Con el rápido desarrollo de los vehículos de nueva energía y las tecnologías de almacenamiento, la seguridad y fiabilidad de los sistemas de baterías, como núcleo portador de energía, han atraído gran atención. La bandeja de batería, como estructura de soporte y protección para los módulos de batería, tiene un desempeño de aislamiento eléctrico que afecta directamente la operación segura del vehículo, la vida útil de la batería y la seguridad personal de los usuarios. El diseño de seguridad eléctrica de la bandeja constituye la base de la seguridad del sistema de baterías. A través de protecciones multicapa (aislamiento, estructura, gestión térmica, monitorización, etc.), garantiza el funcionamiento estable de la batería en condiciones complejas, reduce riesgos como incendios, explosiones o descargas por fallos eléctricos, prolonga su vida útil y mejora la fiabilidad del sistema.  

Este artículo aborda sistemáticamente los principios de diseño del aislamiento eléctrico de la bandeja, los métodos de verificación de resistencia a voltaje, así como análisis de causas raíz y estrategias de mejora ante casos típicos de fallos, con el fin de proporcionar fundamentos teóricos y referencias prácticas para el diseño de sistemas de baterías de alta seguridad.  

Parte I Puntos clave de diseño

El núcleo del diseño de seguridad eléctrica en sistemas de baterías radica en un enfoque tridimensional de "prevención-control-emergencia": prevenir fallos mediante aislamiento, conexiones fiables y gestión térmica; controlar en tiempo real mediante sensores y BMS; y gestionar situaciones extremas con diseño ignífugo o de alivio de presión. Todos estos elementos deben actuar sinérgicamente para garantizar la seguridad y fiabilidad del sistema durante todo su ciclo de vida, priorizando además la mantenibilidad y el cumplimiento normativo. La bandeja de batería no solo proporciona soporte estructural, sino que cumple funciones críticas como aislamiento eléctrico, gestión térmica, anti-deslizamiento, protección mecánica, conexión a tierra y diseño modular, siendo esencial para la seguridad eléctrica del sistema.

1-El soporte estructural garantiza la confiabilidad de las conexiones eléctricas.

La bandeja de la batería garantiza la confiabilidad y seguridad de las conexiones eléctricas en condiciones de trabajo complejas al fijar los módulos de la batería, reducir el estrés mecánico, resistir la vibración y los golpes, mantener la alineación e integrar la protección ambiental y la gestión térmica.

Figura 1 Bandeja de la batería

A.El soporte físico y la fijación garantizan la alineación precisa de los puntos de conexión eléctrica (como barras colectoras, mazos de cables y conectores) para evitar un mal contacto causado por la deformación o el desplazamiento estructural; proporcionan un marco rígido para fijar los módulos de batería y los conectores para evitar que se aflojen o rompan debido a la vibración o el impacto.

B.Aislamiento y protección ambiental: evitan la intrusión de vapor de agua, polvo, niebla salina, etc. mediante un diseño de sellado (como IP67/IP68), evitan cortocircuitos causados por corrosión o fallas de aislamiento; bloquean golpes mecánicos externos o impactos de cuerpos extraños para proteger los componentes de conexión de alto voltaje.

C.Sinergia de gestión térmica: la estructura de disipación de calor integrada (como placa de refrigeración líquida, almohadilla térmica) equilibra la temperatura para evitar que el sobrecalentamiento local provoque oxidación o soldadura de los puntos de conexión; reducen la interferencia térmica entre módulos adyacentes mediante un diseño de aislamiento térmico para evitar diferencias de expansión del material causadas por gradientes de temperatura.

D.Soporte de compatibilidad electromagnética (EMC): suprime la interferencia electromagnética a través de una capa de protección metálica o un revestimiento conductor para proteger las líneas de señal de bajo voltaje (como las líneas de comunicación BMS) de la interferencia del circuito de alto voltaje.

2-La protección de aislamiento crea un entorno de aislamiento eficiente

El objetivo del diseño de aislamiento eléctrico de la batería es crear un entorno que pueda aislar eficazmente la electricidad de alto voltaje y garantizar el funcionamiento eficiente del sistema, asegurando que el módulo de batería se pueda empaquetar de forma segura en cualquier condición de funcionamiento, evitando la liberación accidental de energía eléctrica y evitando así posibles riesgos eléctricos.

A.La estructura de la bandeja de la batería tiene en cuenta tanto la protección de la carga como la del aislamiento:

l Los materiales de aleación de aluminio, como la aleación de aluminio extruido, son los preferidos para lograr un peso ligero manteniendo al mismo tiempo una alta rigidez y resistencia al impacto. El marco exterior se utiliza para soportar el peso de todo el sistema de batería y el impacto externo. Se utilizan perfiles de sección cerrada para mejorar la resistencia estructural. El marco interior está diseñado para soportar módulos de batería y placas refrigeradas por agua, etc., para garantizar su estabilidad y los requisitos de disipación de calor.

l Se utilizan materiales aislantes como almohadillas o revestimientos para garantizar un buen aislamiento eléctrico entre el módulo de batería y la bandeja. El mazo de cables de alto voltaje debe tener una ruta de gestión dedicada y una funda aislante para garantizar la distancia de fuga y el espacio eléctrico con la bandeja.

l Se utilizan tecnologías de soldadura avanzadas, como la soldadura por fricción y agitación, para mejorar la resistencia de la conexión al tiempo que se reducen las zonas afectadas por el calor, evitando la deformación y las posibles grietas. Para las piezas que son incómodas de soldar, se utilizan conexiones atornilladas o remachadas, combinadas con selladores, para garantizar la fiabilidad de las conexiones mecánicas y el aislamiento eléctrico.

l Se tiene en cuenta la modularidad durante el diseño para facilitar el reemplazo y el mantenimiento de la batería sin afectar la estabilidad de la estructura general.

