圆柱形动力电池的散热方式的相关研究【钜大锂电】

　　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，如下图所示。

　　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。

　　圆柱电芯模组制造

　　图2-2圆柱电芯模组结构示意图

　　1）电芯分选，模组工艺设计时，需要考虑模组电性能的一致性，确保Pack整体性能达到或满足整车的要求。为了保证模组电性能的一致性，需要对电芯来料进行严格的要求。电芯厂家一般在电芯出货前，也会按电芯的电压、内阻和容量规格进行分组，但是电芯厂家与Pack厂家的最终需求是不同的，考虑到制造工艺、成本、电芯性能等因素，Pack厂家一般会按自己的标准重新对电芯进行分选。电芯分选需要考虑分选标准的问题，标准制定得合理，会减少剩余闲置的电芯，提升生产效率，降低生产成本。在实际生产过程中，还需要对电芯的外观进行检查，比如检查电芯有无绝缘膜破损、绝缘膜起翘、电芯漏液、正负极端面污渍等不良品。

　　典型圆柱电芯模组工艺流程图

　　2）电芯入下支架，电芯入下支架是指把电芯插入下支架的电芯定位孔中。难点在于电芯与下支架孔之间的配合公差，孔太大，方便电芯插入，但是电芯固定不好，影响焊接效果；孔太小，电芯插入下支架定位孔比较困难，严重的可能导致电芯插不进去，影响生产效率。为了便于电芯插入，又能固定好电芯，可以把下支架孔前端开成喇叭口。

　　下支架开喇叭口示意图

　　3）电芯极性判断，电芯极性判断是指检查电芯的极性是否符合文件要求，属于安全检查。假如没有极性检查，而电芯极性又装反了，在装入第二面的汇流排时模组就会产生短路，导致产品毁坏，严重的可能导致人员受伤。

　　4）盖上支架，盖上支架是指把上支架盖到电芯上，并把电芯固定在支架内。一般情况下，盖上支架比电芯入下支架困难，一是与圆柱电芯的生产工艺有关，工艺里面有个滚槽工序，假如控制不好，会导致电芯尺寸的一致性差，影响盖上支架，严重的会盖不上去；二是电芯与下支架固定不好，导致电芯有一定的歪斜，导致上支架不好盖或者盖不上。

　　5）模组间距检测，模组间距检测是指检测电芯极柱端面与支架表面的间距检测，目的是检查电芯极柱端面与支架的配合程度，用于判断电芯是否固定到位，为是否满足焊提前判断是否满足焊接条件。

　　6）清洗，等离子清洗是一种干法清洗，主要是依靠等离子中活性离子的“活化作用”达到去除物体表面污渍的目的。这种方式可以有效地去除电芯极柱端面的污物、粉尘等，为电阻焊接提前做准备，以减少焊接的不良品。

　　7）汇流排安装，汇流排安装是指把汇流排安装固定到模组上，以便电阻点焊。设计时需要考虑汇流排与电芯的位置精度，特别是定位基准的问题，目的是使汇流排位置处于电芯极柱面的中心，便于焊接。在进行上下支架设计时，要考虑对汇流排的隔离；假如不好做隔离设计，在工序设计时需要考虑增加防短路工装的使用，可以避免在异常情况下发生短路。

　　8）电阻焊接，电阻焊接是指通过电阻焊的方式把汇流排与电芯极柱面熔接在一起。目前国内一般采用电阻点焊，在进行电阻点焊工艺设计时，需要考虑以下4点：

　　（1）汇流排的材质、结构和厚度；

　　（2）电极（也称焊针）的材质、形状、前端直径和修磨频次；

　　（3）工艺参数优化，如焊接电流、焊接电压、焊接时间、加压力等；

　　（4）焊接面的清洁度和平整度。

　　在实际生产中，失效因素非常多，需要技术人员根据实际情况来分析处理。

　　9）焊接检查，在电阻焊接过程中，设备一般对焊接的参数都有监控，假如监测到参数异常，设备都会自动报警。由于影响焊接质量的因素很多，只通过参数监测来判断焊接失效，目前结果还不是特别理想。在实际的生产控制中，一般还会通过人工检查外观和人工挑拨汇流排的方式，再次检查和确认焊接效果。

