Практическое руководство по проектированию и анализу конструкции аккумуляторных батарей электромобилей.

< Назад к разработке платформы

Джонни Лю, генеральный директор компании Dowway Vehicle.

Опубликовано: 5 марта 2026 г. | Время чтения: 15 минут

1. Основная роль аккумуляторных батарей в электромобилях

Как генеральный директор Dowway Vehicle, меня часто спрашивают, как мы обеспечиваем безопасность батарей электромобилей. Батарейный блок делает гораздо больше, чем просто хранит энергию. Это ядро ​​любого электромобиля. В отличие от традиционного бензобака, эта конструкция обеспечивает механическую поддержку, защищает от непогоды, отводит тепло и обеспечивает безопасность электрических систем. Она также должна соответствовать строгим автомобильным нормам, таким как… ISO 26262 для функциональной безопасности и GB 38900 для безопасности электромобилей.

В настоящее время автопроизводители сталкиваются с тремя основными проблемами: опасения по поводу запаса хода, риски для безопасности и высокие затраты. Хорошая конструкция решает эти проблемы. Мы экономим место для размещения большего количества аккумуляторных элементов. Мы регулируем теплоотдачу, чтобы предотвратить возгорание. Мы снижаем вес, чтобы автомобиль мог проехать дальше.

2. Основные принципы проектирования конструкции аккумуляторного блока

Чтобы гарантировать совместимость аккумуляторного блока с автомобилем и его правильную работу, разработчики придерживаются пяти основных правил:

• Безопасность прежде всего: Мы создаём раму, способную выдерживать удары, сдавливание и сильные вибрации. Она должна предотвращать протечки и возгорание, а также обеспечивать изоляцию электропроводки для предотвращения коротких замыканий.
• Легко адаптируется: Конструкция должна подходить для различных типов шасси (под днищем, в багажнике) и различных типов элементов кузова. Она также должна обеспечивать сбалансированный вес автомобиля.
• Высоконадежный: Автомобильный аккумулятор должен служить долго. 8-10 лет, или от 150 000 до 200 000 километров. Рама должна быть устойчива к ржавчине, повреждениям от вибрации и старению.
• Легкий вес: Мы используем более легкие материалы, такие как алюминий, и продуманные формы, чтобы уменьшить вес батарейных блоков. Это помогает автомобилю потреблять меньше энергии.
• Легко собрать: Заводы должны быстро и дешево штамповать, сваривать и собирать эти упаковки. Конструкция также должна упрощать ремонт и переработку.

3. Основные структурные компоненты автомобильного аккумуляторного блока

Аккумуляторная батарея электромобиля состоит из пяти основных частей, работающих вместе.

3.1 Ограждение

Это внешняя оболочка. Она удерживает модули на месте, защищает от воды и принимает на себя удар при столкновении. В нижних корпусах в основном используется экструдированный или литой алюминий (например, Al6061 или Al7075) сварены вместе методом сварки трением с перемешиванием (FSW). Верхние крышки изготовлены из тонкого алюминия или SMC (компаунд для формования листового металла) пластик. Мы добавляем металлические ребра для поглощения ударных нагрузок и предусматриваем дренажные отверстия для технического обслуживания.

3.2 Аккумуляторные модули

Модули представляют собой группы соединенных между собой аккумуляторных элементов. Выбранная форма влияет на количество энергии, помещаемой в модуль, и на эффективность охлаждения батареи.

Тип модуля	Структурные особенности	Инженерные приложения	Преимущества	Недостатки
Призматический	Квадратные ячейки, расположенные в определенном порядке, закреплены торцевыми/боковыми пластинами и соединены шинами.	Легковые автомобили, подключаемые гибриды (широко распространенный выбор).	Высокая плотность энергии, отличное использование пространства, простота сборки.	Плохая равномерность теплоотвода требует высокой однородности ячеек.
Цилиндрический	Сотовая структура, закрепленная скобами или крепежными ремнями.	Высокопроизводительные электромобили, коммерческий транспорт.	Превосходное рассеивание тепла, высокая структурная стабильность, отработанный технологический процесс.	Меньшая занимаемая площадь, более массивная конструкция, сложная сборка.
Сумочка	Гибкие пакетные ячейки, уложенные друг на друга или расположенные в один слой, зафиксированы упаковкой.	Высококлассные легковые автомобили, электромобили со строгими ограничениями по пространству.	Ультратонкая конструкция, высочайшая плотность энергии, хорошая гибкость.	Низкая механическая прочность, склонность к набуханию, высокие требования к герметизации.

