動力電池包結構設計魯棒性，絕對有你沒有注意過的方法（完全篇）

今天完成了第3-8節的整理，把昨天發出來的部分，湊一個完整篇。內容較多，為了能夠第一眼看了解到底都涉及了哪些方面的魯棒性設計，下面放個目錄先。第3節往後是今天新更新的內容。

概述

1 簡介

2 熱失控

2.1 熱障

2.2 在模塊級別

2.3 在單元級別

2.4 出口點

3 隔振

3.1 電池組結構/安裝框架

3.2 電極端子

4 崩潰的價值

4.1 後部碰撞

4.2 側面影響

4.3 前部撞擊

5 電池組的材料選擇

6 電池組放置

7 一個堅固的電池組的模型設計-雪佛蘭 Volt

8 結論

電池包結構設計，是整個電池包系統設計中極為重要的一環，是整個設計過程中佔用時間最多的一環，但討論其設計理論的文章卻並不多見。本文翻譯了一篇電池包結構設計魯棒性的文章，原文《Review of mechanical design and strategic placement technique of a robust battery pack for electric vehicles》，2016年發表在《Renewable and Sustainable Energy Reviews》上，比較全面的闡述了結構設計中一些要點上的理論及設計專利示範。

概述

在電動車（EV）中，由於對環境溫度，壓力和動態機械載荷的高度敏感性，熱失控，振動或車輛撞擊可能導致鋰離子（Li-ion）電池組的潛在故障。在各種因素中，電池包的安全性和可靠性，對公共和私人交通領域大規模電氣化提出了挑戰。本文回顧了可以解決這些問題的機械設計功能。超過75個來源，包括科學和技術文獻，特別是對43個美國專利進行了研究。該研究通過實例說明簡單的機械特徵可以集成到電池包設計中，以最大限度地減少故障發生的可能性並減輕上述安全風險。此外，研究了大量電池組魯棒性設計關鍵部件，相關材料也被篩選出來用於關鍵部件的設計並滿足部件性能需求。還以日產LEAF電池包裝設計為例討論了策略性電池組放置技術。最後，本文所述的設計解決方案與雪佛蘭Volt電池組設計進行了比較，揭示了堅固可靠的電池封裝系統的基本機械設計要求。

1 介紹

鋰離子電池，由於它們的高功率，高能量密度和長壽命[1] ，已成為純電動汽車（EV）的優選車載電源。但是，鋰電池被認為對環境溫度，振動和壓力等因素的變化敏感。需要控制電池溫度和電池組運行的環境，以使其能量容量最大化。為了確保鋰電池的安全操作，溫度必須低於50℃ [2,3]；電池包振動頻率應該避免與汽車懸架系統發生共振，汽車一般頻率範圍：簧上質量0~7Hz；車輛動力系統，包括傳動系統，減速器，7~20Hz；車輛底盤系統20Hz ~40Hz [4-6] 。超出設計邊界邊，則可能對動力電池包的循環壽命造成危害。它也可能引起不可控的鏈式放熱反應，導致放出煙霧或者毒氣，產生高壓，進而使得電池過早失效、著火甚至爆炸。超出運行邊界條件的問題起因，可能是熱量積累、物理濫用包括穿刺或者擠壓等[2,7-9]。

這種不規範行為是電動汽車初始發展階段的顯著特徵。有幾次，它們曾經迫使早期設備製造商（OEM）將其產品從市場上撤回。2002年，EV全球電機公司收到5起鋰離子電池在電動自行車上發生過熱的報告。其中的三起，發生了鋰電池起火事故。隨後，他們宣布通過美國消費品安全委員會召回2000個鋰離子電池組[10] 。2011年，在美國國家高速公路碰撞安全測試中電池起火事件被報道以後，也曾經召回8000台雪佛蘭Volt [11] 。最近，在密歇根州的通用汽車公司的鋰離子電池組測試設施爆炸，造成五個工人需要當即就醫[12,13] 。特斯拉汽車由於Model S道路異物刺穿電池包箱體造成電池起火，也受到了許多負面報道 [14,15] 。

雖然針對大規模電池包的安全性的改進一直在持續進行，對電動汽車的安全性不斷改善正在作出，無論是普通消費者還是OEM廠商仍然對正常使用過程中的事故和電動汽車的意外濫用感到憂慮在 [1,16] 。因此，對鋰離子電池組安全性制定了非常嚴格的規定。表1列出了與電池包成組設計和性能測試相關的各種SAE標準 [17] 。

表格1，管理汽車電池組的機械設計SAE標準。

公共和私人交通領域大範圍電氣化，被認為是行不通的，直到鋰電池性能逐漸被認識，而其可靠性相關問題逐漸被研究回答[18，19] 。研究可以提高鋰離子電池組安全性和可 靠性的設計特性至關重要。國際標準SAE J1797 -電動汽車電池模塊電池包推薦設計方法，僅適用於鉛酸電池，鎳鎘電池和鎳氫電池電池成組設計，而不適用於鋰離子電池組[20]。

