电池箱的设计原则与要求有哪些？

1、电池箱的设计原则与要求

1.1 新能源车辆对电源系统机械性能的要求

新能源车与普通车的整体要求是一致的，因为增加了动力电源，额外增加了一些要求。主要增加的是系统内的高压防护和安全问题。设计方面需要满足电动车相关标准的要求。国内的主要相关标准有《电动汽车安全要求 人员触电防护》、《电动汽车安全要求 功能安全与故障防护》、《电动汽车安全要求 车载储能装置》、《混合动力电动汽车安全要求》等。主要要求包括以下几方面的内容：

（1） 严格的绝缘要求：任何情况下不能出现触电危险；

（2） 电池若产生气体，该气体不能与乘客接触；

（3） 防水、防尘要求

（4） 满足车辆侧翻、碰撞要求

（5） 管理系统满足EMC/EMI要求

（6） 部分车辆要求电池包快速更换

（7） 应有泄气装置。

1.2 机械设计要求

电源系统的整体设计目标就是希望整套系统的性能尽可能的达到单体电池性能的水平，包括安全性能和电性能等。电源系统的电性能与单体电池的电性能主要参数差别应不超过5%。系统的寿命接近单体电池的寿命。

（1） 电池包尺寸满足车辆装配要求

（2） 多方面绝缘性能设计

（3） 冷却系统畅通，布局合理

（4） 线路设计合理，高压、低压、信号线束分开

（5） 固定牢靠，满足车辆振动、冲击等方面的要求，同时电池箱要进行轻量化设计

（6） 电池组出现安全问题不能影响其他恶化

（7）  电池箱的重量通常在几百公斤，必须考虑电池箱的安装、吊装、装卸与运输，确保电池可以快速固定和脱离车体；

（8） 要根据电池的布置位置，考虑箱体的强度问题。

（9） 要考虑电池箱相互串联的方便性，满足快速安全的串联接口形式；

（10） 要满足现场维修人员能快速对单箱模块的电器元件进行维护；

（11） 导线的布置及固定，要用扎带禁锢在相应的固定点，必须保证导线的接线端子丝毫不能产生晃动或松动的可能性。

1.3 电池包的设计原则

电池箱的基本功能即容纳和保护电池组，其结构必须保证在保留最大的容纳空间基础上满足足够的强度。考虑到节省布置空间，并满足汽车多变的运行环境，电池箱的设计推荐使用框架结构，即边框、底框使用型材焊接。通常的电动车用动力电源系统由多个电池包组成。电池包包括电池模块、箱体、连接线束、管理板等。电池包的设计需满足以下要求：

