换个电池十几万，工程师如何保护汽车最贵的零件

你开的车是燃油车还是电车？

2024年，全国共销售汽车3144万辆，新能源汽车1287万辆，占比41%。

2025年，燃油车在新车市场有望成为“少数”。

无论是纯电还是混动还是增程，新能源汽车都有个核心部件：动力电池。

无论是三元锂还是磷酸铁锂，动力电池基本都是锂离子电池。

为什么选锂离子电池，而不选电动自行车常用的铅酸电池？

主要是为了缓解司机的续航焦虑。

锂离子电池最大的优点就是能量密度高，可达铅酸电池的5倍。

然而相比汽油，锂离子电池还是弟弟。

所以现在的纯电动汽车无不装有硕大笨重的电池，随随便便也有500公斤。  

电车也会比同级别油车重几百公斤，约等于多坐了四五个彪形大汉。

整车太重，对汽车的能耗、操控、刹车、轮胎和减震等几乎所有系统都是更大的考验。

没办法，你嫌重我还嫌重呢。电化学工业提升太慢，这还是工程师努力设计优化出来的。

动力电池通常采用电池单体-模组-电池包的方式组成，即电芯通过串并联拼接成为庞大的电池包。

三级拼装的方式可做到电池的分层管理和故障隔离，故障后还可单独更换，降低维修成本。

但是，牺牲了一定的空间利用率和能量密度。

司机还是焦虑。

近些年为了进一步提高电池能量密度，增加续航，汽车业采用了更激进的方案。

将三级拼装简化为二级，电芯直接集成为电池包，即Cell To Pack的设计。

这种设计可进一步将电池包能量密度提高10%-15%，但很显然也对电芯的良品率、一致性提出更高要求。

原因很简单：坏一个电芯，很可能就会导致整个电池包报废。而一个电池包，往往包含几百至几千个不等电芯。    

即便制造环节良品率顶呱呱，在使用过程中也难免会有磕碰。

安装在汽车底盘的电池包，偶遇路上一块凸起的石头，咔，可能十几万就没了。

因此，要想方设法保护好娇贵的电池。

无论是三级还是两级拼装，一个完整的车载电池包除了储存电能的电芯，还有调节温度监控电压电流的电池管理系统，以及保护电池的箱体、支架等结构件。

国家标准GB/T31467也对电池包在振动、机械冲击、翻滚和挤压等极端工况下的安全提出了具体要求。

安全是底线，因此电池包结构件设计的终极目的是：保证电池在各种载荷下不发生变形或失效的前提下，尽可能降低结构重量。

毕竟，同事用尽全身力气将电芯挤得密密麻麻，也只减少了30kg的重量。

你随便一个结构件就50公斤，同事间关系怎么可能和谐呢？

但工程设计是一门平衡的艺术，结构强度和减重是一对矛盾。

工程中通常要求在静力和振动载荷下，结构应力不能超过材料的许用应力，否则会发生永久变形；在模态分析时，一般要求电池包第一阶模态的频率高于35Hz，否则容易发生共振。

在设计阶段实现这些，往往离不开有限元仿真。

根据强度仿真结果，应力过大的地方做局部加强，安全第一；应力过小的部位考虑减薄或开孔，越轻越好。    

根据模态分析结果，模态过低则说明结构刚度不足，可考虑在局部弯曲较明显的区域增设加强筋，或者加固连接方式，提高整体结构刚性。

上面展示的两个仿真，均基于我司自研的国产结构仿真软件AIFEM。

无论是静力分析、模态分析，谐响应/随机响应分析，还是线性/非线性屈曲，AIFEM都可以。

国产软件极易上手，开发团队响应迅速。能看到最后，我猜你很可能是电池包结构工程师！

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