據報道，在影響鋰離子電池組可靠性的幾個因素中，有一些會在製造過程中出現。最重要的是化學因素，如雜質、濃度，以及連接工藝，即材料處理和電芯密封，無論是密封還是卷繞[21]。另一份報告認為，在電池組長期工作的環境條件下，環境溫度，壓力，機械和熱衝擊，機械振動等，對電池的可靠性產生重大影響。這份報告繼續提供一些通用電池組裝指南[22]。另一項研究指出，鋰離子電池組在電動汽車中的性能強烈依賴於通常不受控制的環境操作條件，因此無法根據實驗室實驗進行評估[23]。另一方面，更近期的工作表明電池電芯溫度也影響鋰離子電池組的可靠性和循環壽命[24]。

儘管不同方面對導致鋰離子電池組不可預知的安全因素持有不同的觀點，但大部分已發表的工作集中在開發穩定的電解質，新的和安全的電極材料以及鋰離子電池組的熱管理解決方案。一個經常被忽視的領域是電池組外殼堅固的機械設計對其可靠性的貢獻。一組研究人員綜合了商用鋰離子電池中的常規安全裝置，但他們的工作僅限於單個電芯[25]。在本文中，我們將回顧安裝在電動汽車中大型電池組的安全功能。

強大而可靠的電池包設計需要解決熱失控，振動隔離和電池級、模塊級的碰撞安全有關的若干設計問題。在這些級別的每一級，都需要限制電池單體之間的相對運動，以消除電池組的潛在故障。EV中電池組的布局策略也可以有效提高電池包設計中的上述問題。下面介個章節中，將回顧公開專利中簡單的機械結構設計，這些專利可以集成到電池包設計中，使其可靠並減輕嚴重的安全風險。表2 還提供了關於電池組穩健性設計關鍵問題的專利綜合清單。

表2，公開專利文獻中的電池包文件設計關鍵問題解決方案匯總

2 熱失控

熱失控是放熱鏈式反應的開始，電池單體開始以大於0.2℃/min速率自熱 [26]。過度的熱量產生導致自加熱速率進一步增加並最終導致形成電池組的化學組分的自燃。電池經歷熱失控，通常放出大量烴蒸氣形成的氣體，噴射出的物質和大量熱損毀了靠近它的材料 [21] 。熱失控可以由下列條件引發：電芯內短路，物理濫用，製造缺陷，或電池暴露在極端的外部溫度下[26-28]。值得注意的是，不管當被加熱的電池是不是在熱失控的狀態下，它仍然可以放出可燃氣體[29] 。

然而，只有當氣體溢出電池包箱體範圍，對於財產損害和人身安全的威脅風險才變得顯著。這裡的控制因素是熱氣中存在的可燃碳氫化合物的自燃溫度（AIT）。只要氣體被控制在電池箱體內部， AIT就會保持相對較高的水平。然而，當可燃氣體膨脹溢出箱體，與環境空氣接觸以後，自然溫度AIT就會顯著降低。正是在這個時刻，財產和車輛乘客或試圖控制事件的人的風險大大增加。

隨著電池組進入熱失控狀態，相關的壓力升高可能導致電池組外殼的災難性故障。因此，至少設計一個薄弱點，該薄弱點在設計好的預定壓力下發生破壞，用以釋放系統壓力，以避免出現未知的故障點，對車輛及乘客造成更大的威脅。

減輕這些風險，一方面涉及控制伴隨熱失控事件發生的熱煙氣和溢流物質的發生位置和釋放位置，另一方面是控制電池組區域之間的熱相互作用，從而避免單個熱失控事件蔓延到整個電池組[30]。

2.1 熱障

與熱失控相關的溫度升高可能導致緊靠電池區域的安裝支架因發生熱失控而熔化或汽化。結果，電池可能不再牢固地保持在其原始位置。當受影響的電池單體/模塊移動時，電池組件之間的間距可能減小，導致對熱失控傳播的抵抗力降低。電池單體/模塊移動也可能危及電池組冷卻系統，從而進一步增加熱失控傳播速率。如果受影響的電池/組件發生移動，它可能會停靠在相鄰的單體/模塊上。如果是這樣，這兩個區域之間的熱傳遞過程將從輻射和對流切換到輻射、對流和更為高效的熱傳導複合的傳熱模式。此外，在堆疊型電池配置的應用中，即一層電池單體垂直放置於另一層上方時，一旦支架開始熔化，重力可加速頂層的移動或汽化。因此，限制電池或模塊發生熱失控後的位置移動是非常重要的，以盡量減少熱失控傳播的風險。

2.1.1 pack級

美國專利號8663824公開了一種設計，其中電池組已經通過橫向構件分成多個電池組隔間。如圖1所示的電池包設計包括中央電池組件構件，其將左側和右側隔間分開以並作為電源和數據線的走線裝置 [31]。按照這種設計，每個隔室只包含一個電池模塊。

圖1 ：每個電池組隔離室內帶有一個電池模塊的堅固電池包[31] 。

圖2. 帶有電池隔板的圓柱形電池組件[33] 。

在設計中，下部和上部簡單的橫向構件為模組提供簡單定位，並通過固定模組法蘭的方式將模組固定不動。因此，在模塊與電池包的頂部和底部表面之間產生空氣間隙。該空間確保了兩個相鄰電池模塊之間不會發生熱傳導。

