摘要：本文從動(dòng)力連接結(jié)構(gòu)、密封與絕緣結(jié)構(gòu)、固定與減震結(jié)構(gòu)、高壓風(fēng)險(xiǎn)控制、熱管理設(shè)計(jì)、電池管理系統(tǒng)等六個(gè)方面系統(tǒng)講解了如何將動(dòng)力電池系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)做的更好。

動(dòng)力電池系統(tǒng)是新能源汽車(chē)的最核心的零部件，7月26日，在重慶車(chē)輛檢測(cè)研究院有限公司、電動(dòng)汽車(chē)資源網(wǎng)聯(lián)合主辦了2017中國(guó)新能源汽車(chē)測(cè)試評(píng)價(jià)技術(shù)發(fā)展高峰論壇，論壇從動(dòng)力連接結(jié)構(gòu)、密封與絕緣結(jié)構(gòu)、固定與減震結(jié)構(gòu)、高壓風(fēng)險(xiǎn)控制、熱管理設(shè)計(jì)、電池管理系統(tǒng)等六個(gè)方面系統(tǒng)講解了如何將動(dòng)力電池系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)做的更好。

動(dòng)力連接結(jié)構(gòu)

動(dòng)力連接是指將單體電芯通過(guò)串并聯(lián)組成電池模組、電池模組通過(guò)串并聯(lián)組成電池包的連接技術(shù)，要求連接結(jié)構(gòu)具有高強(qiáng)度、高可靠性及低阻抗的特點(diǎn)。目前主要采用的動(dòng)力連接方式為機(jī)械連接或焊接連接。

機(jī)械連接最常見(jiàn)是螺栓連接，此連接方式簡(jiǎn)單方便、成本低，且裝拆方便，利于檢修。但這種連接方式缺點(diǎn)是對(duì)裝配操作要求高，裝配預(yù)緊力及表面質(zhì)量會(huì)造成接觸電阻不穩(wěn)定；同時(shí)螺栓易松動(dòng)也會(huì)造成接觸電阻增大。對(duì)于如何保證螺栓連接的可靠性，論壇提出以下幾點(diǎn)：1、要選用足夠強(qiáng)度等級(jí)的螺栓螺母，以便承受足夠鎖緊力和機(jī)械沖擊力；2、選用防松螺母，以保證長(zhǎng)期使用過(guò)程中連接處能夠抗機(jī)械沖擊和熱沖擊；3、保持連接導(dǎo)電體接觸面潔凈度和平整度，確保接觸面積足夠大；4、接觸表面需要做鍍層，以防止表面腐蝕；5、螺栓螺母確保鎖緊力達(dá)到設(shè)計(jì)值，確保接觸電阻盡量小。

焊接連接目前最常用的就是電阻焊接和激光焊接，此連接方式自動(dòng)化程度高，一致性好，生產(chǎn)效率高，但最大問(wèn)題是維護(hù)成本比較高。

密封與絕緣結(jié)構(gòu)

關(guān)于動(dòng)力電池系統(tǒng)密封與絕緣結(jié)構(gòu)，值得注意的一點(diǎn)是密封設(shè)計(jì)。進(jìn)行密封設(shè)計(jì)時(shí)常常忽略高壓連接器、MSD的防護(hù)等級(jí)，以及彈性元件等方面的限位，實(shí)際上，密封圈不壓得越緊越好，應(yīng)該有一些限位，保持彈性區(qū)間不變形。

絕緣結(jié)構(gòu)主要分為電芯的絕緣、模組的絕緣和電池總成的絕緣，電芯的絕緣設(shè)計(jì)主要是正極與負(fù)極集流體之間絕緣，其主要依靠電芯隔膜來(lái)實(shí)現(xiàn)絕緣設(shè)計(jì)，利用隔膜較好的力學(xué)性能和絕緣特性保證正負(fù)極間的絕緣。電芯（正負(fù)極集流體和隔膜等構(gòu)成的總成件）與電池外殼之間的絕緣，主要通過(guò)隔膜來(lái)實(shí)現(xiàn)，在正負(fù)極集流體疊片或卷繞，完成后再卷繞2~3層隔膜以保證電池芯與外殼間的絕緣。電池正負(fù)極極耳與外殼間的絕緣，主要通過(guò)極耳與外殼間增加一層絕緣材料。

