钜大LARGE | 点击量：728次 | 2021年05月13日
动力软包锂离子电池模组技术的设计要点
电池模组可以理解为锂离子电芯经串并联方式组合，加装单体电池监控与管理装置后形成的电芯与pack的中间产品。其结构必须对电芯起到支撑、固定和保护用途，可以概括成3个大项：机械强度，电性能，热性能和故障处理能力。
是否能够完好固定电芯位置并保护其不发生有损性能的形变，如何满足载流性能要求，如何满足对电芯温度的控制，遇到严重异常时能否断电，能否防止热失控的传播等等，都将是评判电池模组优劣的标准。高性能需求的电池模组，其热管理的解决方法已经转向液冷或相变材料。
软包电池单体能量密度在常见三种锂离子电池封装形式中，最容易做高，但到了模组设计这一层，对产品整体安全性的考虑任务却最重，可以说是把一部分电芯的活转移给了模组结构。
模组的重要组成
软包电池，各家设计选择差距比较大，上图中式一种较为典型的形式，其基本组成包括：模组控制请(常说的BMS从板)，电池单体，导电连接件，塑料框架，冷板，冷却管道，两端的压板以及一套将这些构件组合到一起的紧固件。其中两端的压板除了起到聚拢单体电芯，供应一定压力的用途以外，往往还将模组在pack中的固定结构设计在上面。
结构设计
结构设计要求。结构可靠：抗震动抗疲劳;工艺可控：无过焊、虚焊，确保电芯100%无损伤;成本低廉：PACK产线自动化成本低，包括生产设备、生产损耗;易分拆：电池组易于维护、维修，低成本，电芯可梯次利用性好;做到必要的热传递隔离，防止热失控过快蔓延，也可以把这一步放到pack设计再考虑。
据了解，目前，行业内圆柱电芯的模组成组效率约为87%，系统成组效率约为65%;软包电芯模组成组效率约为85%，系统成组效率约为60%;方形电芯的模组成组效率约为89%，系统成组效率约为70%。软包电芯的单体能量密度比圆柱和方形有更高的提升空间，但对模组设计要求较高，安全性不易把控，这都是要结构设计解决的问题。
一般模组优化途径。提升空间利用率也是优化模组的一个重要途径。动力锂电池PACK公司可以通过改进模组和热管理系统设计，缩小电芯间距，从而提升电池箱体内空间的利用率。还有一种解决方法，即使用新材料。比如，动力锂电池系统内的汇流排(并联电路中的总线，一般用铜板做成)由铜替换成铝，模组固定件由钣金材料替换为高强钢和铝，这样也能减轻动力锂电池重量。
热设计
软包电芯的物理结构决定了其不易爆炸，一般只有外壳能承受的压力足够高，才有可能炸，而软包电芯内部压力一大，便会从铝塑膜边缘开始泄压、漏液。同时软包电芯也是几种电芯结构中，散热最好的。
软包电池的著名代表，日产的Leaf，其模组结构为全密封式的，并未考虑散热，即不散热。而Leaf在市场上频繁反馈的容量衰减过快，与此热管理也不无关系。显然随着人们关于高性能电动汽车的追求，迫使软包电芯也必须要有主动式的热管理结构。
当前主流的冷却方式，已经转变为液冷以及相变材料冷却。相变材料冷却可以配合液冷一起使用，或者单独在环境不太恶劣的条件下使用。另外还有一种当前国内仍然较多应用的工艺，灌胶。这里灌得是导热系数远大于空气的导热胶。由导热胶将电信散发的热量传递到模组壳体上，再进一步散发到环境中。这种方式，电芯再次单独替换不太可能但也在一定程度上阻止了热失控的传播。
液冷，在前面说明模组组成的图片中，冷板与液冷水管正是液冷系统的组成部件。模组由电芯层叠而成，而电芯间有间隔排布的液冷板，其保证每颗电芯都有一个大面接触到液冷板。当然软包电芯要将液冷技术做成熟也并非易事，其必须考虑液冷板的固定，密封性，绝缘性等等。
电气设计
电气设计，包含低压和高压两个部分。
低压设计，一般要考虑几个方面的功能。通过信号采集线束，将电池电压、温度信息采集到模组从控板或者安装在模组上的所谓模组控制器上;模组控制器上一般设计均衡功能(主动均衡或者被动均衡或者二者并存);少量的继电器通断控制功能可以设计在从控板上，也可以在模组控制器上;通过CAN通讯连接模组控制器和主控板，将模组信息传递出去。
高压设计，重要是电芯与电芯之间的串并联，以及模组外部，设计模组与模组之间的连接导电方式，一般模组之间只是考虑串联方式。这些高压连接要达到两个方面的要求：一是电芯之间的导电件和接触电阻分布要均匀，否则单体电压检测将受到干扰;其次，电阻要足够小，防止电能在传递路径上的浪费。
安全设计
安全设计，可以分为3个倒退的要求：良好的设计，确保不要发生事故;假如不行，发生事故了，最好能提前预警，给人以反映时间;故障已经发生，则设计的目标就变成阻止事故过快蔓延。
实现第一个目的的，是合理布局，良好的冷却系统，可靠的结构设计;次级目标，则要传感器更加广泛的分布到每一个可能的故障点，全面检测电压和温度，最好监测每一颗电芯的内阻;最低目标，则可以通过电芯和模组设置保险丝，模组和模组之间设置防火墙，设计强度冗余应对灾害发生后可能的结构坍塌。这都是高性能软包模组的方向。
轻量化设计