在美國專利7507499提出的另一設計中，電池包左側和右側的區域之間有一個小氣隙，這個小氣隙為了成為了防止熱失控傳播的熱障，通過提供單體或者電池模塊之間的熱障限制了熱失控傳播以及右和左電池組之間的小氣隙明顯地限制不同子空間之間的氣體流量。另外Lai等人[32]報道，他們介紹了將電池包分成幾個隔室的典型設計。

2.1.2 電芯級

間隔組件包括多個獨立且彼此分開的剛性間隔件。這些間隔件被填充在電池模組的相鄰電芯之間，以確保每個電池單體保持在其預定位置。剛性間隔件可以是摩擦配合安裝或粘結到自己的位置上。

通常，選擇集成在電池安裝支架內的間隔件組件取決於電池組內使用的電池的類型和形狀。美國專利8481191提供了一種用於與電池組中的圓柱形電池單體一起使用的間隔件組件，如圖2所示[33]。每個墊片的高度在整個電池高度的1％和5％之間。

圖3.利用剛性間隔組件的替代策略[33]。

由於電芯間隔件的主要功能是保持電芯熱失控期間的位置固定，以節省重量和獲得更高的比能量（瓦時/千克）等級，如圖3所示，一對具有上部間隔件和下部間隔件的小得多的間隔件組合優於從電池的頂部到底部延伸的一個長間隔件[33]。只能使用一個墊片，例如位於頂部或底部附近或靠近電池中心放置一個小墊片，這個形式並不是首選，因為它仍允許一些移動。

此外，方形電池應保持一定的結合壓力，以防止電池內部彈簧力膨脹並損壞自身，從而縮短電池壽命。電池單體墊片可以在電池兩側產生足夠的結合力，而不會覆蓋太多的電池表面積以致冷卻變得無效。

美國專利第8709644號公開了一種適用於方形電池的電池組內電池間隔件設計。該設計中的間隔件適用於盒式保持器幾何形狀。間隔件組件包括肋支撐件和連接在它們之間的多個絕緣肋。它們一起形成口袋狀結構用於容納電池單體。該專利公開的電池隔離物還包括一個頂部和底部法蘭以防止垂直移動。此外，肋條沿Z方向交錯排列，便於使用簡單的單向工具。它提供了一種自我配合設計，並消除了對兩種不同模具的需求，從而降低了製造成本。

當電池放入保持架時，肋條支撐電池並限制電池的任何移動。它還向肋支撐件提供一種分散式載荷，迫使電池表面與肋條貼合，使得加熱或者冷卻流體的進口聚攏出口發散。流體入口和出口是拋物線形的，以最小化流體在電芯之前和之後的間隙的變尺寸截面處的壓降。電芯間隔物還包括位於間隔物盒體內部頂部的模製咬合特徵。在電池單體完全安裝在盒匣底部的情況下，搭扣功能將電池鎖定在間隔件中。因此，卡扣可防止電芯在使用過程中從墊片頂部滑出[34]。

2.2 出口點

熱氣體的排出點設計為一個或多個在電池熱失控事件期間打開的排氣噴嘴。由於噴嘴的存在，它們引導氣體和材料流的方向遠離乘員艙，遠離可能造成人員傷害的位置，從而最大限度地減少車輛損壞和相關的安全風險。美國專利號8663824公開了一種這類排氣噴嘴組件的設計。為防止任何污染物（如道路碎片和濕氣）進入電池組，在車輛正常運行期間，噴嘴密封可保持噴嘴關閉。壓力平衡閥破裂壓力在0.5-1.0磅/平方英尺的範圍內，比熱失控事件期間所遇到的壓力小得多，被集成到排氣噴嘴，用於處理由於非熱事件產生的壓力差（例如提供了一種方法，由於車輛改變海拔而帶來的壓力差變化）。中空結構元件包括在所述電池組結構設計之中，當電芯經歷熱事件時，引導流動的熱氣體和材料到排氣噴嘴處。在正常操作期間，由螺母保持在原位來保持排氣噴嘴的密封。在熱失控期間，電池組外殼內的壓力和溫度都會升高。最終，密封螺母融化或者大量地變形使得電池組外殼內的壓力迫使噴嘴密封件脫離噴嘴。然而，由於噴嘴及其安裝組件是用高溫材料如鋼或陶瓷製成的，所以它們不會受到溫度升高的影響，並繼續引導熱氣體走向，以盡量減少個人損失或財產損失[31]。該專利描述並在圖4中示出的配置中，電池室被穿孔。在熱失控事件期間，電池單體內產生的氣體穿過這些穿孔通過電池組的中空引導通道進入空腔中。氣體通過引導路徑從氣體排放噴嘴釋放，脫離電池組。

儘管美國專利8663824中提出的設計在最大限度地降低熱失控相關風險方面非常有效，但是通過其公開的排氣噴嘴設計排出熱氣體僅取決於由電池釋放的熱氣體產生的壓力。出於這個原因，存在這樣的可能性，當只有電芯的數量是有限的熱失控，產生的壓力的狀態可能不夠高無法打破噴嘴密封。在這種情況下，熱氣不會從電池組中排出。由於某種原因，積聚的熱量可能會流入其他電池艙，增加熱失控事件在整個電池組中傳播的可能性。