總成的絕緣設(shè)計(jì)，在模組安裝固定時(shí)需要做絕緣防護(hù)，模組與模組間的連接線束、電池箱輸出極、手動(dòng)維修開(kāi)關(guān)也需要做絕緣防護(hù)。

固定與減震結(jié)構(gòu)

固定結(jié)構(gòu)要有足夠的強(qiáng)度以支撐加速度很大情況下質(zhì)量很大的電池組，箱體底部設(shè)計(jì)縱橫梁，安裝固定后與車(chē)身連成一起也可以增加車(chē)身承載強(qiáng)度。選擇車(chē)身上鋼板等級(jí)和厚度較高部分作為基礎(chǔ)，將電池組有效固定，通過(guò)受力分析和計(jì)算，確定縱橫梁具體的結(jié)構(gòu)、材料型號(hào)和厚度。對(duì)于縱橫梁和車(chē)身的固定連接處，應(yīng)通過(guò)增加強(qiáng)板或改進(jìn)結(jié)構(gòu)等措施保證強(qiáng)度，使電池箱體即使在在惡劣工況下固定連接處也不發(fā)生變形。如車(chē)身厚度不能滿(mǎn)足相關(guān)焊接標(biāo)準(zhǔn)，可采用局部加厚車(chē)身方式保證焊接質(zhì)量，使電池組固定結(jié)構(gòu)有足夠的安全系數(shù)。

連接時(shí)選用螺栓緊固方式，通過(guò)綜合考慮電池組質(zhì)量、碰撞加速度與接合面摩擦系數(shù)確定螺栓規(guī)格型號(hào)。固定點(diǎn)的選取原則是盡可能均勻?qū)ΨQ(chēng)布置，使各螺栓較平均地承受載荷，推薦安裝固定點(diǎn)6~10個(gè)。

高壓風(fēng)險(xiǎn)控制

在高壓控制方面，一般將內(nèi)部高壓電路進(jìn)行分割。電池包內(nèi)裝配繼電器，非工作狀態(tài)下因?yàn)槔^電器觸點(diǎn)斷開(kāi)，電池包對(duì)外無(wú)電壓，對(duì)于電池運(yùn)輸、測(cè)試、安裝人員來(lái)說(shuō)相對(duì)較安全。在電池中間位置安裝手動(dòng)維修開(kāi)關(guān)，保護(hù)在高壓環(huán)境下維修電動(dòng)汽車(chē)的技術(shù)人員安全或應(yīng)對(duì)突發(fā)的事件，可以快速分離高壓電路的連接，使維修等工作處于一種較為安全的狀態(tài)，如外部短路情況保護(hù)，維修時(shí)需要斷開(kāi)高壓。目前設(shè)計(jì)的高壓分割均是模塊化設(shè)計(jì)方案，考慮到未來(lái)量產(chǎn)、降成本的因素，從電芯到成組時(shí)將BMS放入，連接將比較可靠，量產(chǎn)時(shí)需要的工時(shí)數(shù)將較小。

碰撞保護(hù)方面，可以將繼電器整合進(jìn)入系統(tǒng)安全策略，一般是配合碰撞傳感器斷電為主動(dòng)安全策略。車(chē)的前、后、側(cè)面各加碰撞傳感器，在車(chē)遭受碰撞時(shí)碰撞傳感器反應(yīng)經(jīng)過(guò)安全氣囊控制器讀取處理以后，將碰撞信息反饋到整車(chē)控制器和電池管理系統(tǒng)，在電池包內(nèi)控制繼電器斷開(kāi)，電池包高電壓被繼電器斷開(kāi)，保證乘車(chē)安全。

