電池包箱體，作為整個電源系統(tǒng)的承載，我們期望它發(fā)揮什么樣的作用？一般認(rèn)為需要實現(xiàn)下面幾點功能：

 

防護(hù)等級，我們常說的IP等級，防塵防水性能，目的是為了避免灰塵和水對電池包內(nèi)部的電芯、電氣元件、控制系統(tǒng)電路板等造成絕緣性能的影響，對金屬器件的腐蝕；

 

結(jié)構(gòu)保護(hù)功能，形成一個封閉可控的空間，使得內(nèi)部的元件避免受到外力的擠壓，保護(hù)電芯不會受到物理損傷，不發(fā)生變形，在有限沖擊和振動環(huán)境中不會發(fā)生內(nèi)部短路。有人提出一個名詞“鋰離子電池機(jī)械完整性”指電池在受到機(jī)械過載條件下維持電池正常電化學(xué)功能的性質(zhì)?？梢哉f，鋰離子電池機(jī)械完整性，是電池包箱體結(jié)構(gòu)防護(hù)功能的終極目的了。

 

熱防護(hù)功能，在有限空間內(nèi)，減小甚至隔絕外界環(huán)境溫度對電池箱體內(nèi)部電芯和電氣性能的影響，維持合理的工作溫度，最大化發(fā)揮電池性能，延長電池壽命。

 

 

1 電池箱體保護(hù)功能缺失或者不完善，有怎樣的影響？

 

防護(hù)等級，達(dá)不到防塵防水要求，則電芯和電氣元件的環(huán)境條件處于不可控狀態(tài)。在一般工作環(huán)境中，過量的塵埃，會降低電器件絕緣性能。與之關(guān)聯(lián)的，電氣間隙和爬電距離，防護(hù)等級低的系統(tǒng)中，需要預(yù)留更大余量。濕度過高，除了對絕緣性能產(chǎn)生影響以外，還會引起鋰電池的自放電率上升，導(dǎo)體更容易腐蝕。進(jìn)而系統(tǒng)內(nèi)阻上升，充放電過程中，將有更多的電量轉(zhuǎn)化成歐姆熱消耗掉。

 

電動汽車尤其乘用車對于防護(hù)等級的要求，還有一個更為要緊的考量，就是保證電池包在車輛涉水過程中的安全。乘用車的底盤比較低，而電池包自重很大，大部分都布置在底盤下面。這就使得它幾乎成了電動汽車上，除了輪胎以外，距離地面最近的部分。遇到大雨天氣，電池包從泡泡水是很有可能發(fā)生的。一旦電池包內(nèi)部進(jìn)水，后果非常嚴(yán)重。電池短路，產(chǎn)生大量反應(yīng)熱，引發(fā)鋰電池?zé)崾Э?，短時間釋放更大能量，發(fā)生著火甚至爆炸也是非常有可能的。

 

 

結(jié)構(gòu)防護(hù)，這個含義比較寬。首先是固定，電芯串并在一起，通過結(jié)構(gòu)件形成模組；模組串聯(lián)形成一個完整的高壓電源。這心電芯、電氣元件、電連接器件，物理位置都必須是相對固定的，才能確保各自具備合理空間不至于發(fā)生擠壓、變形。因此，機(jī)構(gòu)保護(hù)需要實現(xiàn)對內(nèi)部器件的完全可靠的固定功能。其次，是箱體不能有過量的變形。箱體變形必然帶來對內(nèi)部器件空間的擠壓，單體電芯的形變，意味著內(nèi)部正負(fù)極的距離發(fā)生變化，設(shè)置直接貼合到一起，這就是內(nèi)短路，后果必然會走到熱失控。最后，是箱體不能出現(xiàn)物理損傷。也就是電池包箱體不能因為外力外物的作用，自己破裂了，甚至外物直接穿過箱體進(jìn)入了電池包內(nèi)部，這肯定是結(jié)構(gòu)防護(hù)的失效。曾經(jīng)出現(xiàn)過這樣的案例，一臺電動汽車在路上開著開著，系統(tǒng)就報警了，強(qiáng)制停在路邊。后來檢查發(fā)現(xiàn)，有一個頭部不規(guī)則的鐵棒恰好被前面的車輛壓過彈起一定高度，待這兩車經(jīng)過，直接插進(jìn)電池包內(nèi)部，一個典型的電池包箱體刺穿的故事。

 

 

熱防護(hù)，這里的熱防護(hù)，需要由箱體、熱管理系統(tǒng)甚至需要隔熱層設(shè)計等協(xié)同完成。電池包箱體，在這里起到的作用就是提供一個有限空間。鋰電池一般的工作溫度范圍在-20℃-50℃之間，如果在這個范圍以外的溫度下工作，則會對電池帶來傷害。溫度過低，充放電能力變差，如果強(qiáng)行充電更是會影響電池壽命。溫度過高，越過一個界限（一般認(rèn)為這個界限是電芯隔膜的溶解溫度），電池將不可挽回的發(fā)生熱失控事故。因此，給鋰電池提供合適的工作溫度，不但是發(fā)揮其最佳性能的需要，更是安全的需要。