（1） 满足整车安装条件，包括尺寸、安装接口等；

（2） 电池箱体与电池模块之间的绝缘，电池箱体与整车之间绝缘；

（3） 防水、防尘满足规定要求，电池箱处于车厢外部空间的，要达到IP67的防护标准，在车辆顶部或内部的，通常要达到 IP54以上防护标准要求；

（4） 减少电池包内部使电池产生自放电的可能性；

（5） 各种接口（通讯、电气、维护、机械）等完全、合理

（6） 模块在电池箱体内的固定、电池包在整车上的固定满足振动、侧翻、碰撞等要求；

（7） 温度场设计合理，目标要求电池箱体内部电池温差不超过5℃；

（8） 禁止有害或危险性气体在电池包内累积，更不能跑到乘客舱；

（9） 部分应用（纯电动车）要求快速更换。

（10） 首选标准的规则结构，尽可能避免异型结构。

（11） 箱体应保持平放时为平整状态（不能自然倾斜）。

（12） 装配电池组的箱体的重心位置应保持在箱体中间，偏差应不超过总长度尺寸的10%，或宽度尺寸的5%。

（13） 电池箱选用普通碳钢板；首选厚度2mm，电池箱盖选择1~1.5mm；箱体较大、承重较大时考虑设计加强筋，而不是增加材料厚度。

（14） 电池箱向若采用底盘安装，安装孔位置材质厚度不小于5mm，安装螺栓不小于Φ10；并且在安装固定位置应由加强结构。

（15） 电池箱若采用吊装，吊装位置应均匀设计（避免重心偏离）。各重量范围内的吊装孔数量如下：

吊装位置应有加强结构，吊装位置材质厚度不小于5mm ；吊装螺栓不小于Φ10。

（16） 通讯、电力连接部位有必要设计防撞击机构。

（17） 所有板材、结构件、零部件需选择通用零部件，零部件种类数量的选择以最少为原则。

2  标识与标贴

2.1 高压标识

电池系统标称电压超过60V，必须有高压警示表示。粘贴在电池箱安装在车辆上后对外的平整表面上，当接近电池系统时，应能看见该警告。

如下图4-1，电池系统的安全标志为GB/T4094.2-2005中规定的高压警告/电击危险标志，底色为黄色，边框和符号为黑色。

尺寸统一采用：

                                

（底盘：黄色；边框及符号：黑色）

图4-1 电池箱表面高压警示标识

2.2 铭牌

每个电池箱上必须有铭牌，铭牌内容包括以下内容：电池类型、标称容量、标称电压、电池箱重量、产品编号、出厂日期等，也可打上条形码。铭牌图4-3所示。

   铭牌采用铝材质。

   铭牌背面采用覆胶粘帖，统一采用：

   铭牌尺寸大小为：   50×80  mm       

 

 

图4-2 电池箱铭牌

2.3 警告标贴

电池箱上必须有警告标贴，警告标贴粘贴在当人员接近电池系统时，能够看得见的位置，通常与高压标贴、注意标识等在一起。

警告标贴的内容如图示所示。其尺寸为：

 

图4-3 警告标贴

2.4 接口标记

电池箱的对外接口包括电力接口、通讯接口等，必须有明显标识。标识统一按以下标准或样式制作。

通讯标识：

用“通讯”汉字表示，用黑色字体，大小可以根据电池箱及接口大小进行调整。

电池包串联连接正负标识：

动力电池包的正极（串联端）用“＋”号表示，蓝色字体；负极端用“－”号表示，也为蓝色字体。 字体大小可根据电池包大小及接口大小进行调整。

电池包总正、总负输出标识：

电池系统的总正用 “+ ”表示，红色字体；总负用 “－ ”表示，黑色字体。字体大小可根据电池包大小及接口大小进行调整。

3 电池箱结构强度设计

3.1 电池箱强度应满足的要求

电池箱及其安装电池模块后，应满足以下要求：

3.1.1 耐振动要求

振动在3个方向上进行，先从X-轴开始，然后Y轴，最后Z轴。测试方法参照标准GB/T31467.3-2015。蓄电池包伙系统在测试过程中，单体电池无出现电压锐变现象（振动过程中进行充电或放电，电压差的绝对值不大于0.15V）。电池系统保持连接可靠、结构完好，无装机松动，试验后绝缘电阻值不小于100Ω/V，且试验后状态参数测量精度满足要求。

3.1.2 机械冲击

    25g、15ms的半正弦波在z轴方向冲击3次。要求电池包无泄漏、破裂、着火、爆炸等现象，试验后绝缘电阻值不小于100Ω/V，且试验后状态参数测量精度满足要求。

3.1.3 跌落

    从安装和维修过程中电池包最容易跌落的方向，从1m高处跌落到水泥地面上，电池包无出现泄漏、着火或爆炸等现象。

3.1.4 模拟碰撞

按照标准GB/T31467.3-2015中7.5进行测试，要求电池包无泄漏、破裂、着火、爆炸等现象，试验后绝缘电阻值不小于100Ω/V，

  电池箱的基本功能即容纳和保护电池组，其结构必须保证在保留最大的容纳空间基础上满足足够的强度。考虑到节省布置空间，并满足汽车多变的运行环境，电池箱的设计推荐使用框架结构，即边框、底框使用型材焊接，材料厚度推荐>3mm，型材外面或双面焊接蒙皮。电池箱外形首选规则长方体，并根据布置要求可适当调整。下图为一典型的电池箱结构示图。

 

