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动力电池系统主要受两种力的作用，一种为接触式受力，另一种为非接触式受力，由防护结构和连接结构对产品进行保护，使其满足功能要求且能通过相应的测试验证。
动力电池系统的防护结构主要包括箱体、支架、模组框架、冷却系统、箱体内部固定结构（固定模组、电气件、高低压线束、连接器、冷却系统等结构）。
在设计防护结构和连接结构时，需要将定性的指标转化为一个定量的设计参数。
电池箱体的设计主要包括上盖、下箱体、密封结构件、压条、支架等，其材料选择和结构形式主要取决于电池箱体的尺寸大小、结构形式（规则或异型结构）、机械强度和轻量化目标等要求。
电池箱体结构设计要点如下：
1）能量密度：比能量、轻量化。
2）热管理：热均匀性、热管理系统效率、导热、散热、保温、加热。
3）连接可靠性：过电流能力、电气连接可靠性、机械连接可靠性（防松）。
4）可制造性：生产效率、优率、成本。
5）机械安全：机械振动、冲击、强度、碰撞、挤压、侧翻、底部球击、跌落等。
6）电气安全：高压标识、电气绝缘、电气间隙、爬电距离、防触摸、等电位联结。
7）防护安全：防水防尘（IP67＆IP6K9K）、防盐雾腐蚀。
8）其他：电池箱火烧、热失控蔓延控制、电池箱内外压力平衡和紧急排放。
1.箱体边界尺寸确定
箱体的边界尺寸来源于整车对动力电池系统的整体要求，也受到来自下一层级模组、高压箱的影响。通过上下层级因素的综合考虑，已确定箱体的边界尺寸。
标准箱体的需求边界综合考虑了整车、模组和高压箱（包含在箱体内部，还是独立于箱体）边界尺寸的需求，考虑了规模化生产、售后维护、后续梯次使用和回收利用等因素，因此标准电池包箱体是能平衡各方面因素的比较成熟的选择。
2.上盖设计
电池箱体上盖主要起密封作用，受力不大，常用的材料主要有钣金、铝板材和复合材料。钣金和铝板材上盖有两种成型工艺：折弯+拼焊和一体冲压成形，复合材料一般使用一体成型即模压。上盖设计考虑因素见表3.5。
表3.5 上盖设计考虑因素
除了上面的考虑因素外，还有加工的可行性、成本等其他方面的考虑，如加强筋等附加特征（表3.6）。
表3.6 防撞梁、加强梁和加强筋对比
防撞梁和加强梁结构形式稍有差异，但都是对箱体局部点的加强，当需要对箱体面上强度加强时，主要使用圈梁。
3.下箱体设计
下箱体作为主要机械承载部件，设计时相对复杂。确定边界尺寸后，下箱体需考虑的有机械强度、等电位、防腐蚀、密封设计、轻量化等，其中机械强度、密封设计、轻量化是主要的关注点（密封设计和轻量化将在后面章节介绍）。机械强度的设计内容包括：安装点设计、内部加强梁设计（图3.23）、防撞梁设计。机械强度设计考虑因素见表3.7。
图3.23 加强梁框架式结构
表3.7 机械强度设计考虑因素
安装点除了上面需要关注的三个方面外，安装点的结构形式也需要关注，安装点结构形式见表3.8。
表3.8 安装点结构形式
在电池包的轻量化设计中，有两个方向：一个是系统层面。另一个是详细设计层面。
系统层面的轻量化设计，首先应该是从电池单体的选择入手，不同体系和尺寸的电池单体与动力电池系统都有一个匹配度的问题；通过优化整体排布，实现空间的最大利用率；还有就是在系统层面，减少层级。本节主要介绍详细设计层面，系统层面就略过。
详细设计层面的轻量化可以从几方面入手：新的成组方式、新型材料的应用、尺寸优化、拓扑优化和制造工艺的选择。
1.新的成组方式
现在的电池包设计，大部分都采用三级结构，即模组级、箱体级和系统级。在这种设计中，模组级的成组效率（电池单体占模组的重量百分比）可以做到80%甚至是90%以上，而箱体级的成组效率做得比较好的也就80%多一点，但两者相乘后总效率不高，在不算高压盒的情况下，系统级别的成组效率也只能达到70%上下。
以商用车为例，现在的商用车大都使用磷酸铁锂电池单体，能量比重量做得好的也就140～150W·h/kg，按照国家补贴要求，能量比重量在115W·h/kg以上，才能拿到比较好的补贴，那么系统的成组效率需要做到80%以上，势必需要新的成组方式。新的成组方式有两个方向，见表3.9。