美國專利8642204提供了一種高可靠性電池組，即使當從電池釋放的氣體量小時也能夠排出熱氣體。在這種設計中，電池組由帶有泄壓閥的電芯組成，該閥在一定壓力下打開以釋放電池產生的氣體。泄壓閥大致位於縱向方向上的中點，一般狀態下，該處由一對薄膜片熱封。在預先確定的壓力下，它們通過打開熱密封部分釋放氣體。然後從電池釋放的熱氣體通過排氣孔排出到排氣管，排氣管將氣體輸送到外部環境。

在這種布置下，排氣管道設有多個進氣口和至少一個吸氣口。吸氣口被連接到冷卻空氣流路，把所述冷卻空氣的一小部分吸入。排氣管引導冷卻空氣，從內部通道流過，從排氣口排出到外部環境。從空氣進口處吸入冷卻空氣流，在排氣管道中形成正壓力，並在排氣管路中形成空氣循環。因此，當從電池釋放出的熱氣體到達排氣管時，它會立即與冷卻空氣一起排放到外部環境中。這種正壓保證熱氣不會長時間留在電池組中，從而提供高度可靠的電池組[35]。

然而，在電池組已經安裝到車輛上之後再為其配置氣體排放機構，可能是額外成本。關於這一點，美國專利8679662公開了一種具有集成氣體排出機構的電池組件設計，包括一個排氣管和一個排氣口，作為從電池向車輛外部的氣體排放的通道。該通風管是一段靈活的軟管，具有近端和遠端。

圖4. 電池組系統，設計用於排出在電池組[31] 的一部分內發生的熱失控事件期間釋放的熱氣體和材料。

近端連接到電池箱殼體，接收可能從電芯排出的任何排放物。排氣口與連接到車體外部的遠端排氣口耦合，將電池排放的氣體疏導到箱體以外。通氣口用墊圈密封。儘管電池組件的質量提供了足夠的夾緊負載，但建議使用緊固件來壓縮墊圈並保持密封。集成設計消除了組裝過程和質量檢驗（如視覺，扭矩或壓力測量）的超額人工成本，從而降低了系統總成本[36]。

3 隔振

常規的電池組結構設計不考慮將不希望的振動隔絕，避免車輛振動傳遞至電池包的問題 [37]。因此，從車輛的頂部傳遞到安裝在車輛中的電池組結構的振動的頻率可以近似等於或小於100Hz [38]。結果，動態機械負載在電氣系統中發展，比如端子連接和電池組中的銅排連接，這會影響電連接的連續性和殼體的疲勞失效。事實上，由於系統缺乏適當的隔振措施，電氣和電子系統已經被認定為市場中電池包系統耐久性失效的主要原因[4]。然而，當電池結構的固有頻率位於100Hz的頻率範圍內時，會出現比電連續性失效更嚴重的問題。該共振導致電池單體的元件之間發生分層，形成電池單體的各個層彼此分離，這是電池循環壽命降低的主要原因之一[39]。

3.1 電池組結構/安裝框架

低頻率的連續垂直振動輸入一旦接觸到高速公路表面，就會傳輸到車輛上。此外，在不平坦的表面上，例如洞，過道或橋台，產生衝擊，導致垂直振動。此外，在不均勻路面行駛會產生側嚮應力，同時，起始和停止期間，或者在停車入位期間，也可以產生縱向衝擊。

儘管沿著Z軸的振動（即垂直方向）被認為是最嚴重的，必須提供垂直和側向支撐以實現電池組外殼內電芯的穩定。為此，壓縮力通常施加到電池組的頂部表面。美國專利7507499示出了一個利用蓋-墊-托結構實現電動汽車動力電池穩定性的專利設計。該設計包括四個梁，通過四個連接器相互成直角連接，形成一個矩形框架結構。每個梁與電池組的四個側面中的一個接合。框架和電池組之間通過張緊螺栓保持正向連接。該裝置使用兩種類型的阻尼墊：平墊和L型墊片，以吸收振動並防止模塊相對於彼此沿著Z軸移動。L形阻尼墊放置在每個角連接器附近。它們抵靠在框架結構上以在拐角處提供相對較小的壓力區域，並且將電池組的各個電池模塊相對地推向彼此; 而平阻尼墊定位在相鄰電池模塊的相對側的下角和上角處。可以用螺栓連接到車輛結構上為電池組提供支撐。

在組裝框架之後緊固張緊螺栓，使得梁在長度方向和側向方向上（即沿著X軸和Y軸）抵靠拐角墊拉動，以將電池包內電池模塊彼此互相推擠到一起。緊固螺栓還壓縮放置在各個電池模塊之間的阻尼墊，使它們相對位置固定。圖5展示了專利中定義了設計的透視圖 [40] 。在設計中，小模組被固定在箱體內，一起形成更大的電池組。將中間的小電池組擱置在外框架的頂面上，這樣位於中間的小電池組不與托盤表面直接接觸。中央框架的橫樑用螺栓連接到外部框架，使其成為單一結構，而外部框架的橫樑可以夾緊或用螺栓固定在托盤上。淺U形托架從外部邊框上伸出，連接電池箱頂蓋。

圖5.採用小型電池組設計的框架結構透視圖 [40]

美國專利8642204還提供一種電池組設計，其中的中空結構件被設置鄰接電池組的外表面。它通過密封部分接觸電池模塊單體，並用作電池模塊的支撐。中空結構部件吸收或使傳播到電池單體的任何振動衰減，並保護電池模塊免受不希望的振動的不良影響。

