[干货] | 电动汽车动力电池系统知识一次看个够！——《电动汽车动力电池系统安全分析与设计》内容摘选完全版！
《电动汽车动力电池系统设计与制造技术》是继《电动汽车动力电池系统安全分析与设计》之后，系列丛书的第二本专著，由王芳、夏军等多位专家耗时一年联袂打造,内容涵盖动力电池系统的技术发展综述、系统设计、结构设计、BMS设计、热管理设计、结构仿真分析、测试验证，以及生产制造技术，全方位多角度为读者提供最佳的工程实践参考！
第1篇：动力电池系统在整车的安装位置
节选自《电动汽车动力电池系统设计与制造技术》第一章“电动汽车动力电池系统技术发展综述”，作者：夏军
电动汽车所增加的动力电池系统，由于体积大，重量重，很难在整车上找到非常完美的安装空间，在电池包的布置上，需要考虑以下几个方面：
首先，要尽可能的在有限的空间内，布置更多的电量，这样才能达到更大的续航里程，减少充电的频次，任何可以利用的空间，都有利于整车电量的提升。
其次，要充分考虑电池包的位置对整车安全性能的影响，尤其是在发生碰撞、翻滚、跌落等极端情况下，电池包是否会因为很大的加速度或严重的挤压变形，发生起火和爆炸，或者是否会有电池包的部件进入乘客舱，引起附加伤害。
第三，要充分考虑电池包的重量和形状对整车结构寿命的影响，因为电池包的重量通常达到数百公斤，给整车的底盘和悬挂带来很大的静态载荷和动态载荷，在长时间的振动、冲击条件下，很容易引起整车机械部分的疲劳损伤，降低寿命。
第四，要充分考虑电池包的散热条件，尤其是在高温工作条件和高电气载荷工作条件下，电池包会产生大量的热量，如果散热条件不理想，或者靠近热源，会引起电池包的寿命加速衰减。
第五，电池包在整车的安装位置，还会影响到整车的轴荷分配和重心，进而影响到整车的驾乘体验和舒适性。
我们总结了市场上几款常见的电动汽车产品，将电池包在整车上的装配空间和位置加以概述，以供读者参考。
2.3.1 工字型和T字形电池包安装
早期的电动汽车，都是基于传统的燃油车进行改装，在去掉发动机、变速箱、油箱和一些传动装置，这样整车上空出来的空间，是最适合安装电池包的。
图1-32 芝诺1E纯电动汽车电池包安装位置
华晨宝马芝诺1E纯电动汽车就有一个典型的工字型电池包，在宝马X1车型的基础上，充分挖掘可以利用的布置空间，前后串联的三个高电压蓄电池单元则被安装在车身的前部（前机舱盖下方的发动机位置）、中部（传统的传动轴通道中）和后部（传统燃油箱的位置），这样的设计可以确保更好的前后轴负荷分配，赋予车辆更低的重心，同时让车辆在碰撞发生时更加安全。
图1-33 Volt T字形电池包及安装位置
雪弗兰“沃蓝达”（Volt）是一款典型的T字形电池包布置，因为是一款增程式电动车，因此发动机和油箱仍然保留，设计师充分利用了去掉变速箱和传动轴后的空间和后排座位下面的空间，将电池包设计成一个“T”型。
不管是华晨宝马芝诺1E，还是雪弗兰Volt，都是在传统燃油车基础上做了非常小的改动，空间非常有限，能够装载的电池包体积和重量都受限，因此容量不大，续航里程也有限。华晨宝马芝诺1E采用宁德时代（CATL）的磷酸铁锂电池，Pack容量为27kWh，可达到150km的续航里程，第一代雪弗兰Volt车型采用LG的锰酸锂电池，Pack容量为16kWh，纯电续航里程为64km。
2.3.2 土字形电池包安装
要想进一步提升整车的续航里程，就必须要增加整车的电量，有两个可行的途径：提高电池包的能量密度，在同样的空间内存储更多的电量；扩展电池包的空间，增大电池包的体积和重量，进而增加可用电量。
一般而言，能量密度的提升是比较缓慢的，受制于动力电池技术的进步速度，很难在短时间内大幅度改善，那么就需要我们在电池包的体积上面做文章，从整车上面挖掘更多的空间，来装载更多的电池，存储更多的电量，从而提升电动汽车的续航里程。
