间较大且规整的客车或专用汽车。

3.优化电池模组：从电芯参数和单体尺寸选择开始电池包轻量化设计，通过优化电池包箱体内部布置、减少设计层级，实现箱体空间最大利用率。例如宁德时代的无模组设计技术（CTP），使电池包体积利用率提升了 15% - 20%，生产效率提高约 50%。

4.新型成组方式：包括大模块设计和一体化设计。大模块设计将单体电芯的尺寸和容量增加，减少每个单体电芯分摊的结构件质量；一体化设计减少电池包模组等中间层级，提高箱体空间利用率，如比亚迪的 “刀片电池” 电池包设计方案，能使电池包比能量提升 50% 左右，生产成本降低约 30%。

5.极限设计：在电池包产品详细设计阶段进行性能优化或改良设计，借助 CAE 探索产品各项性能临界值和生产工艺参数，实现结构性能满足设计要求的同时达到轻量化需求。

（二）安全设计

安全设计可以分为三个倒退要求。首先，良好的设计要确保不要发生事故。这需要合理布局，良好的冷却系统以及可靠的结构设计。例如，在结构设计方面，要确保结构可靠，抗震动抗疲劳；工艺可控，无过焊、虚焊，确保电芯 100% 无损伤；成本低廉，PACK 产线自动化成本低，包括生产设备、生产损耗；易分拆，电池组易于维护、维修，低成本，电芯可梯次利用性好；做到必要的热传递隔离，防止热失控过快蔓延。

其次，如果不行，发生事故了，最好能提前预警，给人以反映时间。这需要传感器更加广泛地分布到每一个可能的故障点，全面检测电压和温度，最好监测每一颗电芯的内阻。例如，通过温度、电压的监测结合定时唤醒的功能，能在电池包热失控发生前，向车辆发出报警，保证人员人身安全。

最后，故障已经发生，则设计的目标就变成阻止事故过快蔓延。可以通过电芯和模组设置保险丝，模组和模组之间设置防火墙，设计强度冗余应对灾害发生后可能的结构坍塌。例如，通过热失控防护设计，实现电池包热失控的 “5 重防护”：传感器提前预警、电芯间的隔热设计、模组间增加阻热间隔、引导热失控排气按照特定通道排出、优化防爆阀选型。

（三）软包模组设计要点

软包模组主要由模组控制（常说的 BMS 从板）、电池单体、导电连接件、塑料框架、冷板、冷却管道、两端的压板以及一套将这些构件组合到一起的紧固件组成。

1.结构设计要求：结构可靠，抗震动抗疲劳；工艺可控，无过焊、虚焊，确保电芯 100% 无损伤；成本低廉，PACK 产线自动化成本低，包括生产设备、生产损耗；易分拆，电池组易于维护、维修，低成本，电芯可梯次利用性好；做到必要的热传递隔离，防止热失控过快蔓延。软包电芯的单体能量密度比圆柱和方形有更高的提升空间，但对模组设计要求较高，安全性不易把控，这都是需要结构设计解决的问题。

2.热设计要求：软包电芯的物理结构决定了其不易爆炸，内部压力一大，便会从铝塑膜边缘开始泄压、漏液。同时软包电芯也是几种电芯结构中散热最好的。当前主流的冷却方式已经转变为液冷以及相变材料冷却，相变材料冷却可以配合液冷一起使用，或者单独在环境不太恶劣的条件下使用。另外还有灌胶工艺，将导热系数远大于空气的导热胶灌到模组中，阻止热失控的传播，但电芯再次单独替换不太可能。软包电芯要将液冷技术做成熟并非易事，必须考虑液冷板的固定、密封性、绝缘性等。

3.电气设计要求：电气设计包含低压和高压两个部分。低压设计要考虑通过信号采集线束，将电池电压、温度信息采集到模组从控板或模组控制器上；模组控制器上一般设计均衡功能（主动均衡或者被动均衡或者二者并存）；少量的继电器通断控制功能可设计在从控板或模组控制器上；通过 CAN 通讯连接模组控制器和主控板，将模组信息传递出去。高压设计主要是电芯与电芯之间的串并联，以及模组外部模组与模组之间的连接导电方式，一般模组之间只是考虑串联方式。这些高压连接要达到两个方面的要求：一是电芯之间的导电件和接触电阻分布要均匀，否则单体电压检测将受到干扰；其次，电阻要足够小，避免电能在传递路径上的浪费。

4.安全设计要求：安全设计分为三个倒退要求。良好的设计确保不要发生事故，通过合理布局、良好的冷却系统、可靠的结构设计实现；次级目标是发生事故了最好能提前预警，给人以反映时间，需要传感器更加广泛地分布到每一个可能的故障点，全面检测电压和温度，最好监测每一颗电芯的内阻；最低目标是故障已经发生时阻止事故过快蔓延，可以通过电芯和模组设置保险丝，模组和模组之间设置防火墙，设计强度冗余应对灾害发生后可能的结构坍塌。

5.轻量化设计要求：轻量化设计的最重要目的是追求续航里程，消灭所有多余负担，轻装上阵。轻量化的道路很多，比如提高电芯能量密度；在细节设计中，确保强度的情况下追求结构件的轻薄（比如选更薄的材质，在板材上挖更大的孔）；用铝材替换钣金件；使用密度更低的新材料打造壳体等。

【电池设计】方壳电池模组设计与工艺