电池系统结构及安全设计

Contents电池系统产品简介——电动汽车与电池系统电池系统产品简介——动力电池简介加燃料加燃料充电放电/回馈动力统电池系统产品简介——三类产品乘用车动力电池、商用车动力电池、低速车动力电池通信储能电池系统、集装箱储能电池系统12V启停电池、48V启停电池电池系统产品简介——动力电池功能启/停启/停启/停收电池系统产品简介——储能电池简介电池系统产品简介——12V电池系统简介0204电池系统产品简介——48V电池系统简介AContents结构与安全设计概述——结构设计的内容理论计算详细设计材料选结构与安全设计概述——结构设计关键总成介绍箱体箱体轮廓、连接方式轮廓、连接方式轮廓、连接方式轮廓、连接方式、 模组结构与安全设计概述——安全设计的要求振动、跌落振动、跌落、挤压、金属物防水防尘、温度冲击、湿热循环防水防尘、温度冲击、湿热循环、盐雾、高海拔穿刺国标、企标、客户要求外部火烧、热失控外部火烧、热失控、防水防尘护、电气隔离、接触防护结构与安全设计概述——安全设计相关国家标准安全要求相关的国家标准标准名称GB/T31484-2015电动汽车用动力蓄电池循环寿命要求及试验方法GB/T31485-2015电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法GB/T31486-2015电动汽车用动力蓄电池电性能要求及试验方法电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第1部分高功率应用测试规程GB/T31467.2-2015电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第2部分高能量应用测试规程GB/T31467.3-2015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电动汽车安全要求第1部分：车载可充电储能系统GB/T18384.2-2015电动汽车安全要求第2部分：操作安全和故障防护GB/T18384.3-2015电动汽车安全要求第3部分：人员触电防护GB/T4208-2008外壳防护等级（IP代码）Contents模组结构介绍与设计——模组分类80%—83%13114201模组82%）软包模组（使用软包电芯的模80%—83%13114201模组82%）软包模组（使用软包电芯的模组）一般0.075元/wh半自动较高铝壳模组（使用铝壳电芯的模组）90%—92%（图为VDA模组91.5%）高0.09元/wh较低模组结构介绍与设计——模组结构设计要点BatteriesforMODULEBatteriesforMODULE铝壳图模组结构介绍与设计——能量密度与成组效率能量密度是指在单位一定的空间或质量物质中储存能量密度也就是模组或电池包平均单位体积或质量所释能量密度一般分重量能量密度和体积能量密成组效率是一个评价模组或电池包轻量化水平的模组结构介绍与设计——模组构成排1泡棉钣金短板绝缘片dian'x模组结构介绍与设计——软包模组泡棉泡棉具有低硬度高回弹性质,能够吸泡棉具有低硬度高回弹性质,能够吸在电芯发送热失控时,泡棉能起模组结构介绍与设计——软包模组泡棉泡棉（包括备胶）要求达到UL94-V0级别泡棉电芯塑胶框散热片泡棉厚度1.5mm（含备胶）长100mm宽50模组结构介绍与设计——软包模组长螺杆AA将多个单体框架紧固为一个模组B对单体框架限位,改善框架高低不一致模组结构介绍与设计——软包模组长螺杆长螺杆散热片电芯框架模组结构介绍与设计——软包模组的金属轴承套A模组结构介绍与设计——模组结构介绍与设计——模组结构介绍与设计——软包模组的胶接A胶接A胶接根据模组成组设计的工艺（设备涂胶、人工刷胶、模组结构介绍与设计——软包模组散热片导热系数约237W/(m·K)@25℃,有效导出模组内部热量。