图4-4电池箱的结构

碰撞保护

电池箱在车辆发生碰撞时，设计应满足下列要求：

a）如果动力蓄电池或蓄电池包安装在乘客舱的外部，动力蓄电池、蓄电池包或其部件（蓄电池模块、电解液）不得穿入乘客舱内。

b）如果动力蓄电池或蓄电池包安装在乘客舱内，电池箱的任何移动应确保乘客的安全。

c）发生碰撞时，动力蓄电池、蓄电池包或其部件（蓄电池模块、电解液）不能由于碰撞而从电池箱内散落，尤其避免从车上甩出。

d）发生碰撞时，电池箱必须第一时间保证电池组的过流断开装置切断连接，并防止动力电池组短

3.2 箱体设计要求

1) 箱体基材为2mm热浸镀锌钢板（SGCC），箱盖基材为1.5mm热浸镀锌钢板（SGCC）；

2) 箱体表面须整体喷塑处理，细砂纹，颜色灰色（RAL7035）；

3) 箱体外观无撞伤、划伤、毛刺、锈迹、凹坑、凸起等现象，箱体各棱边需倒钝，倒角外圆半径不超过3mm；

4) 箱体焊缝应满焊或50mm以上段焊，焊缝高度低于2mm，无虚焊现象。箱体内部可能与外界相通的焊缝处涂密封胶，厚度1mm～1.5mm；

5) 箱体内部金属隔板须喷耐高温绝缘防护漆，颜色（RAL7035）；

6) 箱体底面、侧面做底盘装甲（复合高分子-树脂混合橡胶材料），涂层厚度2～3mm；

7) 箱体防护等级达到IP67标准；

8) 未注公差按GB/T 15055-M执行。

4  电池箱密封设计

未直接暴露在外部环境中的电池箱体，一般要求防护标准达到IP55以上（如安装在车辆顶部、车辆行李箱内等）；直接暴露在外部环境中的箱体，要求防护性能达到IP67要求（如安装在车辆底盘上）。

4.1密封设计

4.1.1箱体的密封

（1）箱体结构设计

1）密封结构

箱体四周、四角尽量少用焊接，焊接有可能留下缝隙，焊接处要详细检测；

折边低于箱体上沿，形成挡水结构；

2）箱体上盖的密封

箱体尽可能避免用下边密封，采用上盖密封结构；

箱体上沿四周折边宽度不低于超出的上沿高度，根据电池箱的重量，若电池箱为吊装结构，计算折边的压强，变形在可接受范围内，四周折边可用方形钢管焊接。

四周密封采用蛇胶密封，蛇胶宽度与折边密封宽度一致，厚度为3mm左右，蛇胶接头处不得留有缝隙。

四周用螺栓将上盖和箱体上紧。螺栓孔直径不超过折边面积的1/2，尽可能采用较大的螺栓，螺栓间距以计算的不变形的压力为准。四角位置可多设置螺栓。

（2）线束的密封

    动力线束、通信线束杭叉端口处应用密封胶进行密封。

4.1.2 防水

    不同的电池有不同的优缺点，视使用电池的外形及性能来解决电池的散热问题，防尘问题，防水问题；一般采用吸风式散热，这样可以快速将电池箱体内部的热空气排出，导入温度较低的外部气流来循环带走电池表面的热量，主动控温。随之而来的问题就是防尘，这个问题很好处理，就是选材和结构处理的解决方式。电池的箱体的密闭性要考虑，导线进出口的密闭性，耐水性是很重要的。

4.2 防爆阀

电池组应用过程或出现安全事故情况下，电池内部有可能释放气体。对于锂系列电池来说，电池内释放出来的气体大部分都是易燃、易爆的，这些气体积累到一定程度就会爆炸，一般要求电源装置内部(除蓄电池外)任何地方，易爆气体聚集的浓度不超过0.3％(体积比)。所以如果采用通风冷却设计，电池的泄气阀必须与冷却通道相通，使产生的气体尽快排出电池包外面；若采用液体介质或其他方式冷却，必须设计排气装置，使气体排到大气装置。避免内部压力上升引起电池箱变形、膨胀，带来安全隐患。

选用的防爆阀为：惠州沃瑞科技 ，直径12配螺母。外观如下图所示。

 

