锂电池包及框体概述
主要由承载框体（其中包括下框体、上框体），锂电池，高压连接组件（像是高压接插件等等），低压连接组件（比如低压接插件之类）等构成的锂电池包，呈现出像图1所展示的那样 。
1，存在一个上框体；2，有一个下框体；3，包含一组锂电池组；4，具备一个高压组件；5，有一个低压组件（此低压组件内含于整体之中），在图1所展示的锂电池包内，那锂电池框体啊，它可不单单是各个零部件的承载体这么简单，更进一步讲呢，它还担当起连接整车的“桥梁”这一角色，并且啊，锂电池是借助锂电池框体安装结构被装配到整车上的呀。
来源于蔚来汽车的图片显示，为了达成便于安装以及维护的目的，承载框体通常会被划分成上框体与下框体。下框体主要用于承载器件，承受电池系统相对更多的重量；上框体一般主要发挥防护作用，对承重的要求比较小；。
下框体设计
电池系统的主要承载部件是下框体，它的设计相对而言更为复杂，用来设计的过程所需要考量的点较多，主要包含机械强度、密封设计、防腐、轻量化等，当下，电池系统所运用的下框体工艺涵盖了钣金工艺、冷冲压工艺、挤出成型、压铸等。钣金拼焊框体设计主要被应用于初期设计打样，它具备周期短、投入少的特点，可见图2。
图2 钣金拼焊框体
设计钣金制作且为冲压方式的框体，这个设计它有着一个优点，就是工艺成熟，并且框体的结构强度是比较高，也是源于其优点，深受电池包供应商喜欢，特别是在工况恶劣的一些场景诸如矿区那里，往往会采用钣金冲压方式的框体设计，具体形状可见图3 。
图3 钣金冲压框体
以铝挤出方式进行成型的框体设计，鉴于其具备轻量化这一优点，故而在电池包框体设计当中获得了广泛应用。随着整车对于电池系统能量密度所提出的要求在逐步提升，框体设计实现轻量化已变得刻不容缓，铝挤出工艺也成为了电池系统实现轻量化的主要方案，可参见图4。
图4 挤铝框体
压铸框体进行设计，其成本相对来讲是比较高的，主要是用于小型电池包框体的设计这方面，像是48V电池包方面。跟着电池系统框体与整车底盘的渐渐集成化，电池框体直接借助压铸底盘框体架构，电芯直接放置在压铸底盘框体内，也就是Cell to classis，意思是电芯直接集成到整车底盘上，这也变成了框体设计的主要设计方案，情形可见图5 。
图5 一体化底盘框体
(1)基于整车包络和锂电池工艺设计
不同类型以及工艺的锂电池，其所适用的框体设计方案是不一样的，按照锂电池的封装方式来分，有圆柱的，有方壳的，还有软包的，像是松下的21700圆柱电池，宁德时代的方壳电池，LG的软包电池 。
按照选出的电池类型以及它的工艺来作业于进行电池排布，在这当中，电池于框体内所呈现的排布方案，被称作成组技术，用于评判成组方案的好坏，以及框体设计是否达标的一项关键指标是成组效率，成组效率具体指的是电池有效重量占比、有效空间占比，有效占比越高，成组效率也就越高。
电池框体的设计，得考量各类情况，其中包括为放在框体内的电池，规划其排布的形式，设计其固定的办法，思索其热管理的方式 。圆柱电池的排布方式，存在沿高度做出垂直排放安排的情况，也有沿高度进行平躺放置布置的情形 。圆柱电池要固定于下框体，需要额外借助支架，这种支架通用选型是塑料支架，除此之外还可以使用胶水 。像图6所呈现的那样，是圆柱电池沿高度垂直地布置，并且采用填充胶水的方式固定在框体之上 。
图6 圆柱电池沿高度垂直布置
方壳电池主要采用沿高度垂直布置，如图7。
图7 方壳电池沿高度垂直布置
其固定方式主要为两种，一种是采用支架固定，也就是传统模组方案，另一种是无支架固定，像宁德时代推出的CTP(Cell to Pack)方案那样，即电芯直接借助胶水固定于框体上。软包电池单体结构强度较弱，需要支架进行支撑，电池框体设计更多地要考虑与软包单体支架之间的连接，软包电池本身的布置相对而言较为灵活。