模组结构介绍与设计—— 实现方式是使用泡面，然后作用：” 模组结构介绍与设计——铝壳模组端板、侧板名称功能材料类型优缺点铝合金材质钣金材质模组结构介绍与设计——铝壳模组端板、侧板名称材料类型设计关注点质模组结构介绍与设计——模组结构介绍与设计——模组结构介绍与设计——铝壳模组侧板模组结构介绍与设计——铝壳模组载体A模组结构介绍与设计——模组电连接图片物理参数体积小、重量小（成组效率更高）体积大、重量大（成组效率更低）连接内阻内阻低、一致性好内阻大、一致性差连接可靠性高一般自动化程度高低成本设备、工装投入高生产人工成本低设备、工装投入低生产人工成本高其它风险点焊接质量探测困难最小单元电芯可维护性低螺栓松动、铝排蠕变导致螺栓松动模组结构介绍与设计——模组温度采集温度传感器种类水滴状端子贴片（用于FPCB）温度传感器种类水滴状端子贴片（用于FPCB）图片锁螺栓、铆接、焊接安装方式锁螺栓、铆接、焊接安装方式灌封焊接热传导均匀、可靠性高安装部位需要灌封空间和结构不占空间、导热性好、集成化必须进行封装热传导均匀、可靠性高安装部位需要灌封空间和结构不占空间、导热性好、集成化必须进行封装优点导线引出部位易折断缺点导线引出部位易折断缺点模组结构介绍与设计——FPCB，，名称简述用途模组结构介绍与设计——模组绝缘设计模组绝缘设计包括电芯与电芯、电芯与模组机械外壳间模组结构介绍与设计——模组的标准化电芯、模组尺寸标准化电池系统与整车厂合作正向开发，实现电池包尺寸标准化背景电池包形状复杂，箱体制作成本高电池包形状复杂，箱体制作成本高电池包内部空间利用率低能量密度突破困难电池可替换性不强乘用车、商用车、低速车、储能专用模组多元、集成化加热、冷却、Contents电池系统结构介绍与设计——电池系统结构设计要点BatteriesforMODULEBatteriesforMODULE电池系统结构介绍与设计——电芯选择电芯Cell对于结构设计的优劣势一般运用建议图片说明优点缺点软包电芯电芯性能优良，封装采用的材质质量较小，电池的能量密度较高电芯自身机械性能弱，易漏液对模组或其它外部结构要求高，成组工艺更复杂电芯散热需结构设计专门的导热路径需配合可靠的模组和电池包设计应改善导热路径改善绝缘防护设计考虑电芯膨胀铝壳电芯散热性能好电芯自身强度高循环寿命长单体电池的能量密度偏低，内部结构较复杂，自动化工艺成熟度相对较低。受到外部压力时相比软包更容易起火爆炸，为避免极端情况，需要设计电解液导向槽考虑电芯膨胀（三元电芯设计电解液导向槽电池系统结构介绍与设计——电芯串并基础电池系统结构介绍与设计——电池系统串并方案对比电池系统结构介绍与设计——电池系统排布内容高压系统布置电池模组布置热管理系统布置高压系统布置电池模组布置热管理系统布置电池管理系统布置输入边界尺寸满足电量要求满足能量密度要求保持安全间距电池单体及模块热管理电池系统结构介绍与设计——电池系统整体排布原则电池系统结构介绍与设计——电池系统整体排布原则重量分布均匀、整车要求重量分布高低压各行其道俯视图（去除上盖）（P111，图2-20）俯视图（去除上盖）（P111，图2-20）合理间距预留安全距离、安装空间兼顾热管理预留加热、散热通道、安装空间热场分布均匀保证一致性电气件排布电气件布置、保留安全距离电池系统结构介绍与设计——电池系统结构构成加电器件下箱体上箱盖下箱体模组电连接密封件电连接电池系统结构介绍与设计——电池系统箱盖结构设计根据客户需求、产品应用场景需求、性能需求、安全需求、成本需求、可现在使用比较成熟的上盖材质主要有钣金上盖、塑料上盖、复合材钣金上盖塑料上盖复合材料上盖电池系统结构介绍与设计——电池系统箱盖结构设计特点特点加工工艺：钣金剪切和冲裁、钣金折弯和冲压、钣金焊接和应用范围：乘用车动力电池、商用车动力电钣金上盖电池系统结构介绍与设计——电池系统箱盖结构设计特点特点应用范围：48v和12v启停电池、两三轮电动车动力电池等低压电池系统表面处理：无池的排气量、防爆等级选择或设计合理的排注塑嵌件：镶嵌螺丝螺母、镶嵌端子、嵌套要满足安装扭塑料上盖电池系统结构介绍与设计——电池系统箱盖结构设计表面处理：无复合材料上盖电池系统结构介绍与设计——电池系统箱体结构设计机械强度（满足振动、冲击、挤压、碰撞等要求）、等电位、防腐蚀、密封设现在使用比较成熟的上盖材质主要有钣金箱体、铝合钣金箱体铝合金箱体电池系统结构介绍与设计——电池系统箱体结构设计特点特点加工工艺：钣金剪切和冲裁、钣金折弯和冲压、钣金焊接和表面处理：电泳厚度15-25μm电泳主要是起到防腐绝缘、喷40~70μm喷塑主要是优化外观和绝缘、镀锌为低成本方案采用一体冲压钣金箱体密封垫由于过度压缩而压溃。