3.3 Система терморегулирования

Батареи предпочитают находиться в промежутке между 20°C и 40°C. Слишком высокая температура приводит к быстрому износу или возгоранию. Слишком низкая температура уменьшает запас хода автомобиля. Стандартным решением является жидкостное охлаждение. Мы устанавливаем микроканальные охлаждающие пластины под или рядом с модулями. Блок управления автомобилем (VCU) прокачивает через них охлаждающую жидкость для регулирования температуры.

3.4 Электрическая система

Это выполняет функцию мозга. Система управления батареями (BMS) Отслеживает уровень заряда (SOC) и состояние батареи (SOH). Предотвращает перезаряд и перегрев батареи. Блок распределения питания высокого напряжения (PDU) использует предохранители для мгновенного отключения питания в случае короткого замыкания.

3.5 Система герметизации

Для соответствия требованиям необходимо предотвратить попадание воды и пыли внутрь. IP67 Стандарт. Мы используем высокотемпературные силиконовые или полиуретановые герметики, а также уплотнительные кольца из EPDM-резины в местах соединения верхней и нижней частей корпуса.

4. Ключевые инженерные стратегии в проектировании конструкций

4.1 Вес режущей части

Мы снижаем вес за счет использования алюминиево-литиевых (Al-Li) сплавов. Они уменьшают вес за счет 10-15% и увеличить силу более чем 20% для нижнего корпуса. Мы также используем компьютерное моделирование для удаления ненужного металла из рамы. Удаление только опорных ребер может снизить вес корпуса на 8%.

4.2 Безопасность при столкновении

Для соответствия требованиям стандарта GB 38900-2020 мы добавляем по бокам энергопоглощающие зоны деформации. Внутри модули обматываются специальной пеной, чтобы предотвратить повреждение ячеек. В случае аварии система управления батареями (BMS) немедленно отключает высокое напряжение, чтобы предотвратить поражение электрическим током.

4.3 Улучшенное охлаждение

Мы используем крошечные 2-5 мм Каналы внутри охлаждающих пластин расположены в виде змеевидных узоров. Это позволяет поддерживать разницу температур между ячейками на заданном уровне. ≤5°C. Мы также добавляем термопасту, чтобы ускорить отвод тепла.

4.4 Герметичные уплотнения

В местах соединения металлических пластин мы используем ступенчатые кромки. Роботы наносят герметик, чтобы исключить образование пузырьков, а для улучшения сцепления клея мы обрабатываем металлическую поверхность анодированием.

5. Анализ производительности и инженерная проверка

Прежде чем создавать пакет, мы тщательно тестируем его с помощью компьютерных моделей (например, ANSYS или Abaqus) и в реальных лабораторных условиях.

5.1 Механические испытания

• Столкновение: Мы сталкиваемся с ними спереди, сбоку и сзади. Металлический корпус может погнуться лишь совсем немного.<5 мм) для предотвращения внутренних коротких замыканий.
• Раздавить: Упаковка должна выдержать сдавливающую нагрузку. ≥100 кН без протечек. Использование литого алюминия может повысить это сопротивление на 30%.
• Вибрация: Мы их трясём на специальной установке. 10-2000 Гц в 1-3 г Более 1000 часов, чтобы имитировать стиль вождения, который человек вел всю свою жизнь.

5.2 Испытания на воздействие тепла

Мы следим за тем, чтобы температура внутри упаковки оставалась в пределах 20-40°C. Даже если это так 60°C Снаружи клетки должны оставаться под 55°C. В мороз -20°C из-за погоды, отряд должен прогреться. 15°C Всего за 30 минут. Эффективное жидкостное охлаждение. >85% эффективность отвода тепла, используя ≤3% энергии автомобилей.

5.3 Проверки безопасности

Мы проверяем изоляцию (она должна быть) ≥100 МОмМы прокалываем ячейки иглами и переполняем их, чтобы убедиться, что любой пожар останется локализованным и не распространится.

5.4 Проверка химического состава батареи

Мы ищем как минимум ≥300 Вт·ч/л и ≥150 Вт·ч/кг плотности энергии. Батарея должна сохранять 80% своего заряда после ≥1000 циклов. Эффективность зарядки должна быть ≥90% при 25°C и ≥70% при -10°C.

6. Пример из практики инженерного проектирования: оптимизация аккумуляторной батареи для электромобиля.

Хочу поделиться недавним проектом, который мы завершили в компании Dowway Vehicle. У нас был аккумуляторный блок для пассажирского электромобиля, который оказался слишком тяжелым, плохо охлаждался и протекал.

Сначала мы заменили стальное днище на литой алюминий, а для верхней части использовали композитный материал SMC. Благодаря нескольким удачным компьютерным настройкам металлических ребер, вес снизился на 12% (с 280 кг до 246 кг)Благодаря этому запас хода автомобиля увеличивается на 8%.

