电池包壳体设计要求与选材

电池包是新能源汽车核心能量源，为整车提供驱动电能，它主要通过壳体包络构成电池包主体。

模块化的结构设计实现了电芯的集成，通过热管理设计与仿真优化电池的安全保护及连接路径；通过BMS实现对电芯的管理，以及与整车的通讯及信息交换。电池包组成主要包括电芯、模块、电气系统、热管理系统、壳体和BMS。

动力电池系统设计要以满足整车的动力要求和其他设计为前提。同时要考虑电池系统自身的内部结构和安全及管理设计等方面。设计流程为：确定整车设计要求、确定车辆功率及能量要求、选择匹配合适的电芯、确定电池模块的组合结构、确定电池管理系统及设管理系统设计、仿真模拟及具体试验验证。

电池包壳体设计要求

电池包壳体作为电池模块的承载体，对电池模块的安全工作和防护起着关键作用。其外观设计主要从材质、表面防腐蚀、绝缘处理、产品标识等方面经行。

要满足强度刚度要求和电器设备外壳防护等级IP67设计要求并且提供碰撞保护，箱内电池模块在底板生根，线束走向合理、美观且固定可靠。

1、一般要求

（1）具有维护的方便性。

（2）在车辆发生碰撞或电池发生自燃等意外情况下，宜考虑防止烟火、液体、气体等进入车厢的结构或防护措施。

（3）电池箱应留有铭牌与安全标志布置位置，给保险、动力线、采集线、各种传感元件的安装留有足够的空间和固定基础。

（4）所有无极基本绝缘的连接件、端子、电触头应采取加强防护。在连接件、端子、电触头接合后应符合GB 4208-2008防护等级为3的要求。

2、外观与尺寸

（1）外表面无明显划伤、变形等缺陷、表面涂镀层均匀。

（2）零件紧固可靠、无锈蚀、毛刺、裂纹等缺陷和损伤。

3、机械强度

（1）耐振动强度和耐冲击强度，在试验后不应有机械损坏、变形和紧固部位的松动现象，锁止装置不应受到损坏。

（2）采取锁止装置固定的蓄电池箱，锁止装置应可靠，具有防误操作措施。

4、安全要求

（1）在试验后，蓄电池箱防护等级不低于IP55。

（2）人员触电防护应符合相关要求。

在完成整个动力电池系统的设计后，制作好的动力电池系统必须经过台架性能测试，验证是否符合设计要求，在经过装车试验，对系统进行改进和完善。相关行业标准如下：

电池包壳体的选材

电池壳体是新能源汽车动力电池的承载件，一般是安装在车体下部，主要用于保护锂电池在受到外界碰撞、挤压时不会损坏。

传统车用电池箱体采用钢板、铝合金等材料铸造。然后对表面进行喷涂处理。随着汽车节能环保和轻量化发展，电池壳体材料也出现了玻纤增强复合材料、SMC片状材料、碳纤增强复合材料等多种轻量化的材料选择。

☞钢制壳体。钢制电池包壳体是最原始的动力电池包壳体材料，一般采用铸造钢板焊接而成。强度高、刚性高，质量重。表面需要进行防腐处理，使其在长期高温条件下仍具有较好的防腐效果。

☞铝合金壳体。汽车动力电池包采用铝合金材料具有易加工成型、高温耐腐蚀性、良好的传热性和导电性的特点。铝合金壳体（除壳盖外）可一次拉伸成形，相对于不锈钢，可以省去盒底焊接工艺，在进行焊接时就不会出现因为金属元素烧损而导致寒风质量下降等问题。此外，铝合金壳体还有以下四大优势。

（1）使用寿命长。铝合金壳体经过模拟老化试验表明其使用寿命在20年以上，远远超过了金属等传统材料。

（2）阻燃、无烟、无毒。铝合金材料的阻燃性等级可达FV0，在高温灼烧下发烟量级别达15级，烟气无毒，毒性级别为ZA1（准安全一级）。

（3）防爆性能。动力电池铝壳盖板上特别设有防爆装置，在电芯内部压力过大的情况下，防爆装置会自动打开泄压，以防止出现爆炸的现象。

（4）抗老化性能。在金属材料中，铝有着优秀的抗老化性能。经过抗老化性能测试表明，使用地点不同，所处气候带不同，其表面最大老化厚度为20年小于50μm。大多数箱体的最小厚度为5mm，小于箱体厚度的1%，因此对箱体的机械性能没有明显的影响。

☞SMC符合材料。即片状模塑料，主要原料由GF（专用纱）、UP（不饱和树脂）、低收缩添加剂、MD（填料）及各种助剂组成。具有以下7大特点。

（1）电性能好。SMC符合材料不仅具有极佳的电绝缘性，而且在高频下亦能保持良好的介电性能，不受电磁作用，不反射电磁波。

（2）耐化学腐蚀。SMC符合材料具有很好的耐酸、稀碱、盐、有机溶剂、海水等腐蚀的特性，而金属材料不耐酸、不耐海水腐蚀。

（3）轻质高强。SMC符合材料的比模量与钢材相当，但其比强度可达到钢材的4倍。

（4）缺口敏感性。当构建超载并有少量纤维断裂时，载荷迅速分配在为破坏的纤维上重新达到力学平衡。这是金属构件不能相比的。

（5）热导率低、膨胀系数小。在有温差时所产生的热应力比金属小得多。

（6）优异的耐紫外线抗老化性能。其表面最大老化厚度为20年小于50μm。大多数箱体的最小厚度为5mm，小于箱体厚度的1%，因此对箱体的机械性能没有明显的影响。

（7）抗疲劳性能好。SMC复合材料的拉伸强度略好于钢材，钢材及大多数金属材料的抗疲劳极限普遍高于这一数值，最高可达70%-80%。

☞碳纤维增强复合材料是解决汽车轻量化发展的有效途径之一，目前，碳纤维复合材料已成为传统金属材质电池箱体的理想替代品。与金属材料相比碳纤维密度约为1.7g/cm³。拉伸强度3000MPa，弹性模量230GPa，质轻高强，耐高温，耐摩擦，抗震，热膨胀系数低。

而钢材的密度为7.85g/cm³，抗拉强度300-600MPa，弹性模量190GPa，比热容0.42J/(KG.K),热膨胀系数10.6-1.22×10-6/℃，其密度比碳纤维高出许多，抗拉强度也不如碳纤维。铝密度为2.7g/cm³，抗拉强度110-136MPa，重量虽然比钢轻，但强度也较低，安全性能稍差。

此外，碳纤维复合材料在耐冲击性、密封性、及减重上具有绝对优势。