此外，當車輛以最大抓地力運行時獲得最佳的乘坐質量而幾乎沒有振動傳遞，而最大抓地力獲得的條件是，所有輪胎承載均等的載荷。美國專利8561743公開了一種電池安裝結構的細節，其有助於實現車輛重量均勻分布，同時保持低重心。在此設計中，電池組件包括電池安裝框架，外殼，電池模塊，線束，開關盒，接線盒和控制單元。

圖6.電池安裝框架 [41]的透視圖。

如圖6所示的設計使用矩形安裝框架。它被分成兩部分，前部和後部由焊接在框架上的梁組成[41]。梁構件將前部分成兩個相等的矩形區域。在兩個前方矩形區域中，電池沿豎直方向布置，使得長邊定向在橫向方向上，並且短邊定向在車輛的縱向方向上，而後方矩形部分中的電池被布置為使得最短的一邊朝向車輛橫向。由於這種布置，安裝在後部的電池組的重量與安裝在前兩列中的電池組的總重量基本相等。這樣，電池組件的重心位於電池包橫向與縱向的中值的交點附近。考慮到電動機，電池充電器和逆變器被安置在前部隔室中，電池包重心位於車輛的圖形中心的後部並且在前後方向上的車輛的重量平衡方面是優化的[41]。這種配置的明顯優勢安裝框架可以用於各種類型的車輛。這意味著即使車輛的座椅布局發生變化，通過簡單地改變電池組中的小電池組的數量而不讓電池安裝框架的尺寸發生重大改變，就可以實現最佳的重量分布並由此實現振動隔離。另外一個好處是，它變使得製造商從這種設計的規模經濟中獲得並保持系統相對較低的整體成本。

3.2 電極端子

在電池組中，母線的連接構件被螺栓連接或焊接到電池單體的電極端子。但是，在一段時間內，螺栓通常會鬆動；並且由於傳遞過來的振動，焊接結構可能會產生裂縫。出於這個原因，電池組中的電氣連接在其循環壽命期間不能可靠地保持。

美國專利8580427公開了能夠長時間保持其電連接連續有效性的電池組設計。在該設計中，電極端子由呈錐形的可彈性變形的導電材料製成，其寬度從前端向電池本體逐漸減小。而且，通過在圓周方向上切割槽來將前端的一部分切割成段。這使得電極端子可以容易地插入到連接構件的通孔中。一旦插入連接件通孔以後，上大下小的結構，可防止電極端子與連接件分離。

此外，電極端子被設計成包括一個從前端基部突出的鎖止結構部件。突出部分連接到凹槽並與相連構件相互鎖定。由於突出部分撐開了槽的寬度，所以電極端子壓靠在連接構件的通孔的內周表面上，電極端子和連接構件可以更可靠地保持彼此的連接。

鈹銅和6000系列鋁合金是可用於製造電極端子的可彈性變形的導電材料的一些示例，而匯流條是可以使用導電材料（例如銅）製造的板狀構件。

4 碰撞的價值

車輛總重量小於或等於4536kg的EV必須符合聯邦機動車輛安全標準（FMVSS）305制定的有關在發生前，後和側面碰撞時電解質溢出和電池模塊滯留的指令。電解液溢出的規定在SAE J1766定義也已更新為與FMVSS 305和國際監管要求一致[42] 。為了符合本標準的規定要求，必須保證電動汽車安裝在電動汽車座位區附近的電池包的完整性，以防碰撞時產生足夠的動能壓碎電池托盤安裝到的地板的一部分。

圖7 電池托盤被重新定位動態作為FL OOR變形[43] 。

圖8.吸能梁嵌入件 [44]的詳細橫截面圖。

4.1 後部碰撞

美國專利7070015公開了一種電池安裝系統，該電池安裝系統通過在後部碰撞期間將電池動態地重新定位在擠壓區域之外使得電池包可以有效的保持電池組的完整性。該系統採用一個運動轉換機構，在碰撞發生時，將電池組旋轉至與地板不平行的其他的位置，如圖7所示 [43] 。

所述運動轉換器包括兩個斜面，其一剛性地固定在固定電池包的地板上；第二個斜面作為電池托盤的一部分。在衝擊時，地板的軸向變形驅動第一個斜面向上滑動，與第二個斜面嚙合，第二斜面，向上提升啟動電池托盤旋轉遠離地板。此外，斜面被做了如下設定，地板必須發生一定的預變形，第一個斜面才會起動並與第二個斜面嚙合。該安裝系統還包括限制構件，該限制構件包括靈活組件或者從隔室延伸到電池托盤的隔板。限制構件阻止電池托盤旋轉超過預定位置，從而防止其撞擊乘客艙。此外，電池通過導線連接，該導線的長度使其能夠彎曲以適應電池包在隔室的重新定位 [43]。

4.2 側面碰撞

側面碰撞在兩個方面給汽車安全工程師提出了特殊的挑戰：許多小型車輛的門檻板位置比較低，使得當想要利用車門和門檻實現耐撞結構時，變得非常困難。

美國專利8702161提供了用於車輛的能量吸收和分配側面碰撞系統。如圖8所示，該系統包括一對可摺疊的側梁組件和多個電池組橫向構件，以獲得期望水平的車輛側面碰撞阻力[44]。根據設計，電池組外殼從前部到後部懸架，從左側門檻到右側車門檻跨越整個車輛寬度，與左右兩側的手側梁耦合。電池組橫向構件的數量隨著要在電池組中電池模塊的數量以及電池組的結構特性要求而變化。

