我的動力電池系統設計：結構「三 + 6」模式

作者：平全文

平工還是很努力的^_^，假期也是在上海過的，撰寫文章如下，供各位參考

前言

在新能源、智能化高速發展的今天，車已經從單純的交通工具，逐步成為一種全新的生活方式。既然技術讓生活變得多彩，對車產品「設計」的目標和要求，就不能墨守成規，停滯不前，需要不斷的調整和創新。

動力電池系統是新能源車輛的核心部分。系統結構，又是保障其功能完整性、安全性的重要環節。從近幾年全球產品分析來看，結構設計，發展非常迅速並趨於成熟。也不乏精品出現，技術達到爐火純青。

我通過多年系統集成設計，也在不斷摸索和總結。逐漸形成用於自己設計工作的一套方法：結構「三+6」設計模式。並在多個項目中應用。取得不錯的效果。當然了，隨著認識的提高，還在不斷的總結和擴展。

本文重點介紹電池系統 「三」大結構安全性設計，並通過leaf 經典案例，把 「三+6」思想貫穿起來，便於理解。

「三+6」模式是什麼：從字面不難理解：「三」代表大結構；「6」代表功能單元小結構。主要是對電池系統眾多不同功能結構和功能特點重新梳理和定義。突出其設計要點。

「三+6」模式優點：讓設計「有的放矢」。讓功能設計「更完整」。

三+6」模式，讓需要「強」的地方更強：例如框架的功能安全設計。功能完整性：例如電池系統殼體設計發展，從單純的「箱子」簡單結構形式，向融合了多種特性元素的「先進殼體」進步。

「三 + 6」模式特點：理解關聯性，細分「大」結構，強化「小」結構。

下面是leaf結構爆炸圖，結構單元的複雜性可見一斑。同時，結構元素關聯性又非常強，內框架結構不僅僅要兼顧對模組的承重，還要考慮安全特性設計、支架特性設計等。所以，需要把大結構元素提煉出來，重點設計。再如IP小結構，看似小結構需求，但其設計難度很大。不單單是膠條的設計，還有多層密封結構，其密封精髓「冗餘」設計（就是內護板的「牙邊」結構）、「壓縮量」密封本質，非常有特色。更需要強化設計。總之，結構關係千絲萬縷。需要把這些結構特性因素區分和歸納，突出其主要特點，兼顧其它特性。接下來，就一些結構「點」設計，進一步展開和分析：

1） 框架結構：是最重要的「三」大結構設計靈魂，重點在「安全」

在我們早期新能源車設計中，很多是在現有車身改制而成。並非正向設計。電池系統與車身結構被動配合，系統結構也多採用了「箱子」結構設計（也是簡單設計的代名詞）。通過一定厚度鋼板折彎、拼焊就完成了設計。承重功能主要依靠「厚度」解決。加上模擬也不充分，導致電池系統箱體出現開裂、支架斷裂。這種結構功能設計模糊，承重、加強、防護、等諸多功能於集於一體。很難做到安全。功能完整性也得不到保障。

「三」大結構，框架結構設計不同，功能定義非常明確。例如，內框架主要任務是完成模組的承載，例如可以採用1.5mm、1.8mm 中高強鋼完成；外框架結構，類似於內框架設計要求，只不過它的作用是對系統的承載，通過支架，完成和車身的裝配結合；防護面板（含下殼體防護面板、上蓋板），下殼體防護板，在內、外框架之間，沒有承載作用，只是完成對系統的防護和封閉。這時候，因為不承擔重量，板材可以做的很薄，leaf 板材厚度實測0.7mm（磨漆後）。大大減輕了系統結構重量。其上蓋板儘管板材薄，但感覺沒有變形，強度很好。這就是通過設計達到的目標。

在輕量化方面，我們做過一個計算（以約1500×1200×45mm包絡結構），採用框架結構設計後，減重可以達到約20%，更重要的是「安全性」通過結構設計而加強。真正讓設計「有的放矢」。

（圖示有色部分為內/外框架，白色為防護板）

2、 對電池系統保護的「多層」安全結構設計

第一層 來自車身的安全結構：當然，這一層不是電池系統結構所能為，需要車身來設計。但需要電池系統提出需求，配合整車完成集成設計。

正碰後的狀態：

第二層 來自殼體材料設計：多種材質應用，滿足結構功能需求

選用不同材料，更是「有的放矢」的完美體現。也是系統輕量化要求。畢竟電池系統太重了。需要減負。當然了，從成本角度，不太適合小批量或樣品生產製作。更適合量產產品。

第三層 來自結構特徵設計的保護：饋縮結構是完成碰撞「後」的吸能，是被動的防撞結構；外框空心內加強梁結構是碰撞「前」主動防撞結構。它既起到了加強作用，也兼顧了輕量化。這個結構特徵，在Tesla 也有應用（其實在車身設計中，是非常成熟的技術）。但是，在電池系統殼體設計時，很多時候並沒有把這種技術移植過來，有時一味的追求輕量化，而犧牲了安全結構。

第四層 布置結構，對插件、電氣盒的有效安全保護

我們都知道ASIL 評級中，一般把電氣盒（繼電器）功能安全定義為 C 等級，但從整個電池系統來講，從失效台階順序分析，也是不允許先於其它系統零件失效。所以，從設計保護角度，是需要重點考慮的。我們看leaf 設計，基本都放在了系統和車輛的「中心」位置。Tesla 、volt 也是這樣設計的。

這一點，非常值得學習。我們又是如何做的呢？兩個字：設計 「任性」。把插件或維修開關布置於系統或車輛位置的側面（出於操作方便或結構限制等原因進行了讓步設計）。車輛在側碰撞狀態，側面是薄弱的，這個時候，布置在側面的電池系統插件，風險和失效的發生率將大大增加。

上述分析，主要著重框架結構及安全重點設計。主要想說明，只有在結構功能清晰的同時，設計才能突出重點。當然了，我們同樣會提出一個問題，面對今天多種材質（非金屬殼體、鑄鋁殼體、擠壓鋁材拼焊殼體）、多種結構形式（箱式、半箱式、托盤），「三 + 6」模式可以適用嗎？讓我的小結來回答。

小結

1、「三 + 6」模式，提練的是設計精髓。是適合多種材質、多種形式殼體的。只不過，在具體設計時，會存在一定的局限性、輕重選擇的問題。比如，托盤式的擠壓實驗，就沒有箱式框架設計後的殼體效果好，是因為結構形式所限。這一點我非常有感觸（我正好目睹國外兩款某知名品牌電池系統的擠壓實驗，得出的結論）

2、「三 + 6」模式 可以幫助我們把結構設計元素「標準化」。方便移植到不同項目，成熟的設計可以減少設計失誤。

3、「三 + 6」模式 更看重的還是「安全」設計 。這是核心。

註解：為什麼更多引用leaf 說事

首先，leaf 在安全性設計方面，堪稱是經典之作。理由是leaf從2010年12月發布第一款到2016版，儘管電池系統能量密度不斷提升，電芯調整，模組框架調整，但其結構設計精髓沒有變化。特別是從2010版獲得五星級碰撞殊榮（歐洲安全性能）算起，其銷量幾十萬輛，極少聽說來自電池的安全事故，取得的成功，恰是這些基礎設計堆積起來的。

其次，對比tesla、寶馬等殼體結構設計，leaf仍然不輸於他們。同時也發現有很多相似之處。至於說，誰學習誰的，就不得而知了。讓我們站在巨人肩膀上進步，這是真理。

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