三+6”模式是什么：動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)

前言

在新能源、智能化高速發(fā)展的今天，車已經(jīng)從單純的交通工具，逐步成為一種全新的生活方式。既然技術(shù)讓生活變得多彩，對(duì)車產(chǎn)品“設(shè)計(jì)”的目標(biāo)和要求，就不能墨守成規(guī)，停滯不前，需要不斷的調(diào)整和創(chuàng)新。

動(dòng)力電池系統(tǒng)是新能源車輛的核心部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，又是保障其功能完整性、安全性的重要環(huán)節(jié)。從近幾年全球產(chǎn)品分析來(lái)看，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，發(fā)展非常迅速并趨于成熟。也不乏精品出現(xiàn)，技術(shù)達(dá)到爐火純青。

我通過(guò)多年系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)，也在不斷摸索和總結(jié)。逐漸形成用于自己設(shè)計(jì)工作的一套方法：結(jié)構(gòu)“三+6”設(shè)計(jì)模式。并在多個(gè)項(xiàng)目中應(yīng)用。取得不錯(cuò)的效果。當(dāng)然了，隨著認(rèn)識(shí)的提高，還在不斷的總結(jié)和擴(kuò)展。

本文重點(diǎn)介紹電池系統(tǒng) “三”大結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計(jì)，并通過(guò)leaf 經(jīng)典案例，把 “三+6”思想貫穿起來(lái)，便于理解。

“三+6”模式是什么：從字面不難理解：“三”代表大結(jié)構(gòu)；“6”代表功能單元小結(jié)構(gòu)。主要是對(duì)電池系統(tǒng)眾多不同功能結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)重新梳理和定義。突出其設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

“三+6”模式優(yōu)點(diǎn)：讓設(shè)計(jì)“有的放矢”。讓功能設(shè)計(jì)“更完整”。

三+6”模式，讓需要“強(qiáng)”的地方更強(qiáng)：例如框架的功能安全設(shè)計(jì)。功能完整性：例如電池系統(tǒng)殼體設(shè)計(jì)發(fā)展，從單純的“箱子”簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)形式，向融合了多種特性元素的“先進(jìn)殼體”進(jìn)步。

“三 + 6”模式特點(diǎn)：理解關(guān)聯(lián)性，細(xì)分“大”結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化“小”結(jié)構(gòu)。

下面是leaf結(jié)構(gòu)爆炸圖，結(jié)構(gòu)單元的復(fù)雜性可見(jiàn)一斑。同時(shí)，結(jié)構(gòu)元素關(guān)聯(lián)性又非常強(qiáng)，內(nèi)框架結(jié)構(gòu)不僅僅要兼顧對(duì)模組的承重，還要考慮安全特性設(shè)計(jì)、支架特性設(shè)計(jì)等。所以，需要把大結(jié)構(gòu)元素提煉出來(lái)，重點(diǎn)設(shè)計(jì)。再如IP小結(jié)構(gòu)，看似小結(jié)構(gòu)需求，但其設(shè)計(jì)難度很大。不單單是膠條的設(shè)計(jì)，還有多層密封結(jié)構(gòu)，其密封精髓“冗余”設(shè)計(jì)（就是內(nèi)護(hù)板的“牙邊”結(jié)構(gòu)）、“壓縮量”密封本質(zhì)，非常有特色。更需要強(qiáng)化設(shè)計(jì)。總之，結(jié)構(gòu)關(guān)系千絲萬(wàn)縷。需要把這些結(jié)構(gòu)特性因素區(qū)分和歸納，突出其主要特點(diǎn)，兼顧其它特性。接下來(lái)，就一些結(jié)構(gòu)“點(diǎn)”設(shè)計(jì)，進(jìn)一步展開(kāi)和分析：

1）框架結(jié)構(gòu)：是最重要的“三”大結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈魂，重點(diǎn)在“安全”

