2018年02月28日 | 我的动力电池系统设计：结构“三 + 6”模式

前言

在新能源、智能化高速发展的今天，车已经从单纯的交通工具，逐步成为一种全新的生活方式。既然技术让生活变得多彩，对车产品“设计”的目标和要求，就不能墨守成规，停滞不前，需要不断的调整和创新。

动力电池系统是新能源车辆的核心部分。系统结构，又是保障其功能完整性、安全性的重要环节。从近几年全球产品分析来看，结构设计，发展非常迅速并趋于成熟。也不乏精品出现，技术达到炉火纯青。

我通过多年系统集成设计，也在不断摸索和总结。逐渐形成用于自己设计工作的一套方法：结构“三+6”设计模式。并在多个项目中应用。取得不错的效果。当然了，随着认识的提高，还在不断的总结和扩展。

本文重点介绍电池系统 “三”大结构安全性设计，并通过leaf 经典案例，把 “三+6”思想贯穿起来，便于理解。

“三+6”模式是什么：从字面不难理解：“三”代表大结构；“6”代表功能单元小结构。主要是对电池系统众多不同功能结构和功能特点重新梳理和定义。突出其设计要点。

“三+6”模式优点：让设计“有的放矢”。让功能设计“更完整”。

“三+6”模式，让需要“强”的地方更强：例如框架的功能安全设计。功能完整性：例如电池系统壳体设计发展，从单纯的“箱子”简单结构形式，向融合了多种特性元素的“先进壳体”进步。

“三 + 6”模式特点：理解关联性，细分“大”结构，强化“小”结构。

下面是leaf结构爆炸图，结构单元的复杂性可见一斑。同时，结构元素关联性又非常强，内框架结构不仅仅要兼顾对模组的承重，还要考虑安全特性设计、支架特性设计等。所以，需要把大结构元素提炼出来，重点设计。再如IP小结构，看似小结构需求，但其设计难度很大。不单单是胶条的设计，还有多层密封结构，其密封精髓“冗余”设计（就是内护板的“牙边”结构）、“压缩量”密封本质，非常有特色。更需要强化设计。总之，结构关系千丝万缕。需要把这些结构特性因素区分和归纳，突出其主要特点，兼顾其它特性。接下来，就一些结构“点”设计，进一步展开和分析：

1）    框架结构：是最重要的“三”大结构设计灵魂，重点在“安全”

在我们早期新能源车设计中，很多是在现有车身改制而成。并非正向设计。电池系统与车身结构被动配合，系统结构也多采用了“箱子”结构设计（也是简单设计的代名词）。通过一定厚度钢板折弯、拼焊就完成了设计。承重功能主要依靠“厚度”解决。加上仿真也不充分，导致电池系统箱体出现开裂、支架断裂。这种结构功能设计模糊，承重、加强、防护、等诸多功能于集于一体。很难做到安全。功能完整性也得不到保障。

 “三”大结构，框架结构设计不同，功能定义非常明确。例如，内框架主要任务是完成模组的承载，例如可以采用1.5mm、1.8mm 中高强钢完成；外框架结构，类似于内框架设计要求，只不过它的作用是对系统的承载，通过支架，完成和车身的装配结合；防护面板（含下壳体防护面板、上盖板），下壳体防护板，在内、外框架之间，没有承载作用，只是完成对系统的防护和封闭。这时候，因为不承担重量，板材可以做的很薄，leaf 板材厚度实测0.7mm（磨漆后）。大大减轻了系统结构重量。其上盖板尽管板材薄，但感觉没有变形，强度很好。这就是通过设计达到的目标。

在轻量化方面，我们做过一个计算（以约1500×1200×45mm包络结构），采用框架结构设计后，减重可以达到约20%，更重要的是“安全性”通过结构设计而加强。真正让设计“有的放矢”。

（图示有色部分为内/外框架，白色为防护板）

2） 对电池系统保护的“多层”安全结构设计

第一层 来自车身的安全结构：当然，这一层不是电池系统结构所能为，需要车身来设计。但需要电池系统提出需求，配合整车完成集成设计。

正碰后的状态：

 
第二层  来自壳体材料设计：多种材质应用，满足结构功能需求
 

选用不同材料，更是“有的放矢”的完美体现。也是系统轻量化要求。毕竟电池系统太重了。需要减负。当然了，从成本角度，不太适合小批量或样品生产制作。更适合量产产品。

第三层 来自结构特征设计的保护：馈缩结构是完成碰撞“后”的吸能，是被动的防撞结构；外框空心内加强梁结构是碰撞“前”主动防撞结构。它既起到了加强作用，也兼顾了轻量化。这个结构特征，在Tesla 也有应用（其实在车身设计中，是非常成熟的技术）。但是，在电池系统壳体设计时，很多时候并没有把这种技术移植过来，有时一味的追求轻量化，而牺牲了安全结构。

第四层 布置结构，对插件、电气盒的有效安全保护
 

我们都知道ASIL 评级中，一般把电气盒（继电器）功能安全定义为 C 等级，但从整个电池系统来讲，从失效台阶顺序分析，也是不允许先于其它系统零件失效。所以，从设计保护角度，是需要重点考虑的。我们看leaf 设计，基本都放在了系统和车辆的“中心”位置。Tesla 、volt 也是这样设计的。

这一点，非常值得学习。我们又是如何做的呢？两个字：设计 “任性”。把插件或维修开关布置于系统或车辆位置的侧面（出于操作方便或结构限制等原因进行了让步设计）。车辆在侧碰撞状态，侧面是薄弱的，这个时候，布置在侧面的电池系统插件，风险和失效的发生率将大大增加。

上述分析，主要着重框架结构及安全重点设计。主要想说明，只有在结构功能清晰的同时，设计才能突出重点。当然了，我们同样会提出一个问题，面对今天多种材质（非金属壳体、铸铝壳体、挤压铝材拼焊壳体）、多种结构形式（箱式、半箱式、托盘），“三 + 6”模式可以适用吗？让我的小结来回答。

小结

1、“三 + 6”模式，提练的是设计精髓。是适合多种材质、多种形式壳体的。只不过，在具体设计时，会存在一定的局限性、轻重选择的问题。比如，托盘式的挤压实验，就没有箱式框架设计后的壳体效果好，是因为结构形式所限。这一点我非常有感触（我正好目睹国外两款某知名品牌电池系统的挤压实验，得出的结论）

2、“三 + 6”模式 可以帮助我们把结构设计元素“标准化”。方便移植到不同项目，成熟的设计可以减少设计失误。

3、“三 + 6”模式 更看重的还是“安全”设计 。这是核心。

注解：为什么更多引用leaf 说事

首先，leaf 在安全性设计方面，堪称是经典之作。理由是leaf从2010年12月发布第一款到2016版，尽管电池系统能量密度不断提升，电芯调整，模组框架调整，但其结构设计精髓没有变化。特别是从2010版获得五星级碰撞殊荣（欧洲安全性能）算起，其销量几十万辆，极少听说来自电池的安全事故，取得的成功，恰是这些基础设计堆积起来的。

其次，对比tesla、宝马等壳体结构设计，leaf仍然不输于他们。同时也发现有很多相似之处。至于说，谁学习谁的，就不得而知了。让我们站在巨人肩膀上进步，这是真理。