通常，空心橫樑用於利用空心結構的高強度重量比。但是，應該認識到，無論是橫樑的結構還是材料，取決於它的放置位置，並且因位置而改變。例如，位於電池組中心的交叉構件比其他交叉構件厚，以在所使用的區域提供額外的強度用於座椅安裝 [44]。

此外，在採用風冷電池的電動汽車中，由於風管的橫截面面積較大，所以最小的封裝空間可用於為電池組件提供交叉支撐。美國專利8276696展示了一種電池包設計，其中利用電池組空氣冷卻通道的入口/出口通道結構，作為結構的一部分，增加電池組的耐衝擊性。根據設計，強制空氣冷卻系統包括用於向電池提供空氣的進氣管道和用於引導來自電池和風扇的氣體的排氣管道。這些管道中至少有一個是作為結構構件來提供結構支撐並保護電池組件安全的。在車輛相對兩側之間延伸的管道，與布置在每側的減震塔相連，為電池包提供支撐和保護。

圖9. 與主要和次要正面碰撞載荷路徑相關的主要部件的透視圖[46] 。

傳統上由塑料製成的導管可以由鋼，鋁，碳纖維或任何其他合適的材料製成，用於EV中。由於較少的部件被使用，它也提供了一種更古老而緊湊的電池包解決方案[45] 。換句話說，這個設計可以實現更高的能量密度（W/ L），但解決不了功率密度（W/kg）和系統成本。

4.3 正面碰撞

在的前部撞擊的事件時，電動汽車的前側構件吸收大部分了衝擊能量。他們通過控制撞擊能量傳遞給車輛其他結構來減少車輛損壞或任何乘客受傷。然而，電動車比傳統的內燃機車具有更高的自重。因此，需要增加前側構件的強度以吸收額外的動能，這進一步增加了EV的重量。附加重量影響車輛的穩定性，可操作性以及以每加侖英里數或同等水平的電池性能。

美國專利8424960公開了一種前軌設計結構，將大電池包集成到車輛框架的EV。圖9提供了根據專利[46]的與前衝擊負載載荷載入路徑相關的關鍵部件的透視圖。所公開的導軌結構包括縱向延伸且在寬度方向上間隔開的一對多邊形多壁通道導軌。多壁通道以相對輕的結構提供同樣的強度和剛度，以最小化其對電池功率帶來的衝擊。每個導軌的前端機械連接到保險杠，另一端安裝螺栓，螺母和螺母保持器通過門下圍板連接到扭矩箱。為了簡化組裝和降低製造成本，保持器使用內部特徵定位在門下圍板內部。在設計中，每個導軌的端部和車輛的保險杠之間插入擠壓罐。它與導軌的上部通道對齊，實現從緩衝器到頂部導軌通道的前部衝擊載荷的直接傳遞。另一方面，下導軌通道增加了每個前導軌的承載能力，同時降低了導軌部分的中性軸。因此，在前部碰撞期間，車輛的前部軌道將衝擊能量傳遞至擠壓罐，擠壓罐吸收全部或部分能量，這取決於衝擊能量的多少[46]。

5 電池組的材料選擇

在車輛運行過程中，電池組的材料在減緩熱衝擊，機械振動等外部載荷方面起著極為重要的作用。因此，選擇合適的材料以滿足電池包穩健性和可靠性設計要求至關重要。

電池包箱體材料，即電池組側面構件和底部構件，由輕質金屬例如鋁或鋁合金製成。金屬外殼確保支撐電池組件重量所需的剛性或堅固性。另外，金屬外殼可以充分承受電池組可以暴露的高溫和高壓條件。此外，由於金屬具有高導熱性，所以電池的熱管理會更容易。表3列出了在各種電動車中用於電池組外殼的材料的一些示例。

表3，各種商用車中用於電池組外殼的材料。

電池組蓋或頂部構件應該由具有電絕緣性和高散熱性的材料製成。用於電池組外殼和箱體的材料也應具有化學穩定性，不應與任何電池組件發生反應。

電池組中的下一個關鍵部件是用於限制熱失控期間電池運動的剛性間隔組件。用於間隔物的材料必須具有相對較低的質量，從而將其對總體電池質量的貢獻最小化。所選擇的材料還應當具有絕緣性和低的傳熱係數，從而確保相鄰電芯之間的熱交換最少。

高溫隔離器優選由可壓縮材料製成。使用可壓縮材料確保電芯附近熔化或安裝支架汽化，不會影響電芯的位置。隔離器的可壓縮性，取決於電池安裝支架的剛性，電芯位置越靈活，越需要使用一個可壓縮墊片，以便它可以維持電芯之間的相對位置。能夠滿足這些要求的材料包括氧化鋁基布和氈，芳族聚醯胺紙，表面塗硅樹脂的玻璃纖維布，丙烯酸類，蛭石，石墨或聚四氟乙烯（PTFE）。

