分析圆柱电池模组的结构设计

在动力电池的3个主要类型中，圆柱电芯虽然不是占有市场份额最大的，但由于其在消费品市场的广泛用途，使得它的商业化标准化却是最为成熟的。其工艺经过多年的沉淀，稳定且一致性最好。

三元材料的圆柱电芯，能量密度能做到210~250Wh/kg。大规模标准化的电芯，使得模组也具备了自动化生产的前提。

圆柱电池体积小，非常适用于空间不规则的电池包箱体内，可以充分利用边角空间。虽然当前18650面临被21700替代的问题，但小规模形状复杂动力要求不高成本又比较敏感的车辆上，18650还是会在一段时间内保有自己的一方天地的。

模组基本结构

在圆柱电芯模组设计中，模组结构是多种多样的，主要根据客户和车型的需求来确定，最终导致模组的制造工艺也不一样。模组一般由电芯、上下支架、汇流排(有的也称连接片)、采样线束、绝缘板等主要部件组成。

结构设计

圆柱电池模组的结构设计，其目的是将多个圆柱电池固定在指定位置上，保证合理振动冲击条件下，不要发生过大位移。电芯位置由电芯支架确定，如果遇到极端情况，电芯支架可能会变形，为了保持电芯之间的距离，一般都会单独设计耐高温、质量小的电信间距保持件。下图中江淮iEV5模组中间的黑色部分应该就是这个类型的设计意图。

圆柱电池模组内部，并联比较容易实现，只要一块母排将电芯的一极接入即可，但要做到电流密度分布均匀，热场均匀，则是考验工程师水平的地方。

一般都尽量设计成较为对称的结构，但模组进出线位置附近总归与其他电芯均匀布置的位置不太一样，因此是设计仿真的关键点。像特斯拉那样，做出奇异形状的并联母排设计，应该是经过热量和电流分布测算之后的结果(特斯拉模组在文章后半部分里找)。

动力电池模组散热方式介绍

当前被探讨比较多的就是液冷和相变材料冷却。圆柱电芯液冷模组的典型就是特斯拉，在后面的实例中将做介绍。单纯的液冷系统是将导热良好的器件紧贴电芯放置，尽可能均匀且高效的将电芯工作过程中产生的多余热量带走。

液冷可以像特斯拉那样完全独立运行，也可以与其他冷却方式相结合。其中的一个重要形式就是与导热硅胶结合，如下图所示。导热硅胶可以获得比金属接触金属更加紧密的贴合，进而获得更好的传热性能。

电芯工作时产生的热量通过导热硅胶垫片传递至液冷管，由冷却液热胀冷缩自由循环流动将热量带走，使整个电池包的温度均衡统一，冷却液强大的比热容吸收电芯工作时产生的热量，使整个电池包在安全温度内运作。导热硅胶良好的绝缘性能和高回弹韧性，能有效避免电芯之间的震动摩擦破损问题，和电芯之间的短路隐患，是水冷方案的最佳辅助材料。

此液冷方案采用S型导热铝管、在铝管上贴附异型导热硅胶带(在导热硅胶带与电芯接触面增加凸起条纹),让电芯与导热管之间接触面更大,导热效果和减震效果更好。

圆柱形电池的电池模组PCM散热结构，相变材料的应用，可以与液冷配合，也可以独立使用。独立应用则可以有多种排列方式。可以将PCM板材贴合在电池模组外部，辅助散热，如下图所示。据该实验结果显示，相变材料的存在也可以起到一定冷却作用。

效率最高的方式，自然是电芯与PCM接触面积最大的方式，范例如下。

相变材料用于热管理电池组，首先计算出所需PCM的质量，再根据电池的形状确定相变材料基体的几何尺寸，制作相变材料基体，并在基体上均匀挖出与单体电池尺寸相同的洞，洞的数量由电池模组中能够容纳的单体电池数量决定。

这个形式的相变材料的应用在客观上阻止了热失控单体能量的传播，被认为是一种比较理想的热管理形式。

动力电池应用场景对相变材料的基本要求：

相变温度低，需要适应锂电池的最佳工作温度区间15℃-35℃;

材料相变温度小范围内可以调节，不同类型电芯的最佳工作温度区间并不完全一致;

材料定型形态，相变前后，最好不要出现液态气态相;

材料潜热大，则系统恒温能力强;

传热系数要高，才能保持温度均匀;

材料绝缘性好，避免高压系统出现绝缘漏电风险。

相变材料质量密度低，减小对电池包能量密度的影响。

即使满足了上述条件，相变材料的应用依然存在局限性。当环境极其恶劣的时候，比如温度过高。相变材料吸收热量的能力是有限的，当相变完成时，系统温度自然上升。而当温度过低且长时间过低，车辆的冷启动必须吸收外部能量加热才行。