上海電氣集團(tuán)股份有限公司中央研究院 上海 200070

近年來，能源危機(jī)和環(huán)境污染等問題日益加劇，世界各國在新能源領(lǐng)域不斷進(jìn)行研究和探索，新能源的應(yīng)用得到大力發(fā)展，其中鋰離子電池是一個(gè)主要門類。目前，動(dòng)力型鋰離子電池已經(jīng)在乘用車上得到了廣泛應(yīng)用，成為替代燃油的最好選擇之一，可以解決汽車尾氣污染問題，改善大氣質(zhì)量。此外，在工程車輛方面，鋰離子電池的應(yīng)用也在不斷探索中，筆者對(duì)純電動(dòng)堆高機(jī)鋰離子電池包的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 堆高機(jī)概述

如圖1所示，集裝箱堆高機(jī)是碼頭、貨場、倉庫等進(jìn)行裝卸、堆碼和搬運(yùn)必不可少的特種工程車輛，目前已得到廣泛應(yīng)用。堆高機(jī)屬于大型工程車輛，型號(hào)各有不同，一般車體高度為19～25 m。傳統(tǒng)的堆高機(jī)以燃油為動(dòng)力，噪聲大，尾氣中含有多種有害物質(zhì)，是造成溫室效應(yīng)的主要原因之一［1］，不符合綠色環(huán)保的要求。以鋰離子電池為動(dòng)力的純電動(dòng)堆高機(jī)可以實(shí)現(xiàn)低噪聲與尾氣零排放，對(duì)改善環(huán)境十分有益，是未來的發(fā)展方向。

2 電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

電池包相當(dāng)于電動(dòng)車輛的能量供給裝置，是動(dòng)力的來源［2］。電池包涉及電池、模組、機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣系統(tǒng)、軟件、仿真等多個(gè)專業(yè)，一般較為復(fù)雜，設(shè)計(jì)難度較大。在滿足機(jī)械結(jié)構(gòu)性能的情況下，電池包還要滿足電氣性能與安全性能的要求［3］，最終還要滿足整車系統(tǒng)的電性能要求，如電量、電壓、充放電指標(biāo)、通信等。因此，在進(jìn)行電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，首先要分析設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

2.1 車輛電性能

根據(jù)整車系統(tǒng)要求，確定電池包電量，然后根據(jù)電機(jī)及路況等因素確定功率，并匹配電池放電倍率。根據(jù)電流大小確定主電纜的規(guī)格、插接件的選型與電氣元件的選用等。

▲圖1 堆高機(jī)示意圖

針對(duì)純電動(dòng)堆高機(jī)，確定系統(tǒng)電壓為614 V，容量為60 Ah，總電量為36.9 kWh。

2.2 電池類型

目前市場上有多種鋰離子電池，按電池材料可分為磷酸鐵鋰電芯電池、三元電芯電池、錳酸鋰電芯電池、鈦酸鋰電芯電池等，按照外形可分為圓柱形鋰離子電池、金屬方殼鋰離子電池、軟包裝方形鋰離子電池等。電池的形狀對(duì)電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響較大，一般而言，圓柱形和金屬方殼鋰離子電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為容易，而軟包裝方形鋰離子電池由于外包裝為一層很薄的復(fù)合材料，需要較好的防護(hù)以保護(hù)電芯，所以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度較大。

軟包裝方形鋰離子電池一般而言具有更好的安全性能，因此筆者在設(shè)計(jì)時(shí)選用20 Ah軟包裝方形鋰離子電池。

2.3 電池包安裝尺寸和質(zhì)量校核

在堆高機(jī)車體上，電池包的安裝空間位于駕駛室下方。筆者在充分了解客戶需求的基礎(chǔ)上，根據(jù)車輛的實(shí)際情況和空間來設(shè)計(jì)電池包外形［4］。電池包的總體質(zhì)量應(yīng)符合車體要求，按照車輛空間來進(jìn)行布局設(shè)計(jì)，要求電池包結(jié)構(gòu)緊湊。充分考慮車輛電氣系統(tǒng)的要求，使車輛主電路的電纜直徑、電纜走向、電池外箱接線口、通信線路對(duì)接等滿足要求。還要考慮電池箱的安裝位置是否會(huì)影響車輛的質(zhì)心［5］，避免由于質(zhì)量分布問題對(duì)車輛的穩(wěn)定性造成影響。

