電池包殼體設計要求與選材

電池包是新能源汽車核心能量源，為整車提供驅動電能，它主要通過殼體包絡構成電池包主體。

模塊化的結構設計實現(xiàn)了電芯的集成，通過熱管理設計與仿真優(yōu)化電池的安全保護及連接路徑；通過BMS實現(xiàn)對電芯的管理，以及與整車的通訊及信息交換。電池包組成主要包括電芯、模塊、電氣系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、殼體和BMS。

動力電池系統(tǒng)設計要以滿足整車的動力要求和其他設計為前提。同時要考慮電池系統(tǒng)自身的內(nèi)部結構和安全及管理設計等方面。設計流程為：確定整車設計要求、確定車輛功率及能量要求、選擇匹配合適的電芯、確定電池模塊的組合結構、確定電池管理系統(tǒng)及設管理系統(tǒng)設計、仿真模擬及具體試驗驗證。

電池包殼體設計要求

電池包殼體作為電池模塊的承載體，對電池模塊的安全工作和防護起著關鍵作用。其外觀設計主要從材質、表面防腐蝕、絕緣處理、產(chǎn)品標識等方面經(jīng)行。

要滿足強度剛度要求和電器設備外殼防護等級IP67設計要求并且提供碰撞保護，箱內(nèi)電池模塊在底板生根，線束走向合理、美觀且固定可靠。

1、一般要求

（1）具有維護的方便性。

（2）在車輛發(fā)生碰撞或電池發(fā)生自燃等意外情況下，宜考慮防止煙火、液體、氣體等進入車廂的結構或防護措施。

（3）電池箱應留有銘牌與安全標志布置位置，給保險、動力線、采集線、各種傳感元件的安裝留有足夠的空間和固定基礎。

（4）所有無極基本絕緣的連接件、端子、電觸頭應采取加強防護。在連接件、端子、電觸頭接合后應符合GB 4208-2008防護等級為3的要求。

2、外觀與尺寸

（1）外表面無明顯劃傷、變形等缺陷、表面涂鍍層均勻。

（2）零件緊固可靠、無銹蝕、毛刺、裂紋等缺陷和損傷。

3、機械強度

（1）耐振動強度和耐沖擊強度，在試驗后不應有機械損壞、變形和緊固部位的松動現(xiàn)象，鎖止裝置不應受到損壞。

（2）采取鎖止裝置固定的蓄電池箱，鎖止裝置應可靠，具有防誤操作措施。

4、安全要求

（1）在試驗后，蓄電池箱防護等級不低于IP55。

（2）人員觸電防護應符合相關要求。

在完成整個動力電池系統(tǒng)的設計后，制作好的動力電池系統(tǒng)必須經(jīng)過臺架性能測試，驗證是否符合設計要求，在經(jīng)過裝車試驗，對系統(tǒng)進行改進和完善。相關行業(yè)標準如下：

電池包殼體的選材

電池殼體是新能源汽車動力電池的承載件，一般是安裝在車體下部，主要用于保護鋰電池在受到外界碰撞、擠壓時不會損壞。

傳統(tǒng)車用電池箱體采用鋼板、鋁合金等材料鑄造。然后對表面進行噴涂處理。隨著汽車節(jié)能環(huán)保和輕量化發(fā)展，電池殼體材料也出現(xiàn)了玻纖增強復合材料、SMC片狀材料、碳纖增強復合材料等多種輕量化的材料選擇。

?鋼制殼體。鋼制電池包殼體是最原始的動力電池包殼體材料，一般采用鑄造鋼板焊接而成。強度高、剛性高，質量重。表面需要進行防腐處理，使其在長期高溫條件下仍具有較好的防腐效果。

?鋁合金殼體。汽車動力電池包采用鋁合金材料具有易加工成型、高溫耐腐蝕性、良好的傳熱性和導電性的特點。鋁合金殼體（除殼蓋外）可一次拉伸成形，相對于不銹鋼，可以省去盒底焊接工藝，在進行焊接時就不會出現(xiàn)因為金屬元素燒損而導致寒風質量下降等問題。此外，鋁合金殼體還有以下四大優(yōu)勢。

（1）使用壽命長。鋁合金殼體經(jīng)過模擬老化試驗表明其使用壽命在20年以上，遠遠超過了金屬等傳統(tǒng)材料。

（2）阻燃、無煙、無毒。鋁合金材料的阻燃性等級可達FV0，在高溫灼燒下發(fā)煙量級別達15級，煙氣無毒，毒性級別為ZA1（準安全一級）。

（3）防爆性能。動力電池鋁殼蓋板上特別設有防爆裝置，在電芯內(nèi)部壓力過大的情況下，防爆裝置會自動打開泄壓，以防止出現(xiàn)爆炸的現(xiàn)象。

（4）抗老化性能。在金屬材料中，鋁有著優(yōu)秀的抗老化性能。經(jīng)過抗老化性能測試表明，使用地點不同，所處氣候帶不同，其表面最大老化厚度為20年小于50μm。大多數(shù)箱體的最小厚度為5mm，小于箱體厚度的1%，因此對箱體的機械性能沒有明顯的影響。

?SMC符合材料。即片狀模塑料，主要原料由GF（專用紗）、UP（不飽和樹脂）、低收縮添加劑、MD（填料）及各種助劑組成。具有以下7大特點。

（1）電性能好。SMC符合材料不僅具有極佳的電絕緣性，而且在高頻下亦能保持良好的介電性能，不受電磁作用，不反射電磁波。

（2）耐化學腐蝕。SMC符合材料具有很好的耐酸、稀堿、鹽、有機溶劑、海水等腐蝕的特性，而金屬材料不耐酸、不耐海水腐蝕。

（3）輕質高強。SMC符合材料的比模量與鋼材相當，但其比強度可達到鋼材的4倍。

（4）缺口敏感性。當構建超載并有少量纖維斷裂時，載荷迅速分配在為破壞的纖維上重新達到力學平衡。這是金屬構件不能相比的。

（5）熱導率低、膨脹系數(shù)小。在有溫差時所產(chǎn)生的熱應力比金屬小得多。

（6）優(yōu)異的耐紫外線抗老化性能。其表面最大老化厚度為20年小于50μm。大多數(shù)箱體的最小厚度為5mm，小于箱體厚度的1%，因此對箱體的機械性能沒有明顯的影響。

（7）抗疲勞性能好。SMC復合材料的拉伸強度略好于鋼材，鋼材及大多數(shù)金屬材料的抗疲勞極限普遍高于這一數(shù)值，最高可達70%-80%。

?碳纖維增強復合材料是解決汽車輕量化發(fā)展的有效途徑之一，目前，碳纖維復合材料已成為傳統(tǒng)金屬材質電池箱體的理想替代品。與金屬材料相比碳纖維密度約為1.7g/cm3。拉伸強度3000MPa，彈性模量230GPa，質輕高強，耐高溫，耐摩擦，抗震，熱膨脹系數(shù)低。

而鋼材的密度為7.85g/cm3，抗拉強度300-600MPa，彈性模量190GPa，比熱容0.42J/(KG.K),熱膨脹系數(shù)10.6-1.22×10-6/℃，其密度比碳纖維高出許多，抗拉強度也不如碳纖維。鋁密度為2.7g/cm3，抗拉強度110-136MPa，重量雖然比鋼輕，但強度也較低，安全性能稍差。

此外，碳纖維復合材料在耐沖擊性、密封性、及減重上具有絕對優(yōu)勢。