3.2 動力電池系統總布置設計

3.2.1 外部布置設計

整車廠根據整車車身地板結構，并考慮整車底盤、電器件、內外飾件的影響。同時，結合以下限制條件和滿足的要求，初步給出電池包可布置的位置和可放置的空間范圍邊界。

1）基于電動車輛的乘員數量、續駛里程等設計目標，初步估算需要的電池包容量大小，并推算出動力電池包的空間需求。

2）整車配置要求（例如行李箱空間要求，影響電池包的布置位置及空間）。

3）整車最小離地間隙（一般滿載最小離地間隙大于100mm）。

4）電池包的防護結構（與地板之間的安全間隙、碰撞防護結構等）。

5）工藝裝配需求（機械安裝接口、電氣連接接口及裝配操作間隙）。

一般情況下，基于傳統燃油車產品平臺進行改造開發的電動車，其在整車上的布置主要分布在表3.4所示的6個區域。

1.工字形電池包安裝

早期的電動汽車，都是基于傳統的燃油車進行改裝，去掉發動機、變速器、油箱和一些傳動裝置，這樣整車上空出來的空間，是最適合安裝電池包的。

一般安裝于B、D區：中央通道和后排座椅下方。

華晨寶馬之諾1E純電動汽車就有一個典型的工字形電池包（圖3.12），在寶馬X1車型的基礎上，充分挖掘可以利用的布置空間，前后串聯的三個高電壓蓄電池單元則被安裝在車身的前部（前機艙蓋下方的發動機位置）、中部（傳統的傳動軸通道中）和后部（傳統燃油箱的位置），這樣的設計可以確保更好的前后軸負荷分配，賦予車輛更低的重心，同時讓車輛在碰撞發生時更加安全。

2.T字形電池包安裝

雪佛蘭沃藍達（Volt）是典型的T字形電池包布置（圖3.13），因為它是一款增程式電動車，因此發動機和油箱仍然保留，設計師充分利用了去掉變速器和傳動軸后的空間和后排座位下面的空間，將電池包設計成一個T形。

一般安裝于B區：主要利用中央通道。

不管是華晨寶馬之諾1E，還是雪佛蘭沃藍達，都是在傳統燃油車基礎上做了非常小的改動，空間非常有限，能夠裝載的電池包體積和重量都受限，因此容量不大，續駛里程也有限。華晨寶馬之諾1E采用寧德時代（CATL）的磷酸鐵鋰電池，電池包容量為27kW·h，可達到150km的續駛里程，第一代雪佛蘭沃藍達采用LG的錳酸鋰電池，電池包容量為16kW·h，純電續駛里程為64km。

3.土字形電池包安裝

要想進一步提升整車的續駛里程，就必須要增加整車的電量，有兩個可行的途徑：提高電池的能量密度，在同樣的空間內存儲更多的電量；擴展電池包的空間，增大電池包的體積和重量，進而增加可用電量。

電池能量密度的提升是比較緩慢的，受制于動力電池技術的進步速度，很難在短時間內大幅度改善，那么就需要在電池包的體積上面做文章，從整車空間上挖掘出更多的空間，來裝載更多的電池，存儲更多的電量，從而提升電動汽車的續駛里程。

電池包一般安裝在B、C、D區：位于底盤正下方。

2015版e-Golf電池包是一個典型的土字形結構（圖3.14），充分利用了整車上可以利用的空間。總電量為24.2kW·h，總電壓為320V，容量為75A·h，電池包重量為313kg，體積為229.4L。2016年起，大眾選用新的三元電池單體，在原有體積不變的情況下，電池包的總電量達到35.8kW · h，整車的續駛里程也從134 km 提升至200 km。

吉利帝豪EV車型則是另一款土字形電池包的代表（圖3.15），為了裝載更多的電池，吉利還對整車的底盤做了二次開發，騰出了更多的形狀規則的空間，用于容納鋰離子電池組。2015 款的帝豪EV 采用了寧德時代的三元電池單體，電量為44kW·h，續駛里程達到250km。2017款的帝豪EV，仍然采用同樣的三元電池單體，但是對電池包、熱管理系統和動力總成做了設計優化，從而使得續駛里程達到了300 km。