2.4 散熱

高溫對(duì)電池系統(tǒng)有影響，如果電池組得不到及時(shí)通風(fēng)散熱，將導(dǎo)致電池組系統(tǒng)溫度過高或溫度分布不均，長期工作將造成充放電性能和循環(huán)壽命下降，對(duì)電池包功率和能量特性、安全性和可靠性等方面都有不利影響，嚴(yán)重時(shí)還將導(dǎo)致熱失控，影響系統(tǒng)的安全性與可靠性。

高溫對(duì)電芯的一致性也有影響。由于車輛空間比較緊湊，電池都是緊密連接裝載在車輛密閉空間中的，在中心區(qū)域的電池較邊緣區(qū)域的電池散熱更難，因此會(huì)造成中心區(qū)域電池產(chǎn)生熱量累積［6］，使中心區(qū)域的電池溫度明顯偏高。

高溫將對(duì)電芯的電化學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，造成電池內(nèi)阻、容量等電性能偏差加大，導(dǎo)致有的電芯被“濫用”，電池系統(tǒng)荷電狀態(tài)估計(jì)的準(zhǔn)確性降低［7］，進(jìn)而使整個(gè)電池系統(tǒng)的循環(huán)壽命降低［8］。

因此，需要在電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中添加溫度監(jiān)測系統(tǒng)和散熱設(shè)備，來確保電池具有正常的運(yùn)行環(huán)境，進(jìn)而使電池單體發(fā)揮出最佳性能。

2.5 防水密封性能

電池包通常工作在室外環(huán)境中，因此需要一定的防水、防塵，甚至是防鹽霧能力，一般外殼防護(hù)等級(jí)需要高于IP55。

3 主要標(biāo)準(zhǔn)

在進(jìn)行鋰離子電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，主要執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)如下：GB/T 31484—2015《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池循環(huán)壽命要求及試驗(yàn)方法》、GB/T 31485—2015《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求及試驗(yàn)方法》、GB/T 31486—2015《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池電性能要求及試驗(yàn)方法》、GB/T 31467.1—2015《電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng)第1部分：高功率應(yīng)用測試規(guī)程》、GB/T 31467.2—2015《電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng) 第2部分：高能量應(yīng)用測試規(guī)程》、GB/T 31467.3—2015《電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng)第3部分：安全性要求與測試方法》。

4 鋰離子電池包的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 基本參數(shù)

4.1.1 單體電芯

單體電芯如圖2所示，電芯類型為磷酸鐵鋰軟包裝電芯，標(biāo)稱電壓為3.2 V，容量為20 Ah，尺寸為 250 mm×180 mm×7 mm。

4.1.2 電池包結(jié)構(gòu)

車體內(nèi)安裝電池包的空間尺寸為1 500 mm×1 100 mm×580 mm，電池包結(jié)構(gòu)的基本尺寸為1 399 mm×1 012 mm×520 mm，質(zhì)量≤440 kg，質(zhì)量比能量為83.8 Wh/kg。

▲圖2 單體電芯示意圖

4.2 電池模組

軟包裝鋰離子電池電芯外層為較薄的復(fù)合材料，很容易被尖銳的物體劃傷、損壞。軟包裝鋰離子電池的極耳為很薄的金屬片，無法直接進(jìn)行連接。因此，模組設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于電池極耳的連接方式，以及如何將成組的電池串進(jìn)行打包。

4.2.1 模組參數(shù)

根據(jù)電芯的形狀與特點(diǎn)，模組設(shè)計(jì)為3P16S（3并16串），如圖3所示。單個(gè)模組標(biāo)稱電壓為51.2 V，模組尺寸為 390 mm×207 mm×273 mm，質(zhì)量為27.3 kg。

▲圖3 電池模組示意圖

4.2.2 模組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

先將單電芯組合成3并的形式，然后將16組3并的電芯按照正負(fù)極相對(duì)的方式組合起來，兩側(cè)分別放置護(hù)板。待全部組合好后，整體放入專用的裝夾設(shè)備中固定并夾緊，用專用捆扎帶捆扎。捆扎帶的材質(zhì)可以選用聚對(duì)苯二甲酸類塑料或金屬，捆扎的力度需要反復(fù)試驗(yàn)，以保證電芯模組牢固且不損傷電池。捆扎時(shí)采用專用捆扎機(jī)，可以保證接頭牢固。在捆扎帶接頭處采用熱熔或激光焊接，接頭很小，基本不會(huì)影響模組的外形。采用以上打包方式，在保證牢固可靠的前提下，相比長螺桿固定，省去了很多機(jī)械零件，成本更低，體積更加緊湊。

