摘要

本文主要分析了新能源電池包的結構設計方案及策略，從電池包的本征安全、主動安全、被動安全整體介紹及如何進行整包被動安全防護幾個方面入手，在此基礎上，以電池包整體的設計為切入點，分享測試方案及數據等。

電池安全是新能源車型安全的核心

隨著純電動汽車快速普及，保有量大幅增加，動力電池的質量問題也日益凸顯。其中，熱失控是影響動力電池安全的最大誘因，據2011-2019年事故調研數據顯示，熱失控擴散導致動力電池出現安全問題的比例占50%以上。

一般來說，動力電池起火原因主要包括電池部件老化、外部碰撞、高溫天氣、電池熱失控、高負荷等五個方面。而外部碰撞和高溫天氣屬于外因，電池部件老化、電池熱失控、高負荷則與動力電池質量、熱管理系統等相關，往往是自燃的直接導火索。

數據來源：EVS-GTR會議

電池包的設計需要考慮什么？

電池包的尺寸，整車底盤有很多零件，放置電池包的空間是有限的，要滿足整車的空間要求，其次也得滿足整車的純電續航里程的要求，這就能直接轉化成，這個電池包需要設計多少度電了。然后就是選擇電池了，包括電芯的形式，方殼，軟包，還是圓柱，每個電芯的容量是多少，然后了解整車其他用電器的工作電壓的范圍，這個決定著我們電池包的電芯是用幾并幾串的，BMS在監控電池包電芯的時候會對電芯的串聯并聯有要求的。

電池包的組成

原材料選擇

主要原材優選以及有效改性，增強電芯的熱穩定性，避免熱失控。

正負極材料：

· 優選動力學性能優異的負極材料，降低析鋰風險

· 負極顆粒表面熱穩定性包覆，電解液負極成膜添加劑，保護材料表面

· 正負極材料表面通過電解液溶劑和添加劑的反應，會形成SEI/ECM保護膜，阻止材料進一步反應惡化，提升材料穩定性和安全性

電解液：

· 電解液阻燃添加劑

· 改進配方、提升閃點以及電解液體系的蒸汽壓，實現阻燃效果

隔膜：

· 高耐熱PET、芳綸等基膜，減低電芯內短路風險

· 表面熱穩定性涂覆，降低隔膜熱收縮

結構件設計

鋰電池包主要由承載框體（下框體、上框體）、鋰電池、高壓連接組件（如高壓接插件）、低壓連接組件（如低壓接插件）等組成，見下圖所示。

鋰電池框體不僅作為各零部件承載體，也充當著連接整車的“橋梁”，鋰電池通過鋰電池框體安裝結構裝配在整車上。

為了便于安裝、維護，承載框體一般分為上框體和下框體。下框體主要承載器件，承擔電池系統更多的重量；上框體則一般主要起防護作用，承重要求較小。

電池包主動安全設計

熱失控檢測：通過溫度，電壓的監測結合定時喚醒的功能，能在電池包熱失控發生前，向車輛發出報警，保證人員人身安全。

電壓檢測：實時單體電壓檢測

根據電芯性能，設定電壓閾值和壓降速率閾值來定義熱失控是否發生

溫度檢測：實時模組溫度檢測

根據電芯性能，設定高溫閾值和溫升速率閾值來定義熱失控是否發生

防誤報設計：冗余設計

為了防止誤報，對檢測時間和檢測條件進行了冗余設計，以增加策略判斷的可靠性

喚醒策略：實時喚醒策略

BMS休眠后，每隔一定時間自動喚醒。喚醒后，檢測當前溫度和電壓值

電池包被動安全設計

電池熱失控路線：通過熱失控的“5重防護”設計，最終實現電池包的“0”熱蔓延（即單個電芯熱失控，不會蔓延至相鄰電芯或模組）

電氣絕緣耐壓設計：如出現絕緣失效會造成嚴重的短路情況，為避免二次絕緣失效，通過客戶需求的最大工作電壓Vmax，以及工作海拔來做相應的絕緣設計

雙重絕緣設計：模組設計采用雙重絕緣防護：電芯本身有一層絕緣電芯藍膜及電芯頂貼片可以滿足絕緣耐壓要求，端側板與電芯間、電芯與底部安裝面間均有絕緣紙進行防護，絕緣紙均滿足絕緣耐壓要求。

結構安全測試：像震動、沖擊、包括碰撞等，能夠監測到的或短周期能夠出現的這種問題相對好解決，如長周期出現才能監測到的問題如何來進行，所以就通過端板和側板模組的焊接測試，根據模組循環與膨脹力的關系，設計模組端側板的焊接強度要求和指標。

熱失控防護方案：通過熱失控防護設計，實現電池包熱失控的5重防護：傳感器提前預警、電芯間的隔熱設計、模組間增加阻熱間隔、引導熱失控排氣按照特定通道排出、優化防爆閥選型。

結論

本文分析了目前電池包結構設計流程和仿真研究現狀，PACK級別被動安全設計理念、如何開展整包被動安全防護（根據電芯熱失控表現進行整包防護設計，仿真及策略等），另外電池包熱分析、動態分析以及碰撞分析等方面的研究也將是接下來的研究的重點。