絕緣檢測(cè)方面，較高的供電電壓對(duì)整車(chē)的電氣安全提出了更高的要求，尤其是對(duì)高壓系統(tǒng)的絕緣性能提出了更為苛刻的要求。絕緣電阻是表征電動(dòng)汽車(chē)電氣安全好壞的重要參數(shù)，相關(guān)電動(dòng)汽車(chē)安全標(biāo)準(zhǔn)均作了明確規(guī)定，目的是為了消除高壓電對(duì)車(chē)輛和駕乘人員人身的潛在威脅，保證電動(dòng)汽車(chē)電氣系統(tǒng)的安全。

在過(guò)流保護(hù)上，為了保證車(chē)載用電器和乘客的安全，防止短路及過(guò)載現(xiàn)象的發(fā)生，一般選用熔斷器進(jìn)行保護(hù)。熔斷器的選型涉及以下因素：施加在熔斷器上的電流特性、電壓特性、熔斷器的環(huán)境溫度、安裝尺寸限制、應(yīng)用線路等。當(dāng)外加電壓和安裝尺寸一定的情況下，熔斷器的選擇主要從電流特性、環(huán)境溫度及應(yīng)用線路3個(gè)因素考慮。對(duì)于高電流保護(hù)區(qū)，所選熔斷器應(yīng)具備以下性能：①容量大，通常在幾十到幾百A；②能夠承受瞬間高電流、高脈沖；③安全可靠性高；④運(yùn)行環(huán)境溫度相對(duì)較高；⑤機(jī)械特性好。

高壓互鎖的目的是用來(lái)確認(rèn)整個(gè)高壓系統(tǒng)的完整性的，當(dāng)高壓系統(tǒng)回路斷開(kāi)或者完整性受到破壞的時(shí)候，就需啟動(dòng)安全措施。這里面有幾個(gè)關(guān)鍵：HVIL的存在，可以使得在高壓總線上電之前，就知道整個(gè)系統(tǒng)的完整性，也就是說(shuō)在電池系統(tǒng)主、負(fù)繼電器閉合給電之前就防患于未然。HVIL的存在，是需要整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成的，HVIL主要通過(guò)連接器完成，主要防范的對(duì)象是線束&連接器的連接來(lái)確定，無(wú)法監(jiān)測(cè)各個(gè)部件外殼被打開(kāi)的情況，所以每個(gè)高壓部件開(kāi)蓋檢測(cè)電路是獨(dú)立存在的。

熱管理設(shè)計(jì)

動(dòng)力電池?zé)峁芾硎菫榱四軌驕?zhǔn)確測(cè)量和監(jiān)控電池溫度；電池組溫度過(guò)高時(shí)的有效散熱和通風(fēng)；低溫條件下的快速加熱，使電池組能夠正常工作；有害氣體產(chǎn)生時(shí)的有效通風(fēng)；保證電池組溫度場(chǎng)的均勻分布。

由于動(dòng)力電池所采用的電芯規(guī)格較小，預(yù)留通風(fēng)通道時(shí)，可以在一定程度上增加風(fēng)道，幫助散熱。熱管理設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮系統(tǒng)整體的匹配，包括電機(jī)的功率、電池容量，盡量減小電池的倍率。如果電池倍率設(shè)計(jì)較為完善，正常的散熱就已足夠。加熱方面，需要預(yù)留加熱的空間，實(shí)現(xiàn)天冷充電過(guò)程中的加熱。

電池管理系統(tǒng)

電池管理系統(tǒng)方面，目前電池管理系統(tǒng)在和整車(chē)結(jié)合的部分還有較大改善空間。電池管理系統(tǒng)需要對(duì)于電池的溫度、工況條件等特性了解得非常透徹，但實(shí)際上這并不容易。目前電池的各種問(wèn)題，主要是因?yàn)閷?duì)電池的特性了解得不夠，對(duì)于電池在任一時(shí)刻、任一溫度環(huán)境下，電池的放電能力是多大，能夠給整車(chē)提供多大的倍率，電池的壽命如何，處于什么的范圍區(qū)間，這都是電池管理系統(tǒng)需要去做的工作。