模組在充放電過程中會(huì)釋放較多的熱量，為保證電芯散熱，在每片電芯之間加入金屬散熱片，使電芯熱量傳導(dǎo)給散熱片。散熱片將熱量傳導(dǎo)至模組的外表面翅片上，通過系統(tǒng)的冷風(fēng)將熱量帶走。散熱片一般采用較薄的鋁制材料，因?yàn)樯崞c電芯表面直接接觸，所以表面需要保持光滑，以防止損傷電芯。

通常模組采用螺紋連接的方式，但此種方式在實(shí)際使用中存在很多問題，如螺紋固定不緊，單個(gè)螺紋易發(fā)生旋轉(zhuǎn)而松脫，扭矩難以掌握，在狹窄的空間固定工具難以施展等。筆者作了較大改進(jìn)，模組采用直接插接的極柱連接方式。這一方式操作方便，安全可靠，圓柱形極柱與連接器端子間保持緊密彈性接觸，保證大電流導(dǎo)通，端子內(nèi)部的卡環(huán)則保證不發(fā)生松脫現(xiàn)象。極柱連接如圖4所示。

▲圖4 極柱連接示意圖

模組側(cè)面護(hù)板的凹陷處留有安裝電池管理單元的空間。將電池管理單元放入內(nèi)部，外面加側(cè)蓋固定，可以起到保護(hù)電池管理單元的作用，如圖5所示。模組頂部安裝有通信接口，采用插接方式，可以方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間信號(hào)的傳輸。

4.3 外形

電池包外形如圖6所示。將電池包與車輛可靠固定是非常重要的，固定法蘭要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。為了保證車輛的絕緣性能，固定法蘭不能與車體金屬直接相連，因此在電池包法蘭下安裝8個(gè)絕緣子，保證電池包與車體的連接，并實(shí)現(xiàn)與車輛的電隔離。

電池包基本尺寸為 1 399 mm×1 012 mm×520 mm，能夠滿足車體空間的要求。在電池包箱體中安裝了12個(gè)3P16S模組，模組在箱體內(nèi)部連接好之后由電纜引出至控制開關(guān)盒，通過控制開關(guān)盒內(nèi)部電氣元件后將正負(fù)極電纜引出至車輛控制器?？刂崎_關(guān)盒內(nèi)部的電氣控制元件在車輛信號(hào)和電池管理系統(tǒng)的控制下實(shí)現(xiàn)電池包電源的各項(xiàng)功能。

電池包采用空氣冷卻，外部設(shè)置進(jìn)風(fēng)管與出風(fēng)管。在內(nèi)部風(fēng)機(jī)的作用下，冷空氣由進(jìn)風(fēng)管進(jìn)入電池包箱體內(nèi)部，然后熱空氣由出風(fēng)管排出，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池模組的冷卻。箱體上還安裝有手動(dòng)維修開關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)在維修狀態(tài)下斷開電路。

▲圖5 電池管理單元安裝示意圖

▲圖6 電池包結(jié)構(gòu)外形示意圖

4.4 冷卻風(fēng)道

電池包散熱是非常重要的，筆者設(shè)計(jì)中采用空氣冷卻［9］?？諝庥蓛蓚?cè)進(jìn)風(fēng)管進(jìn)入電池包箱體內(nèi)部，沿著模組之間預(yù)留的風(fēng)道行進(jìn)。冷卻空氣與模組散熱片充分接觸，并進(jìn)行熱交換。風(fēng)機(jī)放置在電池包箱體的頂部，在兩臺(tái)雙蝸殼離心式風(fēng)機(jī)吸引力的作用下，空氣匯集至頂部集流罩內(nèi)，最后由出風(fēng)管排出至車體出風(fēng)口，完成整個(gè)冷卻過程。冷卻風(fēng)道如圖7所示。

▲圖7 冷卻風(fēng)道示意圖

4.5 散熱風(fēng)機(jī)