冷卻翅片和散熱構件也是電池組的一個組成部分，選擇合適的材料是非常重要的，因為散熱是電池壽命的關鍵。可以考慮用於散熱構件的材料應該具有良好的導熱性和吸振性。熱導率在0.1- 450 W/mK的範圍內的的材料，傳統上被認為適合用於散熱構件的設計。因此，散熱構件可以通過將吸振材料分散到具有散熱性的基材中而形成。由於碳被認為具有高阻尼特性，任何材料都可以使用碳纖維填料分散到樹脂中，既具有優異的導熱性又具有高吸振性。要求減震墊提供足夠的摩擦力，以消除Z軸即垂直方向的任何運動; 因此它們應該由防滑材料製成。它們還應具有足夠的彈性來吸收振動影響和尖峰影響。用於阻尼墊的合適材料是塑料，例如NYLON，聚苯或聚二環戊二烯。

任何化學穩定且能抵抗熱氣體的材料都可用於排氣管道。排氣可以由樹脂材料，諸如橡膠基材的彈性材料或通過這些材料中的任何材料的組合形成。這些材料允許排氣管的輕量化構造。類似地，排氣噴嘴和用於將噴嘴附接到電池組外殼的裝置由諸如鋼或陶瓷的耐高溫材料例如氧化鋁，氧化鋁-二氧化硅，氧化鋁，碳化硅等製成。

關於密封部或密封墊，希望密封部件由彈性部件或具有高可變形性和耐濕性的材料製成。在另一側上的O形環應當用高熱阻材料製成，諸如佛橡膠，硅橡膠或者佛硅膠，全佛橡膠或者特氟龍。

選擇用於電池安裝支架的材料需要滿足多種設計要求。首先，所選擇的材料應該容易成型，易於製造，同時成本低。其次，在EV應用中，支架的總體質量至關重要。電動汽車組件的一個重要要求是它們的質量應該相對較低。最後，為了盡量減少電池短路的風險，該材料應該是不導電的。因此，為了滿足這些設計要求，電池安裝支架典型地由聚合物製成，諸如尼龍。

6 電池組放置

為了在EV中有效利用空間，必須將電池放置在其他未使用的空間中。從車輛動力學的角度來看，電池組的位置應使車輛的重心保持在較低的位置，並且安裝框架上的機械應力和疲勞最小。從散熱角度來看，應將電池組放置在適當的空氣循環處，以最大限度地散熱。為了解決電氣安全問題，電池組應當被視為電力傳動系統的主要部件，類似於內燃機車輛的發動機。它應位於乘客艙外面，以便高壓部件不會對乘客安全造成任何威脅。

此外，電池組應與車輛結構的前端或後端間隔開，以保護電池免受潛在的影響。對於這樣存儲的理想空間是在車輛下方的車輛中心處，但由於客車有限的離地間隙，任何這樣的支撐結構必須精心設計使用，發揮可用空間的最大效用。表4顯示了不同現代商用車可用的電池組的尺寸及其相對於車輛底盤的位置。

美國專利8561743公開了一種在中央位置將儘可能多的電池放置在EV上而不影響車輛動力學或安全性的方法。該專利公開了一種電池組件的設計，其中的一組電池S1位於前座椅下方，另一組S2位於前排和后座之間的地板下面，以及一組電池S3位於后座下方。

在組S1和S2中，電池以垂直方向堆疊，使得長邊朝向車輛橫向，短邊朝向車輛的縱向，而在組S3中，電池堆疊放置方式如下：最短的一側在車輛橫向上取向。根據車輛主體的下部的寬度，層疊電池的數目或S3組在車輛前進方向上的長度可進行微小調整，因此利用后座、下方的空間放置大量的電池。圖10給出了日產LEAF電池組中方形鋰離子電池組的總體設計布局[41]。

此外，假定組S1的高度為h1，組S2的高度為h2，組S3的高度為h3。通過使高度h1和高度h3比高度h2大，座位下的空間可以更高效的利用，更高數量的電池的可被放置在車輛上，而不影響乘客的空間可用性。

表4

圖10.日產Leaf電池組[41]。

而且，按照這種布局，高度h3大於高度h1。因此，后座的就座水平高度高於前座的就座水平高度。這種安排是可行的，因為它可以為后座乘客提供了寬廣的視角[41]。圖11有助於可視化坐水平和可用於通過這種設計實現後排乘客的更好的角度的示意圖[47] 。

考慮到有效利用客艙空間和提高在碰撞中安全性，電池組被放置在內艙側座位下面地板上。但是，在傳統車輛中，座椅通常通過座椅導軌上的安裝夾具安裝，以調節可用的腿部空間。其結果是，接觸電池組變得受限，並且如果電池組需要維護或更換，后座和座椅導軌需要被暫時拆除，導致維修工作變得困難和低效。

美國專利7743863涉及一種電池承載結構，可以方便地訪問電池組進行維護和更換。該承載結構包括帶有通往車輛後部的踏步結構的車輛地板。

圖11.在日產Leaf中放置鋰離子電池組 [47]。

電池布置在台階部分處，座椅放置在電池上方。採用翻起機構，使座椅可以向車輛的前部翻倒。在這種情況下，座椅的前部用作旋轉樞軸。通過這種設計，翻起機構[48]將座椅朝向車輛的前部傾斜可以容易地接近布置在步進部分的電池組。