Далее мы заменили плоские охлаждающие пластины на микроканальные. Разница температур ячеек сократилась с… от 8°C до 4°CОхлаждение улучшилось на 20%, а максимальная температура осталась ниже 45°C.

Наконец, для устранения протечек мы использовали силикон, нанесенный роботом, что позволило модернизировать аккумулятор. IP65–IP67. В ходе краш-тестов корпус деформировался всего на 4 мм, а питание отключилось через… ≤50 мс. Этот рюкзак прошёл все испытания и в настоящее время запущен в серийное производство.

7. Будущие тенденции в проектировании конструкций

В перспективе производители будут чаще использовать конструкции CTP (Cell-to-Pack) и CTC (Cell-to-Chassis) для экономии места. Автомобили будут использовать большие данные и искусственный интеллект, чтобы изучать стиль вождения и лучше управлять тепловыделением батареи. Такие материалы, как углеродное волокно и алюминий-литий, подешевеют и заменят стандартные металлы. Кроме того, мы будем проектировать батареи с самого начала таким образом, чтобы их было легко перерабатывать.

8. Часто задаваемые вопросы (FAQ)

В1: Каким образом конструкция аккумуляторного блока может обеспечить безопасность при дорожно-транспортных происшествиях?

Краткий ответ: Оно поглощает энергию удара и предотвращает пробитие элементов батареи металлическими частицами.

Подробный ответ: Безопасность при столкновении — одна из главных задач проектирования. При серьёзной аварии деформированный металл может повредить аккумуляторную батарею и вызвать возгорание. Инженеры решают эту проблему, добавляя прочные боковые балки и зоны деформации, которые специально сминаются. Мы создаём компьютерные модели с использованием метода конечных элементов (МКЭ) для моделирования боковых и нижних ударов до того, как начнём строить реальный автомобиль. Это позволяет избежать воздействия ударной силы на опасные части батареи.

В2: Как можно добиться облегченной конструкции аккумуляторного блока без ущерба для прочности?

Краткий ответ: Инженеры используют более легкие материалы, такие как алюминиевые сплавы, и интеллектуальное компьютерное проектирование для снижения лишнего веса.

Подробный ответ: Аккумулятор составляет от 18% до 30% от общей массы автомобиля, что негативно сказывается на запасе хода. Для решения этой проблемы мы заменяем тяжелую сталь на алюминиево-литиевые сплавы или углеродное волокно. Мы также используем топологическую оптимизацию — компьютерный метод, который точно определяет, где металл должен быть толще, а где его можно уменьшить. Это снижает вес, сохраняя при этом жесткость и безопасность рамы.

Вопрос 3: Как можно интегрировать систему терморегулирования в конструкцию аккумуляторного блока?

Краткий ответ: Мы встраиваем охлаждающие пластины и каналы для жидкости непосредственно в раму батареи под элементами.

Подробный ответ: Аккумуляторы выделяют много тепла. Если они перегреваются, то выходят из строя или загораются. В современных конструкциях жидкостные охлаждающие пластины размещаются непосредственно внутри корпуса. Внутри этих пластин имеются крошечные каналы. Мы также используем термопасту для соединения элементов батареи с этими охлаждающими пластинами. Это позволяет поддерживать безопасную, равномерную температуру всего блока.

Вопрос 4: Как следует интегрировать аккумуляторный блок в конструкцию автомобиля?

Краткий ответ: В более новых автомобилях аккумуляторные батареи встраиваются непосредственно в основной кузов для экономии места.

Подробный ответ: В более старых электромобилях элементы питания размещались в небольших модулях, которые затем помещались в большой корпус и прикручивались к кузову автомобиля. В более новых конструкциях CTP (Cell-to-Pack) небольшие модули отсутствуют. Даже в более новых конструкциях CTC (Cell-to-Chassis) большой корпус вообще не используется, элементы питания встраиваются непосредственно в пол автомобиля. Это позволяет сэкономить вес и разместить больше энергии, но усложняет ремонт автомобиля в случае поломки.

В5: Как инженеры могут анализировать и подтверждать структурную надежность аккумуляторных батарей?

Краткий ответ: Перед созданием физических испытательных образцов мы проводим компьютерное моделирование воздействия напряжений и тепла.

Подробный ответ: Автомобильный аккумулятор подвергается воздействию неровностей дороги, резких торможений и погодных условий. Прежде чем штамповать металл, мы используем инструменты автоматизированного проектирования (САПР). Мы проверяем напряжение и изгиб (МКЭ), тестируем на вибрацию и дребезжание (модальный анализ) и моделируем годы эксплуатации (анализ усталости). Это доказывает работоспособность конструкции до того, как мы потратим деньги на дорогостоящие физические прототипы.