在加速量熱儀中進(jìn)行電芯比熱容和放熱量的測試，加速量熱儀提供絕熱環(huán)境，在這一環(huán)境下，電芯與環(huán)境不發(fā)生熱交換，因此沒有熱散失，可以認(rèn)為所測得的熱量全部為電芯本身釋放。

測得20 Ah磷酸鐵鋰軟包裝電池電芯的比熱容為 1 041 J/（kg·℃）， 即 0.289 Wh/（kg·℃），1 C 放電時(shí)熱功率為1.79 W，系統(tǒng)中電芯數(shù)量為576只，因此系統(tǒng)中電芯總的發(fā)熱功率為 1.79×576=1 031.04 W［10］。

當(dāng)環(huán)境溫度升高到一定程度時(shí)，電池的性能會(huì)受到影響，甚至造成安全隱患，因此有必要確定電池工作的上限溫度。經(jīng)過前期測試，確定電芯的工作上限溫度為50℃，設(shè)環(huán)境溫度為25℃，則系統(tǒng)允許的溫度差為25℃。

風(fēng)機(jī)風(fēng)量為系統(tǒng)采用兩臺(tái)24 V直流雙蝸殼離心風(fēng)機(jī)，因此單臺(tái)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量為1.03 m3/min，即36.37 CFM。

空氣在箱體內(nèi)部流動(dòng)時(shí)，氣流在流動(dòng)路徑上會(huì)遇到轉(zhuǎn)彎及其它零件的阻擾，空氣自由流通受到妨礙，從而造成壓力損失。因此，風(fēng)機(jī)選型時(shí)需要考慮系統(tǒng)阻抗造成的影響。根據(jù)風(fēng)量靜壓特性曲線和系統(tǒng)阻抗曲線的交點(diǎn)來確定風(fēng)機(jī)風(fēng)量是比較準(zhǔn)確的，但在實(shí)際應(yīng)用中由于系統(tǒng)阻抗較難測定，因此一般常用經(jīng)驗(yàn)值來推測系統(tǒng)風(fēng)阻。在本系統(tǒng)中，風(fēng)阻為中等，因此推測為計(jì)算風(fēng)量的1.5倍，最終選用的單臺(tái)風(fēng)機(jī)風(fēng)量為54.56 CFM。

4.6 結(jié)構(gòu)分解

在本系統(tǒng)中，包含12個(gè)電池模組，每個(gè)模組的電量為3.072 kWh，電池包電量為36.9 kWh，系統(tǒng)電壓為614 V。在安裝時(shí)，先將外箱安裝好，使兩側(cè)整流罩連接固定，并將絕緣端子與外箱固定在一起。之后將12個(gè)電池模組依次放入外箱中，通過壓桿將每個(gè)模組壓緊。這樣模組與外箱固定為一體，可以防止模組在外箱中的振動(dòng)。

風(fēng)機(jī)與整流罩預(yù)先固定在一起，并與外箱蓋子固定好備用。將每個(gè)模組之間的電纜線及電氣元件連接好，然后將外箱合蓋，將電纜連接至控制開關(guān)盒。在裝配時(shí)須注意在各鈑金件之間添加防水絕緣膠，在外箱與蓋子之間最后密封時(shí)也要添加防水絕緣膠，以保證整體的防水特性。

通信線纜將各個(gè)模組中的電池管理單元連接在一起，匯總至控制開關(guān)盒，統(tǒng)一由電池管理系統(tǒng)進(jìn)行控制與管理，并最終實(shí)現(xiàn)與整車系統(tǒng)的通信和控制。

5 結(jié)束語

隨著國家節(jié)能減排的推進(jìn)和新能源行業(yè)的快速發(fā)展，以動(dòng)力和儲(chǔ)能為主的新能源技術(shù)必將快速發(fā)展。電池包作為綠色能源的載體，也將會(huì)受到越來越多的重視，在結(jié)構(gòu)上將更加精細(xì)，穩(wěn)定性和能量密度也將逐步提高。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是電池包設(shè)計(jì)中的核心環(huán)節(jié)，筆者介紹了純電動(dòng)堆高機(jī)鋰離子電池包的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以滿足堆高機(jī)各項(xiàng)使用及安全性要求，同時(shí)有利于后期檢修維護(hù)。