图4-5  泄气阀

5电池箱绝缘设计

5.1 电动车对电池箱的绝缘要求

电动客车用电池组输出电压高达500伏以上，电池箱除保障容纳电池外，必须有效隔绝操作人员和乘客与电池的接触。设计要求如下：

1） 电池箱必须有效接地，与电池间的绝缘电阻值是为了满足安全目的而确定的一个足够的值。要求在动力蓄电池的整个寿命期内，该绝缘电阻值除以动力蓄电池的标称电压U，所得值应大于120 Ω/V。

2） 电池的两级以及两级的连接板与电池箱的最小距离必须>10mm，防止击穿放电。

3） 电池箱内部涂覆绝缘漆。

4） 电池箱的散热通风口和电缆连接线必须布置在电池箱2/3高度以上，推荐布置在箱体上端。

5.2 爬电距离要求

   是为了解决在正常工作状态下，由于电解液泄漏，电池模块的连接端子（包括与其相连的任何可导电的连接件）与任何可导电部件之间的附加的泄漏电流的危害。

 

图4-6 爬电距离

不适用于不发生电解液泄漏的动力蓄电池。不适用于在使用过程中不会发生绝缘下降（外部裹敷绝缘层）的导电体。

电池包内线束比较多，包括电压采集线束、温度采集线束、动力线束等。动力线束应与电压采集和温度线束隔离。线束应采用耐高温导线。动力线束与通讯线束完全隔离，降低干扰。

爬电距离应满足GB/T18384.1对爬电距离的要求。爬电距离：连接端子的带电部分和电底盘之间、或两个电位不同的带电部分之间的沿绝缘材料表面的最短距离。

按下列方法确定爬电距离：

a）两个蓄电池连接端子之间的爬电距离：d≥0.25U+5

d：被测试验用动力蓄电池的爬电距离，mm

U：蓄电池两个连接端子之间的标称电压，V。

b）带电部件与电底盘之间的爬电距离：

d≥0.125U+5

d：带电部件与电底盘之间的爬电距离，mm

U：带电部件与电底盘之间的标称电压，V。

5.3 绝缘层

    电池箱体为金属材质，箱体内部与电池之间应有绝缘阻燃层。具体要求符合相关产品规定。绝缘电阻应大于10MΩ；介电强度应大于AC2500V。

 

图4-7绝缘层

5.4 绝缘电阻与耐压

根据电动汽车和人体安全标准，在最大交流工作电压小于660V，最大直流工作电压小于1000V，以及整车质量小于3500Kg的条件下，电动汽车的高压安全要求如下：（1）人体的安全电压低于35V，触电电流和持续时间乘积的最大值小于30mA.s；（2）绝缘电阻除以电池的额定电压至少应该大于100Ω/V，最好是能确保大于500Ω/V；（3）对于各类电池，充电电压不能超过上限电压，一般最高不超过额定电压的30%。（4）对于高于60V的高压系统的上电过程至少需要100ms，在上电过程中应该采用预充电过程来避免高压冲击；（5）在任何情况下继电器断开时间应该小于20ms，当高压系统断开后1s，汽车的任何导电的部分和可接触的部分对地电压峰值应当小于42.4V（交流）、60V（直流），储存的电量应小于20J。

要求在动力电源系统的整个寿命期内，根据标准计算方法计算得到的绝缘电阻值除以电源系统的标称电压，所得值应大于100Ω/V。包括电池包箱体与电池模块之间的绝缘、箱体和整车之间的绝缘。在常规环境条件下，要求绝缘电阻不能低于20MΩ。

电池箱上盖与电池箱底座之间、电池箱进风口与风机接口及通风管道之间除了用绝缘密封橡胶相联外，同时还使用固化后可在-50-150℃温度范围内不会干裂、剥落、老化并保持橡胶弹性与良好密封性能的硅酮玻璃胶，以确保密封要求。

电池包动力引出接线装置可以选用标准的高压航空插座，也可以选用接线柱等形式，选用接线柱时需注意接线柱与电池包箱体之间的绝缘，以及两接线柱之间的距离必须满足爬电距离的要求。

