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動力軟包鋰電池，模組設(shè)計要點(diǎn)
| 發(fā)布時間：2021-06-11 |
電池模組可以理解為鋰離子電芯經(jīng)串并聯(lián)方式組合，加裝單體電池監(jiān)控與管理裝置后形成的電芯與pack的中間產(chǎn)品。其結(jié)構(gòu)必須對電芯起到支撐、固定和保護(hù)作用，可以概括成3個大項(xiàng)：機(jī)械強(qiáng)度，電性能，熱性能和故障處理能力。是否能夠完好固定電芯位置并保護(hù)其不發(fā)生有損性能的形變，如何滿足載流性能要求，如何滿足對電芯溫度的控制，遇到嚴(yán)重異常時能否斷電，能否避免熱失控的傳播等等，都將是評判電池模組優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)。高性能需求的電池模組，其熱管理的解決方案已經(jīng)轉(zhuǎn)向液冷或相變材料。
軟包電池單體能量密度在常見三種鋰電池封裝形式中，最容易做高，但到了模組設(shè)計這一層，對產(chǎn)品整體安全性的考慮任務(wù)卻最重，可以說是把一部分電芯的活轉(zhuǎn)移給了模組結(jié)構(gòu)。
模組的主要組成
軟包電池，各家設(shè)計選擇差距比較大，上圖中式一種較為典型的形式，其基本組成包括：模組控制請（常說的BMS從板），電池單體，導(dǎo)電連接件，塑料框架，冷板，冷卻管道，兩端的壓板以及一套將這些構(gòu)件組合到一起的緊固件。其中兩端的壓板除了起到聚攏單體電芯，提供一定壓力的作用以外，往往還將模組在pack中的固定結(jié)構(gòu)設(shè)計在上面。
結(jié)構(gòu)設(shè)計
結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。結(jié)構(gòu)可靠：抗震動 抗疲勞；工藝可控：無過焊、虛焊，確保電芯100%無損傷；成本低廉：PACK產(chǎn)線自動化成本低，包括生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)損耗；易分拆：電池組易于維護(hù)、維修，低成本，電芯可梯次利用性好；做到必要的熱傳遞隔離，避免熱失控過快蔓延，也可以把這一步放到pack設(shè)計再考慮。
據(jù)了解，目前，行業(yè)內(nèi)圓柱電芯的模組成組效率約為87%，系統(tǒng)成組效率約為65%；軟包電芯模組成組效率約為85%，系統(tǒng)成組效率約為60%；方形電芯的模組成組效率約為89%，系統(tǒng)成組效率約為70%。軟包電芯的單體能量密度比圓柱和方形有更高的提升空間，但對模組設(shè)計要求較高，安全性不易把控，這都是需要結(jié)構(gòu)設(shè)計解決的問題。
一般模組優(yōu)化途徑。提升空間利用率也是優(yōu)化模組的一個重要途徑。動力電池PACK企業(yè)可以通過改進(jìn)模組和熱管理系統(tǒng)設(shè)計，縮小電芯間距，從而提升電池箱體內(nèi)空間的利用率。還有一種解決方案，即使用新材料。比如，動力電池系統(tǒng)內(nèi)的匯流排（并聯(lián)電路中的總線，一般用銅板做成）由銅替換成鋁，模組固定件由鈑金材料替換為高強(qiáng)鋼和鋁，這樣也能減輕動力電池重量。
熱設(shè)計
軟包電芯的物理結(jié)構(gòu)決定了其不易爆炸，一般只有外殼能承受的壓力足夠高，才有可能炸，而軟包電芯內(nèi)部壓力一大，便會從鋁塑膜邊緣開始泄壓、漏液。同時軟包電芯也是幾種電芯結(jié)構(gòu)中，散熱最好的。
軟包電池的著名代表，日產(chǎn)的Leaf，其模組結(jié)構(gòu)為全密封式的，并未考慮散熱，即不散熱。而Leaf在市場上頻繁反饋的容量衰減過快，與此熱管理也不無關(guān)系。顯然隨著人們對于高性能電動車的追求，迫使軟包電芯也必須要有主動式的熱管理結(jié)構(gòu)。