7 一個堅固的電池組的模型設計

日產LEAF，特斯拉Model S型和雪佛蘭VOLT電池組是現有的EV的電池組中的經典設計 [49 - 53] 。如第1部分所述，堅固耐用的電池組應具有熱穩定性，可與任何振動進行適當隔離，並能在碰撞過程中保持其結構完整性。鑒於此，日產LEAF已被排除在進一步考慮範圍之外，因為它缺乏有效的電池熱管理系統，這會降低其在極端環境溫度下的性能 [54] 。

在另一邊，國際標準化組織IOS通過國際標準ISO/IEC PAS16898和德國預標準DIN SPEC 91252。前者推動電動汽車電池極柱外部尺寸和連接位置的標準化，應用於不同種類的電動車（即混合動力車，插電式混合動力車和電池電動車），而後者指定電池容量。人們已經認識到，從長遠來看，由於規模經濟的原因，使用更大的電池將為降低成本帶來可能性[55]。因此，德國的預標準規定用於電動汽車的電池應至少具有40 Ah額定值[56,57]。因此，使用3.1Ah電池單體的特斯拉Model S電池組可能需要進行重大結構變更。

在雪佛蘭Volt電池組中，288個鋰離子電池約佔電池組質量的70％，約55％的電池組體積垂直放置在T形鋼托盤中。表5將Volt電池組的能量和功率密度與USABC 40mile PHEV的要求進行了對比。電池組被劃分成4個部分或者叫隔室以創建第一級熱障，並限制熱失控事件受影響的室。此外，非堆疊型單體連接用於電池組應有助於避免重力助力熱失控傳播速率。

表5，雪佛蘭Volt的能量/功率密度與USABC目標的比較[58]

在每個隔間中，泡沫墊片和重複框架元件形成用於在碰撞或熱失控事件期間將單個電池單體保持在適當位置的口袋。此外，通過在每個電池單體之間安裝1mm厚的鋁衝壓板作為冷卻構件，它與每個電池的一側相鄰以散熱，從而提高了Volt電池組的熱穩定性。每個翅片具有相等長度的9個冷卻流道，採取從入口到出口歧管流體，確保每個單體一致的傳熱能力。它們都裝在聚乙烯共聚物塗層的鋁蓋上。不僅聚合物塗層膜反射熱量，使得散熱器獲得更好的熱性能，它還可作為電池模塊，乘客艙和其他組件之間的附加隔離層。硅墊片將電池蓋密封到電池托盤上以提供氣密性電池包設計[58]。

電池艙通過C形結構件和端蓋彼此剛性連接。通過帶有超大槽的鋼製固定支架和尼龍楔形塊，將它們定位並固定在托盤上。超大的插槽可以方便地根據電池部分的位置插入楔形塊。頂部的外部金屬帶和每個隔室底部的四根拉杆限制其垂直和橫向移動，同時兩個端板提供縱向支撐。另外，壓緊支架的邊緣抓住重複框架的底腳並消除艙室的任何可能的垂直運動。此外，通過在電池模組之間和托盤表面放置橡膠隔離器，可以獲得振動，衝擊過程中的較大阻尼 [59]。

最後，將電池組放置在乘客座位下的底盤中央，使其能夠用作車輛結構的半結構元件。同時，它始終遠離車輛的正常碰撞區域，即前部和後部。雪佛蘭Volt的電池組的這種策略性放置，保證在碰撞事件中，電池單體的損傷最小，從而使得車輛的具備較高的防撞能力[60，61 ]。

8 結論

本文回顧了可以最大限度降低電池組故障概率的穩健電池組設計方法：

1） 由於熱失控，機械振動和車輛撞擊，導致的電池組相對運動是常見的電池組失效的原因。限制這一 運動，將是對所有情形下電池的保護。

2） 有許多機械設計特徵可以有效控制電池相對運動，即電池隔片，剛性電池安裝框架和可變形電極端子。

3）包括氣體排放機制的好處是可證明的，這可以防止電池組內部高壓事故的發生。此外，排氣管的中空結構可以在正常的車輛運行和/或車輛碰撞期間為電池組提供額外的阻尼以防止振動傳輸。

此外，通過不同的專利與雪佛蘭VOLT電池組設計中所公開的設計方案的比較，表明電池包系統魯棒性設計的基本原理和結構要求，這些總結如下：

1）在電池包設計中建立適當的熱障是非常重要的。這意味著電池組應在模塊級別進行分區，並且電池隔板應集成在電池級別，從而提供防止熱失控傳播的機械保護。

2）電芯間隔器對於限制可能的電芯移動是必不可少的，在熱失控事件或車輛撞擊期間發生。他們還確保電池熱管理系統的完整性和性能在這些事件中不受影響。

3）正確的垂直和側向支撐是隔振必需的。此外，適當的重量分配可以增強EV的隔振特性。

4）電池安裝框架連接到車輛結構，有助於增加車身的剛性和強度。帶有加強構件的安裝框架在車輛碰撞期間用作負載輸入的傳遞路徑。

5）電池組應該放置在乘客座椅下方的安裝框架的中心，遠離通常車輛結構的碰撞區域，即前部和後部。

參考文獻

本文由「動力電池技術」翻譯整理，只做學習交流之用；其餘圖片來自互聯網公開資料。