在我們?cè)缙谛履茉窜囋O(shè)計(jì)中，很多是在現(xiàn)有車身改制而成。并非正向設(shè)計(jì)。電池系統(tǒng)與車身結(jié)構(gòu)被動(dòng)配合，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也多采用了“箱子”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（也是簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)的代名詞）。通過(guò)一定厚度鋼板折彎、拼焊就完成了設(shè)計(jì)。承重功能主要依靠“厚度”解決。加上仿真也不充分，導(dǎo)致電池系統(tǒng)箱體出現(xiàn)開(kāi)裂、支架斷裂。這種結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)模糊，承重、加強(qiáng)、防護(hù)、等諸多功能于集于一體。很難做到安全。功能完整性也得不到保障。

“三”大結(jié)構(gòu)，框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同，功能定義非常明確。例如，內(nèi)框架主要任務(wù)是完成模組的承載，例如可以采用1.5mm、1.8mm 中高強(qiáng)鋼完成；外框架結(jié)構(gòu)，類似于內(nèi)框架設(shè)計(jì)要求，只不過(guò)它的作用是對(duì)系統(tǒng)的承載，通過(guò)支架，完成和車身的裝配結(jié)合；防護(hù)面板（含下殼體防護(hù)面板、上蓋板），下殼體防護(hù)板，在內(nèi)、外框架之間，沒(méi)有承載作用，只是完成對(duì)系統(tǒng)的防護(hù)和封閉。這時(shí)候，因?yàn)椴怀袚?dān)重量，板材可以做的很薄，leaf 板材厚度實(shí)測(cè)0.7mm（磨漆后）。大大減輕了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)重量。其上蓋板盡管板材薄，但感覺(jué)沒(méi)有變形，強(qiáng)度很好。這就是通過(guò)設(shè)計(jì)達(dá)到的目標(biāo)。

在輕量化方面，我們做過(guò)一個(gè)計(jì)算（以約1500×1200×45mm包絡(luò)結(jié)構(gòu)），采用框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，減重可以達(dá)到約20%，更重要的是“安全性”通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而加強(qiáng)。真正讓設(shè)計(jì)“有的放矢”。

（圖示有色部分為內(nèi)/外框架，白色為防護(hù)板）

2、對(duì)電池系統(tǒng)保護(hù)的“多層”安全結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

第一層 來(lái)自車身的安全結(jié)構(gòu)：當(dāng)然，這一層不是電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所能為，需要車身來(lái)設(shè)計(jì)。但需要電池系統(tǒng)提出需求，配合整車完成集成設(shè)計(jì)。

正碰后的狀態(tài)：

第二層 來(lái)自殼體材料設(shè)計(jì)：多種材質(zhì)應(yīng)用，滿足結(jié)構(gòu)功能需求

選用不同材料，更是“有的放矢”的完美體現(xiàn)。也是系統(tǒng)輕量化要求。畢竟電池系統(tǒng)太重了。需要減負(fù)。當(dāng)然了，從成本角度，不太適合小批量或樣品生產(chǎn)制作。更適合量產(chǎn)產(chǎn)品。

第三層 來(lái)自結(jié)構(gòu)特征設(shè)計(jì)的保護(hù)：饋縮結(jié)構(gòu)是完成碰撞“后”的吸能，是被動(dòng)的防撞結(jié)構(gòu)；外框空心內(nèi)加強(qiáng)梁結(jié)構(gòu)是碰撞“前”主動(dòng)防撞結(jié)構(gòu)。它既起到了加強(qiáng)作用，也兼顧了輕量化。這個(gè)結(jié)構(gòu)特征，在Tesla 也有應(yīng)用（其實(shí)在車身設(shè)計(jì)中，是非常成熟的技術(shù)）。但是，在電池系統(tǒng)殼體設(shè)計(jì)時(shí)，很多時(shí)候并沒(méi)有把這種技術(shù)移植過(guò)來(lái)，有時(shí)一味的追求輕量化，而犧牲了安全結(jié)構(gòu)。