 

 

2 電池包箱體通過怎樣的手段，去實現(xiàn)以上三種功能性要求？

 

防護(hù)等級

 

對動力電池包，防護(hù)等級要求 IP67，這是針對標(biāo)準(zhǔn)《GBT 31467.3-2015 電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng) 第3部分 安全性要求與測試方法》海水浸泡的要求來的。IP67具體要做到什么程度呢？6表示防塵等級，解釋為“塵密”，金屬線無法進(jìn)入；7是防水等級，解釋為“短時間浸水”。

 

實現(xiàn)防護(hù)等級的方法，主要是對電池包箱體和上蓋之間的接縫對接方式的設(shè)計和處理，并需要注意很多加工制造的細(xì)節(jié)對密封性的影響。

 

1）預(yù)留的防爆通風(fēng)孔，用防水單向閥封堵；

 

2）電池箱體的上蓋，下底都不能出現(xiàn)漏洞、縫隙，比如穿透箱體采用螺栓連接的形式基本就不能用了；

 

3）高低壓連接器安裝方式防護(hù)等級必須大于等于電池包的防護(hù)等級；

 

4）最主要也是最難的部分是設(shè)計上蓋和下底之間接觸面的密封形式。不同材質(zhì)的箱體，具體密封形式也不完全相同。鈑金箱體，大多采用鈑金凹造型配合密封圈、密封泡棉等密封件的形式，也有的直接采用密封膠處理。鑄造箱體，可以在鑄件上設(shè)計密封槽，配合密封圈，一致性比較好。需要說明的是，選擇具體密封造型和密封墊材質(zhì)的時候，除了考慮當(dāng)前密封效果，還需要考慮整個密封結(jié)構(gòu)的壽命、加工制造的便捷性以及維修拆裝的可能性。

 

 

結(jié)構(gòu)防護(hù)

 

內(nèi)部器件固定的可靠性，考察的是固定結(jié)構(gòu)設(shè)計的強(qiáng)度、剛度，是每一個固定方式的設(shè)計過程決定的；箱體整體的變形量，主要影響因素是電池包的在車體上的固定方式和箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計的強(qiáng)度和剛度共同決定的；最后，抵御外物沖擊的能力，這個純粹是電池箱體暴露面的材質(zhì)強(qiáng)度決定的。有人專門給容易遭受外物襲擊的位置設(shè)計裝甲保護(hù)層。

 

 

熱防護(hù)功能

 

熱管理系統(tǒng)的選擇，在很多系統(tǒng)中都與防護(hù)等級存在矛盾，在電池包這里也不例外。如果沒有人為干預(yù)，密封性越好，散熱冷卻的性能就越差。在防護(hù)等級有強(qiáng)制要求的情況下，熱管理需要在既定的防護(hù)等級基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計。

 

在早期電池包中，最常用的冷卻方式是風(fēng)冷。風(fēng)冷自然需要電池包內(nèi)部空氣與大氣發(fā)生對流才行，因此，不可能實現(xiàn)現(xiàn)在的IP67的防護(hù)等級要求。因此現(xiàn)在的電池包，基本不能再考慮純粹的風(fēng)冷方案（也有例外，據(jù)說有研究設(shè)計了遇水可以自行封閉通風(fēng)口的風(fēng)冷系統(tǒng)，這個還比較高科技，暫時沒有在實際中應(yīng)用）。

 

冷卻的方式很多，相變材料冷卻，熱管冷卻等都有人在進(jìn)行研究試驗。但當(dāng)前比較主流的還是水冷系統(tǒng)。有研究人員做過統(tǒng)計，繪制了一張表格，體現(xiàn)了當(dāng)前一些主流國際車型的冷卻方案，如下表所示。

 

 

 

輕量化

 

除了前面三大類要求以外，還有一個近年被越來越強(qiáng)調(diào)的追求，輕量化。電池包的一個擺在明面的考核指標(biāo)就是系統(tǒng)能量密度，系統(tǒng)功率密度。這類指標(biāo)，要求不能存儲能量的部分，重量越小越好。進(jìn)而出現(xiàn)了很多替代傳統(tǒng)鈑金箱體的方案，除了已經(jīng)被人們熟知的鋁合金箱體以外，還有碳纖維箱體、玻璃鋼箱體、特種塑料箱體等等，多種用于車身的替代材料，都在被研究應(yīng)用于電池包箱體的可能性。這些新材料，在批量不夠的情況下，成本都非常高。另外，箱體質(zhì)量的減少，或多或少會帶來結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的降低，需要我們在兩者之間做出權(quán)衡取舍。