當(dāng)前主流的冷卻方式，已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐豪湟约跋嘧儾牧侠鋮s。相變材料冷卻可以配合液冷一起使用，或者單獨(dú)在環(huán)境不太惡劣的條件下使用。另外還有一種當(dāng)前國內(nèi)仍然較多應(yīng)用的工藝，灌膠。這里灌得是導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于空氣的導(dǎo)熱膠。由導(dǎo)熱膠將電信散發(fā)的熱量傳遞到模組殼體上，再進(jìn)一步散發(fā)到環(huán)境中。這種方式，電芯再次單獨(dú)替換不太可能但也在一定程度上阻止了熱失控的傳播。
液冷，在前面說明模組組成的圖片中，冷板與液冷水管正是液冷系統(tǒng)的組成部件。模組由電芯層疊而成，而電芯間有間隔排布的液冷板，其保證每顆電芯都有一個大面接觸到液冷板。當(dāng)然軟包電芯要將液冷技術(shù)做成熟也并非易事，其必須考慮液冷板的固定，密封性，絕緣性等等。
電氣設(shè)計
電氣設(shè)計，包含低壓和高壓兩個部分。
低壓設(shè)計，一般需要考慮幾個方面的功能。通過信號采集線束，將電池電壓、溫度信息采集到模組從控板或者安裝在模組上的所謂模組控制器上；模組控制器上一般設(shè)計均衡功能（主動均衡或者被動均衡或者二者并存）；少量的繼電器通斷控制功能可以設(shè)計在從控板上，也可以在模組控制器上；通過CAN通訊連接模組控制器和主控板，將模組信息傳遞出去。
高壓設(shè)計，主要是電芯與電芯之間的串并聯(lián)，以及模組外部，設(shè)計模組與模組之間的連接導(dǎo)電方式，一般模組之間只是考慮串聯(lián)方式。這些高壓連接需要達(dá)到兩個方面的要求：一是電芯之間的導(dǎo)電件和接觸電阻分布要均勻，否則單體電壓檢測將受到干擾；其次，電阻要足夠小，避免電能在傳遞路徑上的浪費(fèi)。
安全設(shè)計
安全設(shè)計，可以分為3個倒退的要求：良好的設(shè)計，確保不要發(fā)生事故；如果不行，發(fā)生事故了，最好能提前預(yù)警，給人以反映時間；故障已經(jīng)發(fā)生，則設(shè)計的目標(biāo)就變成阻止事故過快蔓延。
實(shí)現(xiàn)第一個目的的，是合理布局，良好的冷卻系統(tǒng)，可靠的結(jié)構(gòu)設(shè)計；次級目標(biāo)，則需要傳感器更加廣泛的分布到每一個可能的故障點(diǎn)，全面檢測電壓和溫度，最好監(jiān)測每一顆電芯的內(nèi)阻；最低目標(biāo)，則可以通過電芯和模組設(shè)置保險絲，模組和模組之間設(shè)置防火墻，設(shè)計強(qiáng)度冗余應(yīng)對災(zāi)害發(fā)生后可能的結(jié)構(gòu)坍塌。這都是高性能軟包模組的方向。
輕量化設(shè)計
輕量化設(shè)計，最主要目的是追求續(xù)航里程，消滅所有多余負(fù)擔(dān)，輕裝上陣。而如果輕量化再能跟降成本結(jié)合，則更是皆大歡喜。輕量化的道路很多，比如提高電芯能量密度；在細(xì)節(jié)設(shè)計中，確保強(qiáng)度的情況下追求結(jié)構(gòu)件的輕?。ū热邕x更薄的材質(zhì)，在板材上挖更大的孔）；用鋁材替換鈑金件；使用密度更低的新材料打造殼體等。
標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計
標(biāo)準(zhǔn)化是大工業(yè)以來的長期追求，標(biāo)準(zhǔn)化是降低成本提高互換性的基石所在。具體到動力電池模組，還多了一個梯次利用的偉大目的。話雖如此，但現(xiàn)實(shí)是單體還沒有標(biāo)準(zhǔn)化，那么模組標(biāo)準(zhǔn)化距離就更遠(yuǎn)了。
使用軟包電池的知名車型案例
雷諾ZOE，2016年9月雷諾對ZOE電池包進(jìn)行了升級，新款電池包總電量為45.6kWh，可用電量為41kWh，系統(tǒng)額定電壓360V，系統(tǒng)成組方式為2P96S，共192個電芯，由12個2P8S模組組成。ZOE電池包采用風(fēng)冷熱管理方案，由中間的孔進(jìn)，兩側(cè)的孔出。
每2個電芯被1個上鋁殼體和1個下鋁殼體包裹形成2P單元，兩個鋁殼體通過卡扣連接在一起，鋁殼體的料厚為0.4mm。
鋁殼體沖壓形成3條凸起，凸起高度為0.8mm，相鄰2P單元鋁殼體的凸起接觸，形成寬度1.6mm的間隙，電芯的熱量傳導(dǎo)至鋁殼體，通過間隙內(nèi)的空氣流動對電芯進(jìn)行冷卻，同時間隙也可以吸收電芯的一部分膨脹。