第四層 布置結(jié)構(gòu)，對(duì)插件、電氣盒的有效安全保護(hù)

我們都知道ASIL 評(píng)級(jí)中，一般把電氣盒（繼電器）功能安全定義為 C 等級(jí)，但從整個(gè)電池系統(tǒng)來(lái)講，從失效臺(tái)階順序分析，也是不允許先于其它系統(tǒng)零件失效。所以，從設(shè)計(jì)保護(hù)角度，是需要重點(diǎn)考慮的。我們看leaf 設(shè)計(jì)，基本都放在了系統(tǒng)和車輛的“中心”位置。Tesla 、volt 也是這樣設(shè)計(jì)的。

這一點(diǎn)，非常值得學(xué)習(xí)。我們又是如何做的呢？?jī)蓚€(gè)字：設(shè)計(jì) “任性”。把插件或維修開(kāi)關(guān)布置于系統(tǒng)或車輛位置的側(cè)面（出于操作方便或結(jié)構(gòu)限制等原因進(jìn)行了讓步設(shè)計(jì)）。車輛在側(cè)碰撞狀態(tài)，側(cè)面是薄弱的，這個(gè)時(shí)候，布置在側(cè)面的電池系統(tǒng)插件，風(fēng)險(xiǎn)和失效的發(fā)生率將大大增加。

上述分析，主要著重框架結(jié)構(gòu)及安全重點(diǎn)設(shè)計(jì)。主要想說(shuō)明，只有在結(jié)構(gòu)功能清晰的同時(shí)，設(shè)計(jì)才能突出重點(diǎn)。當(dāng)然了，我們同樣會(huì)提出一個(gè)問(wèn)題，面對(duì)今天多種材質(zhì)（非金屬殼體、鑄鋁殼體、擠壓鋁材拼焊殼體）、多種結(jié)構(gòu)形式（箱式、半箱式、托盤(pán)），“三 + 6”模式可以適用嗎？讓我的小結(jié)來(lái)回答。

小結(jié)

1、“三 + 6”模式，提練的是設(shè)計(jì)精髓。是適合多種材質(zhì)、多種形式殼體的。只不過(guò)，在具體設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)存在一定的局限性、輕重選擇的問(wèn)題。比如，托盤(pán)式的擠壓實(shí)驗(yàn)，就沒(méi)有箱式框架設(shè)計(jì)后的殼體效果好，是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)形式所限。這一點(diǎn)我非常有感觸（我正好目睹國(guó)外兩款某知名品牌電池系統(tǒng)的擠壓實(shí)驗(yàn)，得出的結(jié)論）

2、“三 + 6”模式 可以幫助我們把結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)元素“標(biāo)準(zhǔn)化”。方便移植到不同項(xiàng)目，成熟的設(shè)計(jì)可以減少設(shè)計(jì)失誤。

3、“三 + 6”模式 更看重的還是“安全”設(shè)計(jì) 。這是核心。

注解：為什么更多引用leaf 說(shuō)事

首先，leaf 在安全性設(shè)計(jì)方面，堪稱是經(jīng)典之作。理由是leaf從2010年12月發(fā)布第一款到2016版，盡管電池系統(tǒng)能量密度不斷提升，電芯調(diào)整，模組框架調(diào)整，但其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)精髓沒(méi)有變化。特別是從2010版獲得五星級(jí)碰撞殊榮（歐洲安全性能）算起，其銷量幾十萬(wàn)輛，極少聽(tīng)說(shuō)來(lái)自電池的安全事故，取得的成功，恰是這些基礎(chǔ)設(shè)計(jì)堆積起來(lái)的。

其次，對(duì)比tesla、寶馬等殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，leaf仍然不輸于他們。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)有很多相似之處。至于說(shuō)，誰(shuí)學(xué)習(xí)誰(shuí)的，就不得而知了。讓我們站在巨人肩膀上進(jìn)步，這是真理。