技术｜动力电池系统总布置设计（回顾经典）

  整车厂根据整车车身地板结构，并考虑整车底盘、电器件、内外饰件的影响。同时，结合以下限制条件和满足的要求，初步给出电池包可布置的位置和可放置的空间范围边界。

  1）基于电动车辆的乘员数量、续驶里程等设计目标，初步估算需要的电池包容量大小，并推算出动力电池包的空间需求。

  一般情况下，基于传统燃油车产品平台做改造开发的电动车，其在整车上的布置主要分布在表1所示的6个区域。

  早期的电动汽车，都是基于传统的燃油车进行改装，去掉发动机、变速器、油箱和一些传动装置，这样整车上空出来的空间，是最适合安装电池包的。

  华晨宝马汽车就有一个典型的工字形电池包（图1），在宝马X1车型的基础上，充分挖掘可以利用的布置空间，前后串联的三个高电压蓄电池单元则被安装在车身的前部（前机舱盖下方的发动机位置）、中部（传统的传动轴通道中）和后部（传统燃油箱的位置），这样的设计可以确保更好的前后轴负荷分配，赋予车辆更低的重心，同时让车辆在碰撞发生时更加安全。

  雪佛兰沃蓝达（Volt）是典型的T字形电池包布置（图2），因为它是一款增程式电动车，因此发动机和油箱仍然保留，设计师充分利用了去掉变速器和传动轴后的空间和后排座位下面的空间，将电池包设计成一个T形。

  不管是华晨宝马之诺1E，还是雪佛兰沃蓝达，都是在传统燃油车基础上做了非常小的改动，空间非常有限，能够装载的电池包体积和重量都受限，因此容量不大，续驶里程也有限。华晨宝马之诺1E采用宁德时代（CATL）的磷酸铁锂电池，电池包容量为27kW·h，可达到150km的续驶里程，第一代雪佛兰沃蓝达采用LG的锰酸锂电池，电池包容量为16kW·h，纯电续驶里程为64km。

  要想进一步提升整车的续驶里程，就必须要增加整车的电量，有两个可行的途径：提高电池的能量密度，在同样的空间内存储更多的电量；扩展电池包的空间，增大电池包的体积和重量，进而增加可用电量。

  电池能量密度的提升是比较缓慢的，受制于动力电池技术的进步速度，很难在短时间内大幅度改善，那么就需要在电池包的体积上面做文章，从整车空间上挖掘出更多的空间，来装载更多的电池，存储更多的电量，从而提升电动汽车的续驶里程。

  2015版e-Golf电池包是一个典型的土字形结构（图3），充分利用了整车上可以利用的空间。总电量为24.2kW·h，总电压为320V，容量为75A·h，电池包重量为313kg，体积为229.4L。2016年起，大众选用新的三元电池单体，在原有体积不变的情况下，电池包的总电量达到35.8kW · h，整车的续驶里程也从134 km 提升至200 km。

  吉利帝豪EV车型则是另一款土字形电池包的代表（图4），为了装载更多的电池，吉利还对整车的底盘做了二次开发，腾出了更多的形状规则的空间，用于容纳锂离子电池组。2015 款的帝豪EV采用了宁德时代的三元电池单体，电量为44kW·h，续驶里程达到250km。2017款的帝豪EV，仍然采用同样的三元电池单体，但是对电池包、热管理系统和动力总成做了设计优化，从而使得续驶里程达到了300 km。

  土字形的电池包，可以将电动汽车的续驶里程提升到200～300km，如果想进一步提升续驶里程，就有相当大的难度了，因为整车可拓展的空间已经被挖掘得差不多了。

  受限于传统燃油车的结构局限，不管怎样挖掘可用空间，始终不能实现电动汽车的最优化设计。客户对于电动汽车续驶里程的需求，已经从100km、200km，提升到300km、400km，甚至是500km以上。在这种情况下，电池包和底盘的一体化设计，已经逐渐成为一种必然的趋势。

  这是一种全新的产品思路，整车的设计需要围绕核心零部件电池包来展开，将电池包进行模块化设计，平铺在车辆的底盘上，以最大限度获得可用空间，调整整车的重心位置，同时还可以利用电池包的结构来加强底盘的强度和刚度，也可以利用整车的框架强化对电池包的结构防护（图5）。

  一般安装于B、C、D区：对整车的底盘做了二次开发，腾出了更多形状规则的空间。

  最早采用这种方案来做整车设计的是特斯拉，在畅销的Model S和Model X车型上，特斯拉都采用了电池包和底盘的一体化设计，以达到最优的车辆性能。得益于领先对手的设计思路，Model S车型可以给用户提供多种规格的电池包容量，从60kW·h一直扩展到90kW·h，续驶里程可以达到惊人的526km（P90D版本），这是对传统燃油车做改造所无法达到的。

  在特斯拉的成功指引下，大众和宝马等车企也纷纷跟进，推出了自己的一体式电动汽车产品解决方案。

  大众汽车集团推出了电动汽车专用平台：MEB平台，该平台具有较强的扩展性。这意味着，大众的设计师可以通过改变轴距、轮距以及座椅布局，以应用于更多种类的车辆制造。而安装在底盘上的电池组则尤其引人瞩目（图6），由于完全模块化设计，它允许工程师按照适用车辆的类型来调整电池组的数量和大小，从而满足不同车型的需求。大众汽车集团希望借助MEB平台（电动车模块化平台）将纯电动车的续驶里程提升至400～600km，完全可以达到目前燃油车的标准。

  动力电池系统箱体内部的整体排布有以下建议：排布规整对称；高低压“各行其道”；预留安全距离；电气件、模组隔离；考虑热管理系统。

  模组排布（图7）需要尽量排布规整，使电池包的重心尽量在几何中心，需要考虑电池包配重对整车的影响。

  电连接（图8）在整体排布时，需要考虑高低压线束走线空间、固定高低压线束的位置和结构、高低压连接器的安装位置及连接形式。

  热管理根据电池单体的性能和整车的使用条件初步确定热设计的形式，预留加热、散热的通道和安装空间，确保热设计的合理性和高效性（图9）。

  箱体纵横梁（图10）选择车身上钢板等级和厚度较高部分作为基础，通过受力分析和计算，确定纵横梁具体的结构、材料型号和厚度。

  除了上面考虑的这些因素外，还需要考虑安全、成本、环境等方面的因素，比如安全方面的防火、阻燃、定向泄放，成本方面的减少异型结构等。

  按照电池单体单位体积内的包含的能量300W·h/kg和电池包单位体积内的包含的能量260W·h/kg的目标来计算，电池包系统的集成效率要做到85%，而当前乘用车电池包的集成效率普遍在65%左右，这在某种程度上预示着集成效率需要大幅度提升，才能达成目标。

  要提高电池包的集成效率（图11），有两个可行的途径，一是优化电池包内部的结构设计，大幅度减少电池包内部的组件数量，将更多的组件和功能集成在模组和箱体上，从而减轻重量；另一个是采用轻量化的材料，如采用铝型材或复合材料代替高强度钢，采用塑胶件代替金属件等，也能减轻重量。

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