土字形的電池包，可以將電動汽車的續駛里程提升到200～300km，如果想進一步提升續駛里程，就有相當大的難度了，因為整車可拓展的空間已經被挖掘得差不多了。

4.一體式（滑板式）電池包安裝

受限于傳統燃油車的結構局限，不管怎樣挖掘可用空間，始終不能實現電動汽車的最優化設計。客戶對于電動汽車續駛里程的需求，已經從100km、200km，提升到300km、400km，甚至是500km以上。在這種情況下，電池包和底盤的一體化設計，已經逐漸成為一種必然的趨勢。

這是一種全新的產品思路，整車的設計需要圍繞核心零部件電池包來展開，將電池包進行模塊化設計，平鋪在車輛的底盤上，以最大限度獲得可用空間，調整整車的重心位置，同時還可以利用電池包的結構來加強底盤的強度和剛度，也可以利用整車的框架強化對電池包的結構防護（圖3.16）。

一般安裝于B、C、D區：對整車的底盤做了二次開發，騰出了更多形狀規則的空間。

最早采用這種方案來做整車設計的是特斯拉，在暢銷的Model S和Model X車型上，特斯拉都采用了電池包和底盤的一體化設計，以達到最優的車輛性能。得益于領先對手的設計思路，Model S車型可以給用戶提供多種規格的電池包容量，從60kW·h一直擴展到90kW·h，續駛里程可以達到驚人的526km（P90D版本），這是對傳統燃油車進行改造所無法達到的。

在特斯拉的成功指引下，大眾和寶馬等車企也紛紛跟進，推出了自己的一體式電動汽車產品解決方案。

大眾汽車集團推出了電動汽車專用平臺：MEB平臺，預計將于2019年投入使用，該平臺具有較強的擴展性。這意味著，大眾的設計師可以通過改變軸距、輪距以及座椅布局，以應用于更多種類的車輛制造。而安裝在底盤上的電池組則尤其引人矚目（圖3.17），由于完全模塊化設計，它允許工程師按照適用車輛的類型來調整電池組的數量和大小，從而滿足不同車型的需求。大眾汽車集團希望借助MEB平臺（電動車模塊化平臺）將純電動車的續駛里程提升至400～600km，完全可以達到目前燃油車的標準。

3.2.2 內部布置設計

動力電池系統箱體內部的整體排布有以下建議：排布規整對稱；高低壓“各行其道”；預留安全距離；電氣件、模組隔離；考慮熱管理系統。

模組排布（圖3.18）需要盡量排布規整，使電池包的重心盡量在幾何中心，需要考慮電池包配重對整車的影響。

電連接（圖3.19）在整體排布時，需要考慮高低壓線束走線空間、固定高低壓線束的位置和結構、高低壓連接器的安裝位置及連接形式。

熱管理根據電池單體的性能和整車的使用條件初步確定熱設計的形式，預留加熱、散熱的通道和安裝空間，確保熱設計的合理性和高效性（圖3.20）。

箱體縱橫梁（圖3.21）選擇車身上鋼板等級和厚度較高部分作為基礎，通過受力分析和計算，確定縱橫梁具體的結構、材料型號和厚度。

除了上面考慮的這些因素外，還需要考慮安全、成本、環境等方面的因素，比如安全方面的防火、阻燃、定向泄放，成本方面的減少異型結構等。

按照電池單體能量密度300W·h/kg和電池包能量密度260W·h/kg的目標來計算，電池包系統的集成效率要做到85%，而當前乘用車電池包的集成效率普遍在65%左右，這意味著集成效率需要大幅度提升，才能達成目標。

要提高電池包的集成效率（圖3.22），有兩個可行的途徑，一是優化電池包內部的結構設計，大幅度減少電池包內部的組件數量，將更多的組件和功能集成在模組和箱體上，從而減輕重量；另一個是采用輕量化的材料，如采用鋁型材或復合材料代替高強度鋼，采用塑膠件代替金屬件等，也可以減輕重量。