多功能新能源电池BMS支架设计

王国桢

福特汽车工程研究（南京）有限公司

前言 概况
随着汽车工业的发展，新能源汽车越来越成为一种趋势，插电式混合动力以及纯电动汽车越来越被消费者所接受，其中插电式混合动力有更长的续航能力以及更好的燃油经济性，无论是插电式混合动力还是纯电动，动力电池一般都采用磷酸铁锂电池，或者三元锂电池，相对于磷酸铁锂电池，三元锂电池有更大的能量密度以及更好的充电效率，深受消费者喜爱。因为三元锂电池在高温时安全性较差，所以控制三元锂电池的工作温度稳定性显得尤为重要。

设计思路
本文阐述了一种多功能电池控制系统（Battery Management System, BMS）支架的设计，该设计将为电池控制系统提供良好的工作环境。 BMS是电子组件，如果用冷却液冷却，会存在冷却液泄露的风险，严重时会导致电池短路。 BMS安装在电池包内，电池包内的空气流通有限，空气的导热系数为0.0267W/m*K，热量会积累在电池包内，从而导致BMS 温度过高。
（1）导热功能
一种命名为COOLTHERM SC-1200 液态导热填缝材料具有良好的导热性能（见表1），可以应用在BMS与BMS 支架中间，从而帮助BMS 快速导热（见图1）。COOLTHERM SC-1200的热传导系数为2.0W/m*K，BMS支架为铝制材料，铝的热传导系数为217.7W/m*K ，BMS在工作中产生的热量会通过COOLTHERM SC-1200传递到BMS支架上。热量CAE的仿真结果表明在BMS与BMS支架之间应用COOLTHERM SC-1200时， BMS的最高温度会减少5℃。BMS 与BMS支架之间需要预留1mm的间隙用来填充COOLTHERM SC-1200, COOLTHERM SC-1200 的长度为178mm, BMS支架凸起区域尺寸为190mm*36*mm*5mm, COOLTHERM SC-1200在支架凸起的区域至少填充两道，通过BMS与BMS支架的挤压，均匀的固化在二者之间。

表格1

Typical Cured Properties
Thermal Conductivity W/m*k Hot Disc Transient Method	2.0
Harness Shore OO, ASTM D2240	82
Tensile Strength, MPa (psi) ASTM D 638	0.31(45)
Elongation at Break % ASTM D 638	60
Moisture Absorption % ASTM D 570-81	＜0.1
Volume Resistivity ohm-cm @25℃	1.4 X 1013
Cyclic Siloxane Content ppm ASTM F 2466	＜20

BMS

BMS 支架 COOLTHERM SC-1200

图1

BMS通过COOLTHERM SC-1200连接在支架上，由于COOLTHERM SC-1200的作用，BMS的最大平均工作温度从63.2℃降到了58.3℃。电池控制系统模块有很多电子组件，BMS的工作温度应该控制在60℃以内，如果BMS 长时间处于高温的环境下工作，将会影响到BMS 的使用功能和寿命，最重要的是将会影响到控制电池的温度。如果BMS失效了，电池将会失去控制，存在过充的风险，进而损伤电池，严重时将会发生热失控，影响电池的使用寿命。
（2）结构强度
BMS 支架需要提供足够的强度来支撑BMS，从而阻止支架的震动。在汽车的行驶过程中，支架的震动频率要求需要满足大于35Hz,BMS支架CAE的分析结果震动频率为53.1Hz,可以为BMS 提供足够的强度。
（3）紧固功能
BMS支架设计了5个冲压孔铆接螺栓用以固定BMS，铆接螺栓法兰面均匀分布了10个锯齿状特征，铆接螺栓法兰面设计成倒三角结构（见图2），铆接在1.5mm厚的支架上，这些特征保证BMS在紧固过程中不会松动。BMS支架孔设计成9.25mm-9.35mm用来铆接螺栓，这样可以保证在紧固螺母的时候铆接螺栓不会松动（见图3）。

图2 图3

（4）引出磁场
电池包内部有很多线束连接在电池模组与BMS 之间，这些线束通电后会产生很多的磁场围绕在BMS周边，这些磁场会影响BMS监控电芯电压以及温度的准确性。在BMS与电池包壳体之间，BMS 支架会提供接地连接将磁场通过BMS支架引出至电池包外，从而减少磁场对BMS的影响。
（5）接地功能
电池包壳体为冲压钢材料，外层必须要有涂层防止其腐蚀，涂层的材料为环氧树脂，环氧树脂是绝缘的，因此涂层阻止BMS接地。为了让涂层也能接地，需要一种特殊的螺母辅助，这种螺母在扭紧的时候能够破坏涂层，从而实现接地。这种螺母有三个开槽均匀的分布在螺母上，每个开槽的尺寸为1.5mm*1mm，开槽贯穿整个螺母，当扭紧螺母的时候三个开槽会把涂层破坏掉。为了让螺母提供足够的锁紧力而不至于松动，在螺母内部开一个槽，将一个尼龙材料密封圈压在槽里，密封圈将会阻止螺母松动（见图4）。

图4
（6）提线束安装孔
BMS 上面有很多电子连接器，当汽车行驶过程中，电子连接器的线束将会产生震动，与BMS支架摩擦，从而磨损线束，为了减少电子线束的磨损，BMS支架提供了线束卡扣安装孔，使电子连接器稳定固定在BMS支架上。
（7）为BDU提供保护
电池包断路单元（Battery Disconnect Unit， BDU）位于BMS支架下方，BDU 是电池包高压回路中重要的电子单元。BMS 支架将罩住BDU为其提供保护，当在整车挤压和电池包挤压实验中，BMS支架将为BDU提供足够的保护，使其在挤压过程中避免受到损伤（见图5）。


图5
结语
本文详细介绍了BMS支架多动能的设计思路以及应用，从BMS实际工作需要着手，通过简单的支架设计，在满足功能的提前下，考量了制造加工成本，有利于降低生产成本，提高生产效率和经济效益。