(2)基于电量及能量密度设计
基于整车方面所需求的电量以及电压平台，来开展电池布置。于这个过程之中，能够初步达成从包络到电池的尺寸分解。依据电池的类型以及所已经分解好的电池尺寸，能够展开电池能量密度、体积密度等的预估，再次着手进行选型以及布置方案的校对，以此确认这种布置方案是不是符合当前行业的电池工艺水平。不同的电池体系，其电池电压平台不一样，系统所需要成组的电池数量也都会存在差异。普通三元材料电池，额定电压处于3.56V，磷酸铁锂材料电池，额定电压为3.22V，同样构建出350V的系统电压，三元材料电池需要98个电芯，而磷酸铁锂材料电池则需要108个电芯。依据能量密度需求，融合电池布置方案，展开框体材料以及结构的考量。在设计进程中，要结合当下行业水准去开展有效的方案评估。当下，三元材料电池系统能量密度能够达到200至220Wh/kg，磷酸铁锂材料电池系统能量密度能够达到160至190Wh/kg。电池重量能量密度是整车新能源补贴、免征购置的重要指标。
(3)基于框体材料及结构进行框体工艺设计
产品设计、模具设计、钳工、表面处理等属于框体设计范畴，工程师要结合所选用的框体材料以及工艺，达成闭环设计，进而完成最终产品出样，利用有限元分析系统(FEA)开展框体的结构分析，获取诸如模态、变形、应力等参数，以此确认设计符合指标，框体设计中的主要结构仿真涵盖振动、冲击、挤压、碰撞、跌落，相关的仿真工况输入主要源自整车输入、工况采集、法律法规。当中，像振动、冲击、挤压、跌落这般的，于GB38031里有着确切的规定，是属于一定要满足的项目。设计师要依据实际情形，跟客户确认好仿真工况，以此保证仿真的有效性。
上框体设计
上框体重点是跟下框体协作，进而构建出密闭的空间，达成对框体内部零部件的保护。上框体材料的挑选主要考量环境适应性，像耐侯性、耐高温以及防腐蚀等；并且要拥有一定的强度，去满足电池系统的结构强度需求。当下主要运用钣金材料和复合材料。 钣金材料有着工艺成熟、成型简便、结构强度高这类优点。主要应用于环境适应性要求高、强度要求也高，不过相对而言对能量密度要求低的场景。存在这样一种材料，它被称作复合材料，具备密度低、重量轻、耐腐蚀、阻燃性良好以及绝缘性佳等诸多特点，从而在乘用车电池包上框体设计里得到广泛运用。上框体工艺的挑选，是需要依据所采用的材料以及框体结构来进行的。针对钣金材料构成的上框体，通常会采用冲压工艺，而复合材料制成的上框体，主要是运用模压工艺以及注塑工艺来实现成型的。伴随CTC方案得以推广及应用之后，上框体也将会被整合于整车底盘之中。
其他辅助设计
(1)密封设计
连接上下框体的时候，要达成密封连接，以此实现防水、防尘之类功能。确认防护等级，也就是Degreeofprotection，是依照GB/T4208来做测试的。
针对密封结构的设计，需要依据结构、材质所具有的特性，像是亲水率、变形率以及老化等方面展开，常见的密封结构包含但不限于密封垫、密封圈，就像O型圈这样的，还有涂胶密封。当下，使用于锂电池的上下框体密封设计当中，主要存在着密封垫设计以及涂胶设计这两种方式。密封垫设计这种方式，有着拆换便捷、能够被重复使用的特性，然而相对来讲成本却比较高；而涂胶密封呢，在进行更换维护时较为困难，重复使用起来性能较差，不过其密封效果比较好，并且成本也不高。
(2)气压平衡设计