轻量化设计，最重要目的是追求续航里程，消灭所有多余负担，轻装上阵。而假如轻量化再能跟降成本结合，则更是皆大欢喜。轻量化的道路很多，比如提高电芯能量密度;在细节设计中，确保强度的情况下追求结构件的轻薄(比如选更薄的材质，在板材上挖更大的孔);用铝材替换钣金件;使用密度更低的新材料打造壳体等。
标准化设计
标准化是大工业以来的长期追求，标准化是降低成本提高互换性的基石所在。具体到动力锂电池模组，还多了一个梯次利用的伟大目的。话虽如此，但现实是单体还没有标准化，那么模组标准化距离就更远了。
使用软包电池的知名车型案例
雷诺ZOE
2016年九月雷诺对ZOE电池包进行了升级，新款电池包总电量为45.6kWh，可用电量为41kWh，系统额定电压360V，系统成组方式为2P96S，共192个电芯，由12个2P8S模组组成。ZOE电池包采用风冷热管理方法，由中间的孔进，两侧的孔出。
每2个电芯被1个上铝壳体和1个下铝壳体包裹形成2P单元，两个铝壳体通过卡扣连接在一起，铝壳体的料厚为0.4mm。
铝壳体冲压形成3条凸起，凸起高度为0.8mm，相邻2P单元铝壳体的凸起接触，形成宽度1.6mm的间隙，电芯的热量传导至铝壳体，通过间隙内的空气流动对电芯进行冷却，同时间隙也可以吸收电芯的一部分膨胀。
ZOE的电芯由LG化学供应，2012版ZOE电芯为36Ah，尺寸为325X135X11.2mm，重量约0.86kg，电芯总重量为165.12，占PACK总重的57%。2016版ZOE电芯推测为，65Ah，大小尺寸与36Ah类似。
尼桑Leaf(无强制冷却)
Leaf电池小模组，每个壳体内放置4只电芯;小模组与小模组之间依靠注塑连接件连接。每个模组极柱的接线端，根据每个模组的数量，专门注塑定制了相应的接线盒，每个接线盒的形式与模组是一一对应的。假如模组内电芯(2p2s)数量改变，其接线盒就不能使用，除非数量是已有模组的整倍数，而且并列模组数一致。例如，假如一个模组是4×2(个电芯)的，那么改动后的模组就必须是8×2、12×2……，否则其原有电极接线盒就无法使用。
软包电池强电连接方式比较
简介：模组形式如下图所示。选取某厂家软包装钛酸锂离子电池进行成组，其特性参数如下表所示。
锂离子电池模块由钛酸锂离子电池、模块安装板、绝缘隔离块、罩壳、长连接排、短连接排、极柱组成，锂离子电池模块结构如下图所示。每两个模块安装板中间放置一个电池，形成5并3串的结构形式，串并联连接使用长连接排和短连接排将电池连接在一起，电池与长/短连接排之间以螺丝螺母的连接方式紧固。
极柱作为锂离子电池模块对外输出的接口，与短连接排相连，连接方式也为螺丝连接。长连接排与短连接排之间以绝缘隔离块进行电气隔离。
连接方式一：全螺丝连接的锂离子电池模块，即锂离子电池与长/短连接排、短连接排与极柱之间的连接全部采用螺丝连接的方式。
连接方式二：半激光焊接半螺丝连接的锂离子电池模块，即锂离子电池与长/短连接排之间的连接采用激光焊接，而短连接排与极柱之间的连接采用螺丝连接的方式。
连接方式三：激光焊接与一体式极柱的锂离子电池模块，即锂离子电池与长/短连接排之间的连接采用激光焊接，而短连接排与极柱做成一个整体的零件。
测试方法，单独测试螺丝连接和激光焊接的连接阻抗，各取一块短连接排与一节锂离子电池分别做螺丝连接和激光焊接实验，测量记录下各自的连接阻抗。同时通过测量锂离子电池模块正负极两端来得到整个模块的内阻值，从而比较不同连接方式下锂离子电池模块的内阻差异。连接阻抗和内阻均采用HIOKI电池测试仪测量获得。
在锂离子电池模块内布置若干热电阻或热电偶作为温度测量点，通过充放电实验测试锂离子电池模块不同温度点的温度情况。锂离子电池模块额定电流为100A，考虑到超负荷运行的极限电流大约为120A，故在实验测试中以电流120A的极限情况进行充放电。记录充放电过程中各温度测量点的最高温度、温升和温差。连接方式一的锂离子电池模块温度测量点为4个(受当时条件限制，只测了4个关键点)，采用的是热电阻测温。连接方式二和三的锂离子电池模块温度测量点为12个，采用的是热电偶测温。
经过实验测试，连接阻抗和锂离子电池模块内阻如表2所示。不同连接方式的锂离子电池模块经过120A充放电(一个充放电循环)实验，其测量点的温度测试结果如下表所示。
实验结果分析，从数据可以看出，螺丝连接的连接阻抗要远远大于激光焊接的连接阻抗。形成螺丝连接的连接阻抗大的重要影响因素有：连接面表面不平整(表面粗糙度较大);受到环境因素影响，长/短连接排和电池接触面出现氧化或腐蚀;螺丝拧紧力不够，每个螺丝的拧紧力矩不一致;外界因素干扰引起螺丝松动，包括在运输、搬运过程中振动引起的螺丝松动。
由于激光焊接是将光能转化为热能，使材料熔化，从而达到焊接的目的，相当于将两者熔为一体，因此这种连接方式的阻抗必定会比较小。从锂离子电池模块内阻上看，连接方式三的锂离子电池模块内阻优于连接方式一和连接方式二。
下一篇：电动汽车频发燃烧的根源分析