电池包内外所有导电部件不能出现毛刺等现象，避免产生电弧。

电池包内电源装置内部相邻蓄电池之间最大放电电压不超过24V时，极柱之间的爬电距离不小于35V，则每超过2V，爬电距离应增加1mm；

电池包与车体之间的绝缘一般采用绝缘子的形式，用绝缘子支撑电池包，并将电池包与车体之间绝缘。管理系统还实时检测电池包与车体之间的绝缘电阻，严禁漏电现象。

水水冷电池组，需要注意塑料外壳与冷却剂的绝缘。塑料的电阻与温度的关系非常大，电池组的绝缘电阻20度时为5000MΩ，65度时就降低到5MΩ。

金属结构的箱体和箱盖的内表面均应采用耐酸绝缘材料予以覆盖。覆盖层应牢固可靠。在规定的使用年限内不应脱落和损坏。

电池包盖上表面加设10mm的绝缘凸台，不但增加电池之间的爬电距离，而且能够有效避免液体和粉尘的积聚。连接线的生产与焊接严格按照防爆电源装置用连接线的标准要求进行。连接线裸露部分加盖绝缘塑料护套，以增加蓄电池组表面的绝缘性能。蓄电池组底部与电源装置箱体之间应装橡胶绝缘垫板。以增加箱体与蓄电池之间的绝缘性能。

6 电池的加热和冷却设计

6.1 电池箱内温度的控制目的与目标

控制温度的目的是使电池在最佳环境温度下工作，保障车辆的正常运行（包括充电），提高电池的安全性与可靠性，并提高电池的使用寿命。

内部环境温度的差异一般控制在5℃以下，最高温度控制在55℃以下，加散热控制的话控制在40℃以下。锂离子电池不适宜低温充电，充电温度一般控制在0℃以上，并且在10℃以上再适应0.5C以上的电流。

6.2 散热控制与方法

6.2.1 锂离子电池应用过程中的产热计算

产热量可以根据电池内阻与充放电电流等进行计算。电池内阻是直流内阻而不是通常所说的交流内阻，电池功率性越好，其直流内阻越低，产热相对少。电池产热只进行估算，没必要进行详细的计算。

（1） 依据充放电电压曲线及SOC~OCV曲线计算

     此过程也为简单计算。未计算反应热，无副反应热。

     以电池模块充电过程为例：

    以24V120Ah磷酸铁锂电池模块为例，采用0.5C电流充电，充电至28.80V后转恒压充电，直至电流小于0.1C，充电完成。

 

图 4-8     24V120Ah磷酸铁锂电池模块充电产热计算

首先测出电池在不同SOC下的电压值。根据电压差别用EXCEL软件进行曲线拟合，拟合曲线为：

y = -191.91x6 + 544.49x5 - 573.57x4 + 278.6x3 - 61.809x2 + 4.8323x + 1.1076   

对此函数进行积分，计算充电过程中产生的热量：

   

Q为充电过程产生的热量，X为SOC，I为充电电流，在恒流充电阶段其值为0.5C，转恒压充电后逐渐减小。

也可以根据实车采集数据计算产生的热量循环过程中产生的热量     

E为电池在该状态下的平衡电压，可以用在该状态下的稳定开路电压来替代，V为该状态下的实测电压，I为该状态下的实测电流。

（2） 根据直流内阻估算

    电池的直流内阻通常为交流内阻的1.5~2倍，不同厂家的电芯表现出来的数值不同（可以通过实验测试），充电和放电过程的数值也有差别，可以根据直流内阻估算电池在充电过程或放电过程中产生的热量。

        Q=I²Rt

I为充电电流，R为直流内阻，t为充电时间。

散热和加热需考虑电池自身热容，锂离子电池热容按900J/Kg.K考虑。

6.2.2 电池箱加热设计

实际上蓄电池成组密集摆放，四周与中心的散热条件不同。各个蓄电池表面散热边界条件不同，从而造成整体存在温差，即中间产生热量集聚温度高，边缘温度低的现象。

加热可以采用加热膜（加热电阻）等方式进行加热，加热膜与电池组带电部件之间的绝缘层不低于1mm。

 