　　10）打胶，胶水在模组应用上，一般有两种用途：一种用途是固定电芯，主要强调胶水的黏接力、抗剪强度、耐老化、寿命等性能指标；另一种用途是把电芯和模组的热量通过导热胶传递出去，主要强调胶水的导热系数、耐老化、电气绝缘性、阻燃性等性能指标。由于胶水的用途不同，胶水的性能和配方也不同，实现打胶工艺的方法和设备就不同。在胶水选择和打胶工艺方面，需要考虑以下3点：

　　a胶水的安全环保性能：尽量选择无毒无异味的胶水，不但可以保护操作者，也可以保护使用者，还能更好地保护环境，也是新能源发展的目标。

　　b胶水的表干时间：为了提高生产效率，一般希望胶水的表干时间越短越好。在实际生产过程中，假如胶水表干时间过短，由于待料、设备异常等因素，会导致胶水的大量浪费；也可能由于操作员处理不及时，因胶水固化时间短而导致设备堵塞，严重时导致停拉线。按经验，尽量把表干时间控制到15～30min比较合理。

　　c胶水的用量：胶水用量主要由产品和工艺来确定，目的是满足产品的要求。目前常用打胶工艺有点胶、涂胶、喷胶和灌胶，每种工艺所需要的设备也是不同的。在打胶时需要注意胶量的控制，避免产生溢胶而影响其他工序。

　　11）盖绝缘板，盖绝缘板是指把模组的汇流排进行绝缘保护。在工艺设计时，需要注意绝缘板不能高出支架的上边缘，同时绝缘板与支架边框之间的间隙最好小于1mm。

　　12）模组EOL测试，EOL测试（endofline）（一般也称下线测试）是生产过程中质量控制的关键环节，主要针对模组的特殊特性进行测试，主要测试项目有：

　　a绝缘耐压测试；

　　b内阻测试；

　　c电压采样测试；

　　d尺寸检测；

　　e外观检查。

　　测试项目一般根据客户和产品的要求来增减，其中安全检测项目是必不可少的。

　　13）转入Pack组装或入库，经EOL测试合格的模组按规定转入Pack组装工序或入库，转运过程中需要对模组进行绝缘保护和防止模组跌落。

　　通过圆柱电芯模组生产工艺流程的介绍，针对不同的客户和产品，工艺流程的设计是不同的，目的都是为了快速地响应客户和市场的需求。

　　在进行模组工艺流程设计时，一般需要考虑以下几点：

　　1）安全性：产品安全和安全生产；

　　2）电性能：容量、电压、内阻、性能的一致性；

　　3）生产节拍：节拍越高，表示产能越大；

　　4）尺寸：外形尺寸和固定尺寸；

　　5）工艺路线：指关键工艺的选择和确定；

　　6）成本：产品设计和工艺设计时都需要考虑的要素。

　　通过上面的分析，仅仅把模组工艺流程设计好是不够的，还需要有完善的生产体系来支撑，才能制造出让客户满意的产品。

　　作为一名研发设计人员，如果能够详细了解所在体系的生产能力，将事半功倍。

　　知名车型动力电池模组案例

　　TeslaModelS，使用圆柱形18650锂电池的车型，首先想到的当然是风头无两的Tesla，虽然最近Tesla过得好像不太好。Roadster，ModelS，ModelX几款都是18650电池包驱动，到了Model3升级到了21700。

　　以ModelS为例，一起看看18650模组，可能大家在网上看的不少，这里也是整理自网上的资料，就大概说一下。

　　电池包

　　模组

　　上面第一幅图中标示的红线，是一个模组内6只小模组的分界线，分界线上安装有隔板将6个部分分割开来，避免其中一个部分发生热失控时，其余部分过快的受到波及，造成短时间剧烈的发热甚至爆炸，隔板如下图所示。

　　ModelS85一共有16块电池组，每个模组包含有444节电池，每74节并联成一组，整块电池板由6组电池串联而成。可以算出在这款TeslaModelS85车型上一共有7104节18650锂电。

　　每颗电芯都有一极通过保险丝与并联母排连接，如下图中纤细的银线就是每颗电芯的保险丝。

　　没有看到模组内部每个小模组之间的连接方式。

　　每一只模组侧面安装有模组控制器线路板，如下图。

　　线路板特写

　　下面一幅图中显示的电池包爆炸图，其中棕黄色部分的显示了水冷管道的整体形状。据说，网上流传的被拆解了的特斯拉电池包，都是只有水冷管道，而冷却系统中并没有泵的存在。冷却液依靠热胀冷缩在小范围内流动。如果初始状态电芯一致性非常好，电池组内部的热量不均衡差异很小，只在小局部内相互均温就可以达到消除温差的作用。但如果需要启动加热功能，则这种局部流动就无法达成快速大量传热的目的了。