表3.9 新的成组方式方向
2.新型材料的应用
轻量化材料是指可用来减轻动力电池系统自重的材料，它有两大类：一类是低密度的轻质材料，如铝合金、复合材料等；另一类是高强度钢。轻量化材料的特点见表3.10。
表3.10 动力电池系统轻量化材料
在动力电池系统中应用新型材料部件的示例见表3.11。
表3.11 新型材料应用示例
随着新材料和新技术的逐渐应用，动力电池系统的生产工艺也在发生变化（表3.12）。比如，冲压、板材温冲压、型材挤压和结构件铸造代替传统方法，以及焊装、涂装都与传统不同，使得铝合金的涂装工艺发生了变化，这里面比较有代表性的就是特斯拉。碳纤维的工艺为纤维编制然后烘烤，它的连接方式可以是预埋一些连接件，其代表车型就是长城华冠。
表3.12 轻量化材料典型加工工艺
电池包是一个内部带很大能量的电子产品，它的电压一般都超过安全电压60V，并且对导电的液体很敏感，导电液体一旦进入电池包内部，很可能造成电池包功能异常，甚至引起短路、起火、爆炸等情况。所以，在进行电池包结构设计时，必须考虑IP防护。
IP防护分为两块：一是接触防护，IPXXB和IPXXD；二是防水防尘，PXX。
目前，使用比较成熟的电池包箱体主要有钣金箱体、铝合金箱体和复合材料箱体，不同材料的箱体，在进行IP67密封设计时，有不同的要求（表3.13）。
表3.13 箱体IP防护设计要点
对于上下箱体的安装面，除了考虑水平度外，安装面的结构设计对IP防护也有不同的影响（表3.14）。
表3.14 上下箱体安装面密封结构
除了对上下箱体安装面密封结构有要求外，对于插接件与箱体的安装固定方式也必须满足IP等级要求，在设计时通常采用两种方式：
1）箱体插接件安装孔设计为盲孔这种方式简单，但是存在结构强度不足的缺点。
2）为了达到箱体的强度要求，可以先将插接件安装在板上，再把板安装在箱体上并做密封处理。
动力电池系统是一个长期、频繁使用的产品，它应用的环境比较多样，并且应用场合的人员也比较集中，一旦发生极端情况（起火、爆炸），如果没有相应的保护措施，将对社会造成很大的危害。因此，在防火和阻燃方面需要对动力电池系统做针对性的设计。
防火与阻燃可以从两方面来考虑：①被动防火与阻燃；②主动防火与阻燃（表3.15）。
表3.15 防火阻燃设计
现在，防火的材料主要由无机黏合剂、耐火的矿物质填料、难燃型有机树脂、难燃防火添加剂构成。在动力电池系统中，结构件经常添加防火添加剂增强防火阻燃能力，比如在密封垫中添加防火阻燃材料。
对电池着火来说，水是最有效的灭火材料，但由于动力电池系统空间限制，不可能储存大量的水，所以电池系统的消防系统可以采用多级设计：在箱体内部安装小剂量的消防装置，抑制电池系统的开始火势，然后通过箱体面板上的接口连接箱外消防系统再抑制，最后通过箱体面板上的接口，接入消防水管达到完全扑灭效果。
防腐蚀可以用不同的防腐等级来表达，主要根据产品的使用寿命和使用环境来确定零部件的防腐等级。例如使用寿命为8年，并且在沿海地区使用，那么产品的防腐等级一般要达到：中性盐雾时间480h，参考汽车行业规范（表3.16）。
表3.16 动力电池系统常用防腐蚀工艺
续表
动力电池系统的零件数量高达数百个，高压连接可达数十处，在生产、安装及测试过程中，很容易出现因人员误操作，导致电池系统短路起火，甚至人员遭受电击的事故，因此，防呆设计对人员安全和财产安全至关重要，可大大避免不必要的人员和财产损失。
通常来说，防呆可以分为：机械防呆、颜色防呆和标志防呆（表3.17）。
表3.17 动力电池系统防呆设计
续表
例如BMW i3电池系统的设计，电池系统内部模组连接采用串联结构，控制高压线束长度，并在高压串联线上增加标志，以防止人员误操作风险。
电池系统内部高压线束接头正负极均必须采用防呆结构设计，以控制人员误操作风险。再如，快插高压连接器，有键位、颜色和标志的三重防呆设计。在接口位置比较集中的部位，对不同高压连接选用同系列快插连接器时，应当选用键位、颜色和标志都不一样的高压连接器。