密封法兰面宽度要保证是一体冲压钣金箱体电池系统结构介绍与设计——电池系统箱体结构设计特点透气装置：铝合金壳体通常收到模具结构限制不便于设密封：铝合金箱体边缘预留足够宽度的法兰面以配合塑料上铝合金型材箱体电池系统结构介绍与设计——电池系统常用金属材料物性表Q235DC01H410LAAL6061-T6AL6061-T6ADC12电池系统结构介绍与设计——常用金属材料序号材料名称材料成本(元/吨)模具工装成本适用工艺1Q2353900<5000模具、钣金、焊接、表处理2DC013690<5000模具、钣金、焊接、表处理3H410LA4520<5000模具、钣金、焊接、表处理4Al606122000一般模具、铝焊、机加工5ADC1222000高模具、机加工电池系统结构介绍与设计——电池系统箱体化学安全 预防措施实现方式防护措施实现方式阻燃防火盐雾腐蚀防护化学腐蚀防护禁用物质材料选择+隔离结构的运用塑料件、线束、绝缘膜、泡棉达到UL94-V0模组间隔离、电气件隔离电泳、喷塑、钝化防爆、定向泄放冷凝水的防护平衡防爆阀选型及安装位置选择吸水材料使内部无法形成冷凝水疏水材料避免冷凝水破坏带电体或电气件电池系统结构介绍与设计——电池系统层级的电连接模组间电连接电箱级别电连接电箱级别电连接电池系统结构介绍与设计——分类硬铜排软铜排导线图片多层薄铜片（常为0.1mm）单层铜板通过打孔、折弯、单层铜板通过打孔、折弯、压铆、电镀等工序机加工而成部位焊接在一起（减少接触定义铜导线部位焊接在一起（减少接触定义内阻非焊接区可弹性活动高高小高低小成本高高小高低小低低低低大（导线需要拐弯半径）公差精度要求安装空间电池系统结构介绍与设计——电连接表面处理1、中性盐雾实验192H无锈迹2、不能漏铜，其他部位划痕数量不可超过3处3、电链接区不得有凸起、凹坑及明显划痕硬排——镀镍2.5-4um软排——热压0.1mm镍片镍：1、导电性强11、防止电连接面氧化2、防止电化学腐蚀3、增加表面硬度防止机械损伤4、3、耐酸碱4、硬度高图片将塑料（环氧树脂）粉末喷涂在零件表面，利用静电发生器使塑料粉末带电,吸附在铁板表面,然后经过180图片将塑料（环氧树脂）粉末喷涂在零件表面，利用静电发生器使塑料粉末带电,吸附在铁板表面,然后经过180～220℃的烘烤,使粉末熔化黏附在金属表面硬排通过加热金属将塑料粉均匀的喷在金属上形成一层塑料膜，或加热浸塑液放入金属件使之冷却后塑料包覆在金属表面。热缩套管加热收缩后包裹金属表面说明软排硬排运用场景Contents轻量化——轻量化的范围电池尺寸选择电芯选择电芯参数选择系统层级整体排布系统层级减少层级大模块设计轻量化减少层级大模块设计轻量化新的成组方式一体化设计详细设计新材料应用详细设计找到恰好点极限设计去除过设计去除过设计轻量化——结构设计与轻量化轻量化——减少层级级轻量化——选材钣金冲压箱体加强处壁厚>4mm加强处壁厚>4mm轻量化——普通的塑料,就算是特种的塑料的强度也是远远不足的,需要提高.加入碳纤维可利用碳纤维的轻量化——上盖轻量化轻量化——轻量化——挂点优化点：挂点数量挂点使用紧固件规格挂点分布挂耳强度轻量化——横纵梁横纵梁需要确定：横纵梁分布横纵梁数量构建框架结构框架材料壁厚Contents安全设计——安全设计划分AC电气安全机械安全化学安全AC电气安全机械安全等电位、绝缘防护、电气隔离、接触防护、高压互锁、短路保护、供电保护、故障检测防水防尘、接触式防护结构设计、接触式连接结构设计燃、防腐蚀安全设计——等电位人体接触防护降低整车外露可触及的可导电部分任意两点的压差。