存在处于密封状态的框体这一情况，其内部与外部之间存在着压差，此压差会要受到温度、海拔诸多之类因素的那种影响，要是出现过大的压差这下子，那么将会致使框体受到这种额外的受力现象，进而对框体结构有所影响，更甚的还会引发框体发生爆破这种状况。通常会采用像气压平衡阀或者透气阀等一类型的装置，来实施内外压差平衡这样的操作。气压平衡设计还具备另外一个功能，是能够起到及时泄气这样效用。特别是在电池发生喷阀泄露从而产生大量气体的时候，一定要确保电池框内气体能够及时、有效并且是定方向地通过这种设计去放走气体，以此来防范发生电池包爆炸的情况。气压平衡设计结构能够布置在上下框体之上，这要视上下框体跟整车间的预留空间情况而定，此结构需要放置在具备足够预留空间的地方，并且泄气方向尽可能朝着整车行驶的方向。
(3)热管理设计
维持电池系统的工作，需要将其保持在规定好的一定温度范围之内，通常情况下理想的工作所在温度是处于20℃至35℃这个区间当中。电池系统之中的热管理，起到了类似电池系统温度调节器的作用，通过某些措施确保电池的温度处于适宜的区间范围。框体进行设计的时候，同样并且同步是要把热管理的结构布置以及设计纳入需要考虑的范畴之内。热管理方案是分为被动方案，也就是那种风冷或者自然冷却等同类型的方式，还有主动方案，就像是液冷这种方式。其中，风冷或者自然冷却方案所涉及的框体设计，主要是重点去充分考虑其内部电芯怎样恰当进行布置分布，以此来保证框体之内电芯的温度整体具有一致性这些情况。当前阶段，电池所实行的热管理方案更多的是采用液冷液热方案。
电池包风冷设计
电池包液冷设计
不同的电池成组方案，有着不同的热管理设计，其与电池框体的集成方案也不一样。圆柱电池一般采用将变形的水冷板附着于电池表面的热管理设计方案，像TeslaY的水冷板布置在圆柱电芯之间，且内置于下框体。
直冷
一种热管理设计方案是，方壳电池可采用这样的方式，即把水冷板附于下框体底部，或者采用和下框体集成的方式。软包电池的热管理方案通常是，将水冷板集成于电池支架上。在下框体设计里，更多地要考虑其空间，还有电池支架的固定方案。
(4)安全设计
框体设计之时，要考虑与之相应的安全防护设计，像是等电位设计，还要考虑触电防护设计，另有挤压防护，以及碰撞防护、热失控防护设计等等一系列存在。在进行框体设计整个过程当中，工程师需严格依照GB18384，GB38031等诸多法规所提出的要求，并且要联结FMEA分析，以此来确保安全设计所具备的有效性，进而保障用户自身的人身安全。
(5)高低压连接设计
高低压连接有着充当电池系统“神经”功能的作用，能把动力以及信息有效地对外进行输出。上下框体的设计得结合高低压连接方案预留充足的空间，这空间涵盖安装空间、爬电距离等，还有电器间隙。锂电池框体的结构依据电芯类型、电芯成组技术存在各异的设计方案。从事设计的人员就得去了解不同电芯类型的工艺、成组方式以及电池工艺水平，以此来进行框体尺寸的分解以及结构设计。总计起来，本文依照正向设计的流程，对锂电池构造做了简述，并分别给出其上框体和下框体的设计方法以及注意事项。在将整车输入电池布置空间以后，要结合设计指标、电池成组方案、热管理方案、高低压连接方案等，来确定上下框体方案，并且预留相关零部件的有效空间；接着结合整车安装要求、工艺特性等，开展细节设计，这其中涵盖气压平衡设计、气密设计等；最后再结合仿真，达成设计优化以及设计冻结。不同的设计需求，其最终的设计方向会存在不同，就像CTP (Cell to Pack)和CTC (Cell to Classis) ，它们的框体结构差异显著。工程师要依据实际项目的需求，还要结合自身电芯工艺的能力，来开展相关的设计工作。
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