聊聊什麼是動力電池係統設計結構“三 + 6”模式?

在新能源、智能化高速發展的今天，車已經從單純的交通工具，逐步成為一種全新的生活方式。既然技術讓生活變得多彩，對車產品“設計”的目標和要求，就不能墨守成規，停滯不前，需要不斷的調整和創新。
動力電池係統是新能源車輛的核心部分。係統結構，又是保障其功能完整性、安全性的重要環節。從近幾年全球產品分析來看，結構設計，發展非常迅速並趨於成熟。也不乏精品出現，技術達到爐火純青。
我通過多年係統集成設計，也在不斷摸索和總結。逐漸形成用於自己設計工作的一套方法：結構“三+6”設計模式。並在多個項目中應用。取得不錯的效果。當然了，隨著認識的提高，還在不斷的總結和擴展。

本文重點介紹電池係統 “三”大結構安全性設計，並通過leaf 經典案例，把 “三+6”思想貫穿起來，便於理解。

“三+6”模式是什麼：
從字麵不難理解：“三”代表大結構；“6”代表功能單元小結構。主要是對電池係統眾多不同功能結構和功能特點重新梳理和定義。突出其設計要點。
“三+6”模式優點：讓設計“有的放矢”。讓功能設計“更完整”。

三+6”模式，讓需要“強”的地方更強：例如框架的功能安全設計。功能完整性：例如電池係統殼體設計發展，從單純的“箱子”簡單結構形式，向融合了多種特性元素的“先進殼體”進步。

“三 + 6”模式特點：理解關聯性，細分“大”結構，強化“小”結構。

下麵是leaf結構爆炸圖，結構單元的複雜性可見一斑。同時，結構元素關聯性又非常強，內框架結構不僅僅要兼顧對模組的承重，還要考慮安全特性設計、支架特性設計等。所以，需要把大結構元素提煉出來，重點設計。再如IP小結構，看似小結構需求，但其設計難度很大。不單單是膠條的設計，還有多層密封結構，其密封精髓“冗餘”設計（就是內護板的“牙邊”結構）、“壓縮量”密封本質，非常有特色。更需要強化設計。總之，結構關係千絲萬縷。需要把這些結構特性因素區分和歸納，突出其主要特點，兼顧其它特性。接下來，就一些結構“點”設計，進一步展開和分析：

1、 框架結構：是最重要的“三”大結構設計靈魂，重點在“安全”
在我們早期新能源車設計中，很多是在現有車身改製而成。並非正向設計。電池係統與車身結構被動配合，係統結構也多采用了“箱子”結構設計（也是簡單設計的代名詞）。通過一定厚度鋼板折彎、拚焊就完成了設計。承重功能主要依靠“厚度”解決。加上仿真也不充分，導致電池係統箱體出現開裂、支架斷裂。這種結構功能設計模糊，承重、加強、防護、等諸多功能於集於一體。很難做到安全。功能完整性也得不到保障。
“三”大結構，框架結構設計不同，功能定義非常明確。例如，內框架主要任務是完成模組的承載，例如可以采用1.5mm、1.8mm 中高強鋼完成；外框架結構，類似於內框架設計要求，隻不過它的作用是對係統的承載，通過支架，完成和車身的裝配結合；防護麵板（含下殼體防護麵板、上蓋板），下殼體防護板，在內、外框架之間，沒有承載作用，隻是完成對係統的防護和封閉。這時候，因為不承擔重量，板材可以做的很薄，leaf 板材厚度實測0.7mm（磨漆後）。大大減輕了係統結構重量。其上蓋板盡管板材薄，但感覺沒有變形，強度很好。這就是通過設計達到的目標。
在輕量化方麵，我們做過一個計算（以約1500×1200×45mm包絡結構），采用框架結構設計後，減重可以達到約20%，更重要的是“安全性”通過結構設計而加強。真正讓設計“有的放矢”。
2、 對電池係統保護的“多層”安全結構設計

第一層，來自車身的安全結構：當然，這一層不是電池係統結構所能為，需要車身來設計。但需要電池係統提出需求，配合整車完成集成設計。

正碰後的狀態：

第二層， 來自殼體材料設計：多種材質應用，滿足結構功能需求。

選用不同材料，更是“有的放矢”的完美體現。也是係統輕量化要求。畢竟電池係統太重了。需要減負。當然了，從成本角度，不太適合小批量或樣品生產製作。更適合量產產品。
第三層，來自結構特征設計的保護：饋縮結構是完成碰撞“後”的吸能，是被動的防撞結構；外框空心內加強梁結構是碰撞“前”主動防撞結構。它既起到了加強作用，也兼顧了輕量化。這個結構特征，在Tesla 也有應用（其實在車身設計中，是非常成熟的技術）。但是，在電池係統殼體設計時，很多時候並沒有把這種技術移植過來，有時一味的追求輕量化，而犧牲了安全結構。

第四層，布置結構，對插件、電氣盒的有效安全保護

我們都知道ASIL 評級中，一般把電氣盒（繼電器）功能安全定義為 C 等級，但從整個電池係統來講，從失效台階順序分析，也是不允許先於其它係統零件失效。所以，從設計保護角度，是需要重點考慮的。我們看leaf 設計，基本都放在了係統和車輛的“中心”位置。Tesla 、volt 也是這樣設計的。
這一點，非常值得學習。我們又是如何做的呢？兩個字：設計 “任性”。把插件或維修開關布置於係統或車輛位置的側麵（出於操作方便或結構限製等原因進行了讓步設計）。車輛在側碰撞狀態，側麵是薄弱的，這個時候，布置在側麵的電池係統插件，風險和失效的發生率將大大增加。
上述分析，主要著重框架結構及安全重點設計。主要想說明，隻有在結構功能清晰的同時，設計才能突出重點。當然了，我們同樣會提出一個問題，麵對今天多種材質（非金屬殼體、鑄鋁殼體、擠壓鋁材拚焊殼體）、多種結構形式（箱式、半箱式、托盤），“三 + 6”模式可以適用嗎？讓我的小結來回答。
小結
1、“三 + 6”模式，提練的是設計精髓。是適合多種材質、多種形式殼體的。隻不過，在具體設計時，會存在一定的局限性、輕重選擇的問題。比如，托盤式的擠壓實驗，就沒有箱式框架設計後的殼體效果好，是因為結構形式所限。這一點我非常有感觸（我正好目睹國外兩款某知名品牌電池係統的擠壓實驗，得出的結論）
2、“三 + 6”模式 可以幫助我們把結構設計元素“標準化”。方便移植到不同項目，成熟的設計可以減少設計失誤。
3、“三 + 6”模式 更看重的還是“安全”設計 。這是核心。
注解：為什麼更多引用leaf 說事
首先，leaf 在安全性設計方麵，堪稱是經典之作。理由是leaf從2010年12月發布第一款到2016版，盡管電池係統能量密度不斷提升，電芯調整，模組框架調整，但其結構設計精髓沒有變化。特別是從2010版獲得五星級碰撞殊榮（歐洲安全性能）算起，其銷量幾十萬輛，極少聽說來自電池的安全事故，取得的成功，恰是這些基礎設計堆積起來的。
其次，對比tesla、寶馬等殼體結構設計，leaf仍然不輸於他們。同時也發現有很多相似之處。至於說，誰學習誰的，就不得而知了。讓我們站在巨人肩膀上進步，這是真理。