在电池系统或整车端发生绝缘故障时，即使有故障电流流过外露可导电部分时，人体触碰到任意两点，两点间基本维持等电位状态，压差小于人体安全电压静电防护静电电量不大，但是电压高，容易产生火花放电，若电池系统电芯漏液，火花可能引起电解液起火。等电位可以将静电电荷收集并传送到接地网上，从而消除和防止静电危害。电磁干扰防护高压系统故障时，较大的脉冲电流对周围金属物或导线形成电磁感应，敏感电子设备处于其中，可能导致数据丢失、系统崩溃。整车高压设备外壳进行等电位连接后，保证了所有屏蔽和设备外壳之间良好的电气连接，最大限度小电位差，有效降低EMC干扰带来的损害。安全设计——等电位电池箱与车辆的地（车身作为壳体地）实现等电位，可采用地线连接，可以采用螺栓连接电池箱壳体上面的所有可接触的导电金属部件（比如盖板、支架、水冷管等都必须与壳体是等电位连接的，可通过焊接、压接、螺栓连接实现。压接或螺栓连接时，接触面不能进行喷漆或绝缘处理，否则接触阻抗大，无法满足等电位对阻抗的要求。等电位螺栓或线束截面积需大于等于电池系统中高压导线截面积。安全设计——模组的绝缘设计安全设计——电气隔离安全设计——电气隔离安全设计——接触防护附加字母ABCD简要说明防止手背接近防止手指接近防止工具接近防止金属线接近防护等级IPXX()含义直径50mm的球形试具与危险部件必须保持足够间隙直径12mm，长80mm的铰接试指与危险部件必须保持足够间隙直径2.5mm，长100mm的试具与危险部件必须保持足够间隙直径1mm，长100mm的试具与危险部件必须保持足够间隙安全设计——接触防护模组的防护高压连接器的保护电连接件的保护安全设计——防水防尘字0202346/字水2防止当壳体在15°当外壳的各垂直6防短时间进水影浸入规定压力的水中经规定时间响后外壳进水量不致达到7防持续潜水影响按生产厂和用户双方同意的条件（应比特征数字为7时严酷）持安全设计——防水防尘安全设计——防水防尘安全设计——防水防尘安全设计——防水防尘安全设计——防水防尘安全设计——安全设计——放到箱体A取新样品放入盐雾测试机中，测试温度为35℃,测试时间为48H，每24H记录一次。肉眼未发现表面腐蚀即为合格。安全设计——安全设计——焊接存在气孔和虚焊等缺陷上下壳体密封失效壳体存在裂纹和壳体存在裂纹和砂眼等缺陷化学腐蚀密封条老化产生密封条老化产生裂纹料老化密封条密封失效密密封条密封失效密封条接触压力过小紧固件压力过大，密封条产生永久变形紧固件松动接插件来料不良箱体密封失效紧固件松动接插件来料不良箱体密封失效接插件密封失效与与箱体装配密封失效密封条接触压力防爆阀来料不良过小防爆阀来料不良防爆阀密封失效与箱体装配密封失效安全设计——接触式连接结构设计螺栓紧固焊接卡扣连接结构卡扣电气快电气快插连接安全设计——接触式连接结构设计螺栓机械连接（模组固定、箱体固定等）:nxuxF2fxMxaDIN267性能等级(螺栓强度等级)规格6.98.8F(N)F(N)F(N)F(N)1,7002,2503,1503,8002,9003,9005,7506,700M54,8006,4009,40011,0006,7509,00013,20015,50012,40016,50024,30028,400M1228,80038,40056,50066,000安全设计——接触式连接结构设计常见平垫尺寸规格外径3.25-3.45.85-6.14.3-4.488.64-96.4-6.62常见平垫尺寸规格外径3.25-3.45.85-6.14.3-4.488.64-96.4-6.6211.57-128.4-8.6215.57-16M1010.5-10.7719.48-20M1213-13.2723.48-24T2铜力学性能状态拉伸强度伸长率维氏硬度热轧R-软M-1/8硬Y8215~27555~1001/2硬Y2245~34575~120硬Y安全设计——机械防呆防呆法采用一系列方法和或工具防止人为失防呆法会降低了对于人的主观判断的依赖，尽量实现制程的安全设计——颜色和