ZOE的電芯由LG化學(xué)提供，2012版ZOE電芯為36Ah，尺寸為325X135X11.2mm，重量約0.86kg，電芯總重量為165.12，占PACK總重的57%。2016版ZOE電芯推測為，65Ah，大小尺寸與36Ah類似。
尼桑Leaf（無強(qiáng)制冷卻）
Leaf 電池小模組，每個殼體內(nèi)放置4只電芯；小模組與小模組之間依靠注塑連接件連接。每個模組極柱的接線端，根據(jù)每個模組的數(shù)量，專門注塑定制了相應(yīng)的接線盒，每個接線盒的形式與模組是一一對應(yīng)的。如果模組內(nèi)電芯（2p2s）數(shù)量改變，其接線盒就不能使用，除非數(shù)量是已有模組的整倍數(shù)，而且并列模組數(shù)一致。例如，如果一個模組是4×2（個電芯）的，那么改動后的模組就必須是8×2、12×2……，否則其原有電極接線盒就無法使用。
軟包電池強(qiáng)電連接方式對比
簡介：模組形式如下圖所示。選取某廠家軟包裝鈦酸鋰電池進(jìn)行成組，其特性參數(shù)如下表所示。
鋰電池模塊由鈦酸鋰電池、模塊安裝板、絕緣隔離塊、罩殼、長連接排、短連接排、極柱組成，鋰電池模塊結(jié)構(gòu)如下圖所示。每兩個模塊安裝板中間放置一個電池，形成5 并3 串的結(jié)構(gòu)形式，串并聯(lián)連接使用長連接排和短連接排將電池連接在一起，電池與長/ 短連接排之間以螺絲螺母的連接方式緊固。
極柱作為鋰電池模塊對外輸出的接口，與短連接排相連，連接方式也為螺絲連接。長連接排與短連接排之間以絕緣隔離塊進(jìn)行電氣隔離。
連接方式一：全螺絲連接的鋰電池模塊，即鋰電池與長/短連接排、短連接排與極柱之間的連接全部采用螺絲連接的方式。
連接方式二：半激光焊接半螺絲連接的鋰電池模塊，即鋰電池與長/短連接排之間的連接采用激光焊接，而短連接排與極柱之間的連接采用螺絲連接的方式。
連接方式三：激光焊接與一體式極柱的鋰電池模塊，即鋰電池與長/短連接排之間的連接采用激光焊接，而短連接排與極柱做成一個整體的零件。
測試方法，單獨(dú)測試螺絲連接和激光焊接的連接阻抗，各取一塊短連接排與一節(jié)鋰電池分別做螺絲連接和激光焊接實(shí)驗(yàn)，測量記錄下各自的連接阻抗。同時通過測量鋰電池模塊正負(fù)極兩端來得到整個模塊的內(nèi)阻值，從而比較不同連接方式下鋰電池模塊的內(nèi)阻差異。連接阻抗和內(nèi)阻均采用HIOKI 電池測試儀測量獲得。
在鋰電池模塊內(nèi)布置若干熱電阻或熱電偶作為溫度測量點(diǎn)，通過充放電實(shí)驗(yàn)測試鋰電池模塊不同溫度點(diǎn)的溫度情況。鋰電池模塊額定電流為100A，考慮到超負(fù)荷運(yùn)行的極限電流大約為120A，故在實(shí)驗(yàn)測試中以電流120A 的極限情況進(jìn)行充放電。記錄充放電過程中各溫度測量點(diǎn)的最高溫度、溫升和溫差。連接方式一的鋰電池模塊溫度測量點(diǎn)為4 個(受當(dāng)時條件限制，只測了4個關(guān)鍵點(diǎn))，采用的是熱電阻測溫。連接方式二和三的鋰電池模塊溫度測量點(diǎn)為12個，采用的是熱電偶測溫。
經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試，連接阻抗和鋰電池模塊內(nèi)阻如表2 所示。不同連接方式的鋰電池模塊經(jīng)過120 A 充放電(一個充放電循環(huán))實(shí)驗(yàn)，其測量點(diǎn)的溫度測試結(jié)果如下表所示。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，從數(shù)據(jù)可以看出，螺絲連接的連接阻抗要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于激光焊接的連接阻抗。形成螺絲連接的連接阻抗大的主要影響因素有：連接面表面不平整(表面粗糙度較大)；受到環(huán)境因素影響，長/短連接排和電池接觸面產(chǎn)生氧化或腐蝕；螺絲擰緊力不夠，每個螺絲的擰緊力矩不一致；外界因素干擾引起螺絲松動，包括在運(yùn)輸、搬運(yùn)過程中振動引起的螺絲松動。由于激光焊接是將光能轉(zhuǎn)化為熱能，使材料熔化，從而達(dá)到焊接的目的，相當(dāng)于將兩者熔為一體，因此這種連接方式的阻抗必定會比較小。從鋰電池模塊內(nèi)阻上看，連接方式三的鋰電池模塊內(nèi)阻優(yōu)于連接方式一和連接方式二。