图4-9

加热膜的要求：

额定电压：与电池组电压相同

功率密度：由升温速度决定

介电强度：1500V/min

绝缘电阻：100MΩ

阻燃等级：UL94V-0

持续工作期间最高点温度：≦80℃

加热膜功率计算：

根据电池组要求的升温时间（一般-20℃升温到可充电温度-0℃）来计算所要求的加热功率。加热功率按下式计算：

P=Q/(ηt)=M·C·ΔT/(ηt)

M为电池组质量，C为电池热容，ΔT为温升，η为加热效率，t为加热时间。

.6.2.3 加热电源与控制

无特殊要求，仅在充电期间进行加热，采用充电机电源为电池组进行加热。

根据电池组温度对加热进行控制，温度低于0℃开始进行加热，达到10℃停止加热。

6.3 电池箱的冷却

6.3.1 气体冷却

    风冷散热结构设计规则：

  1）进风口尽量位于车身风源丰富，并且没有其他热源的位置，防止通风不畅。

  2）根据电池箱容量的大小和电池放热特性匹配散热风流量，并保留足够的安全系数。

  3）电池箱内部通过挡板等导流方式引导内部气流流向，保证每个单体电池充分散热。

  4）进排风口位于电池箱上部2/3以上的空间，避免运行中有水进入。

   5）如遇突发故障，必须保障电池电源器断后散热风扇才切断。

   6）采用吸风式。

 

 

图4-10 电池箱通风散热与防水

        1 散热风扇推荐布置位置1；2散热风扇推荐布置位置2；3线速推荐布置位置

6.3.2 液体冷却

要求密封达到IP67的电池箱，冷却设计采用液体冷却（含加热）。

液冷装置应遵循以下几点：

（1）从降低成本考虑，液冷必须与加热一起考虑；

（2）简单有效。接口尽可能少；

（3）电池组工作过程中温差小于5℃；

（4）整个寿命期内要保证接口的可靠性，不能产生渗漏等现象；管道应防腐；

（5）最好有专门的发生漏液后的液流通道，并且泄露后液体不能直接滴或流到电池上；

（6）冷却液应抗低温，冰点温度应≦40℃；考虑成本等因素，首选50%的乙二醇溶液；

（7）有凝露产生的可能性，需要除凝露；

（8）成本要低，重量要轻。

通常选用铝板作为散热板，为提高传热效率，对于圆柱电芯，可直接对电池模块端面的汇流铜排进行冷却。储液箱接在电池箱外部，也可与整车冷却系统结合考虑。通过散热器/加热器对储液箱进行冷却或加热。

7  电池箱灭火装置

对于由超过4个电池包组成的电池系统，使用下述灭火装置。电池箱外置灭火装置，灭火剂装在外置灭火箱内，灭火箱与各个电池箱有管道进行连接并有通讯控制。

 

图4-11多包用灭火装置

对于4个以下的电池包，建议使用单包的小型灭火装置。每个灭火装置的适应灭火有效空间为0.1-0.2m³。

 

图4-12 单包用灭火装置

8 电池箱表面处理

除用户特别有规定外，电池箱体颜色为黑色或浅灰色。

电池箱体建议采用电泳处理，再涂装甲漆。

9 电池箱内电池组设计

在电池组设计时，多个电池组合的高压系统其设计方式直接影响到安全性能。设计时要注意：

l 动力连接间距应尽量短。

l 相邻电池之间电压尽量低，提高安全性能，相邻两个电芯之间电压不超过60V，否则必须用绝缘材料间隔开。

对于同样的50串的电池组，电池有如图所示的两种连接形式。

        

a                             b

图4-13 电池的排布与连接

采用a的组合方式，虽然正负极引出线比较短，电池包内线束排布看起来比较合理，但总正总负两只电池相邻，之间的电压高达160V，在湿度高的情况下极容易出现电弧现象，使电池烧坏。b的组合方式虽然电池包内动力引出线较长，但不会存在这样的问题。

当电池组由几个电池包串联组成高压系统时，有些还要在电池组之间加继电器或空气开关等，便于维护、故障时切断电源，将高压系统形成几个低压电池组。