Figura 2 Diagrama esquemático de distancia de fuga y espacio libre eléctrico

B.Puntos clave del diseño de aislamiento de alto y bajo voltaje:

l Los puntos positivos y negativos del sistema de batería deben estar aislados del sistema de suministro de energía de bajo voltaje y de la bandeja de la batería para garantizar que haya suficiente espacio libre eléctrico y distancia de fuga entre el circuito de alto voltaje y el circuito de control de bajo voltaje para cumplir con los estándares de seguridad y evitar fugas de alto voltaje al sistema de bajo voltaje.

l El diseño de aislamiento de alto-bajo voltaje debe considerar la compatibilidad electromagnética (EMC) para garantizar que las medidas de aislamiento no introduzcan interferencias y mantengan el sistema funcionando de manera estable.

l Conexión de alta impedancia, los sistemas alto y bajo están conectados a través de alta impedancia, y solo se permite la conexión a tierra de la carrocería del vehículo (bandeja de la batería) para limitar el flujo de corriente para garantizar que la falla del sistema de alto voltaje se propague al sistema de bajo voltaje.

l Medidas de aislamiento físico, al diseñar la bandeja de la batería, los componentes de alto y bajo voltaje se pueden disponer en diferentes cámaras cerradas para reducir la influencia mutua a través de la separación física; use materiales aislantes como almohadillas entre el módulo de batería y la bandeja, como plásticos poliméricos o caucho, para garantizar el aislamiento físico y eléctrico.

l Considere la mantenibilidad de las medidas de aislamiento durante el diseño para garantizar que puedan repararse o reemplazarse de manera segura cuando sea necesario.

 C.Puntos clave del diseño de protección de contactos:

l Gestión de los arneses de alta tensión: los arneses de alta tensión deben envolverse adecuadamente en fundas aislantes y gestionarse de forma ordenada mediante clips de fijación o canales para cables para evitar la exposición y reducir el riesgo de contacto directo.

l Particiones de seguridad: se colocan particiones aislantes entre los módulos de batería y entre los módulos de batería y las paredes de la bandeja para evitar el riesgo de descarga eléctrica indirecta causada por fugas de electrolito cuando la batería está dañada.

l Embalaje de componentes de alta tensión: los componentes clave, como los conectores y relés de alta tensión, se empaquetan para garantizar que estos componentes no se toquen directamente por accidente, incluso dentro de la bandeja.

l Diseño cerrado: la bandeja de la batería está diseñada como una estructura cerrada en su conjunto, utilizando una carcasa de metal o compuesto para garantizar que los componentes internos de alta tensión no queden expuestos, y la carcasa en sí también debe tener buenas propiedades de aislamiento.

l Mecanismo de bloqueo: para los puntos de conexión de alta tensión que se puedan mantener, se utiliza un mecanismo de bloqueo para garantizar que no se abran fácilmente durante operaciones no profesionales, lo que reduce el riesgo de contacto accidental.

l Aplicación de material aislante: Los materiales aislantes se utilizan como capa de aislamiento entre la bandeja de la batería y el módulo de la batería para garantizar que, incluso si la bandeja se daña, se pueda evitar que el cuerpo humano entre en contacto directo con las partes activas. Estos materiales incluyen, entre otros, plásticos poliméricos, juntas de goma o revestimientos.

3-Diseño de logotipo eléctrico

La identificación eléctrica de la bandeja de la batería no solo puede mejorar la seguridad de la operación, sino que también simplifica el proceso de mantenimiento y reduce el riesgo de operación incorrecta.

A.Identificación clara

l Marque claramente las señales de advertencia como "Peligro de alto voltaje" y "No tocar" en la bandeja de la batería y los componentes de alto voltaje circundantes para garantizar una rápida identificación incluso en una emergencia.

l Utilice códigos de colores aceptados internacionalmente, como rojo o naranja para marcar áreas de alto voltaje y azul para corriente continua, para distinguir intuitivamente diferentes características eléctricas.

l Aplique símbolos de seguridad eléctrica estandarizados, como los símbolos gráficos en IEC 60417, para indicar alto voltaje, conexión a tierra, puntos de apagado, etc. para garantizar la comprensión global de la información.

l Incluya el número de serie, la fecha de producción y la información del lote de la bandeja de la batería para facilitar el seguimiento y la gestión de retiradas.

l Seleccione materiales y tecnologías de impresión resistentes al desgaste y a la corrosión para garantizar que la etiqueta permanezca clara y legible durante todo el ciclo de vida de la bandeja de la batería.

B.Señales de advertencia

l Los peligros de alto voltaje están claramente marcados en la bandeja de la batería y las áreas circundantes para recordarle al personal de mantenimiento que debe prestar atención a la seguridad eléctrica y cumplir con los procedimientos operativos.

l Indique las distancias de operación seguras, especialmente cerca de conectores de alto voltaje y lugares expuestos, para recordarle a las personas que deben mantener una distancia adecuada.

C.Guía de funcionamiento

l Marque claramente las ubicaciones de conexión a tierra del sistema de batería y la bandeja para garantizar la correcta implementación de las medidas de conexión a tierra.

l Identifique los puntos de prueba seguros y los puntos de acceso para mantenimiento, que deben estar diseñados para funcionar en condiciones de bajo voltaje o sin suministro de energía.

l Se pueden incluir brevemente instrucciones básicas de operación y seguridad en áreas no críticas de la bandeja para guiar el proceso de operación correcto.

Actualizaremos periódicamente la información y las tecnologías relacionadas con el diseño térmico y la reducción de peso. Gracias por su interés en Walmate.