图1-34 e-Golf 土字形电池包及安装位置
2015版e-Golf电池包是一个典型的“土”字形结构，充分利用了整车上可以利用的空间。总电量为24.2kWh，总电压为320V，容量为75Ah，电池包重量为313kg，体积为229.4 L。2016年起，大众选用新的三元电芯，在原有体积不变的情况下，电池包的总电量达到35.8kWh，整车的续航里程也从134公里提升至200公里。
图1-35吉利帝豪EV电池包安装位置
吉利帝豪EV车型则是另一款“土”字形电池包的代表，为了装载更多的电池，吉利还对整车的底盘做了二次开发，腾出了更多的形状规则的空间，用于容纳锂离子电池组。2015款的帝豪EV采用了宁德时代的三元电芯，电量为44kWh，续航里程达到250km。2017款的帝豪EV，仍然采用同样的三元电芯，但是对电池包、热管理系统和动力总成做了设计优化，从而使得续航里程达到了300km。
“土”字形的电池包，可以将电动汽车的续航里程提升到200~300公里，如果想进一步提升续航里程，就有相当大的难度了，因为整车可拓展的空间已经被挖掘的差不多了。
2.3.3 一体式（滑板式）电池包安装
受限于传统燃油车的结构局限，不管怎样挖掘可用空间，始终不能实现电动汽车的最优化设计。客户对于电动汽车续航里程的需求，已经从100公里、200公里，提升到300公里、400公里，甚至是500公里以上。在这种情况下，电池包和底盘的一体化设计，已经逐渐成为一种必然的趋势。
这是一种全新的产品思路，整车的设计需要围绕核心零部件电池包来展开，将电池包进行模块化设计，平铺在车辆的底盘上，以最大限度获得可用空间，调整整车的重心位置，同时还可以利用电池包的结构来加强底盘的强度和刚度，也可以利用整车的框架强化对电池包的结构防护。
图1-36 一体式电池包安装示例
最早采用这种方案来做整车设计的是Tesla，在畅销的Model S和Model X车型上，Tesla都采用了电池包和底盘的一体化设计，以达到最优的车辆性能。得益于领先对手的设计思路，Model S车型可以给用户提供多种规格的电池包容量，从60kWh一直扩展到90kWh，续航里程可以达到惊人的526公里（P90D版本），这是在传统燃油车进行改造所无法达到的。
图1-37 大众一体式电池包示例
在Tesla的成功指引下，大众和宝马等车企也纷纷跟进，推出了自己的一体式电动汽车产品解决方案。
大众汽车集团推出了电动汽车专用平台：MEB平台，预计将于2019年投入使用，该平台具有较强的扩展性。这意味着，大众的设计师可以通过改变轴距、轮距以及座椅布局，以应用于更多种类的车辆制造。而安装在底盘上的电池组则尤其引人瞩目，由于完全模块化设计，它允许工程师按照适用车辆的类型来调整电池组的数量和大小，从而满足不同车型的需求。大众汽车集团希望借助MEB平台（电动车模块化平台）将纯电动车的续航里程提升至400~600公里之间，完全可以对标目前的燃油车。
新书抢购｜《电动汽车动力电池系统设计与制造技术》火爆现货抢购中
第2篇：我国电动汽车Pack技术发展趋势
节选自《电动汽车动力电池系统设计与制造技术》第一章“电动汽车动力电池系统技术发展综述”，作者：夏军
电动汽车产品要走入千家万户，在运营市场和个人市场占据非常重要的地位，必然要在续航里程、环境适应性、使用寿命、购置成本等方面能够追赶甚至超越传统的燃油车，这也给电池包的技术发展带来了更高的挑战。
4.1 我国新能源汽车的发展阶段
我国新能源汽车的发展阶段，从2009年开始算起，到2020年，可以大致划分为4个阶段：
第一个阶段：2009年~2013年。这个阶段，是技术、产品、用户、市场的积累期，这个阶段的特点是核心技术、产品形态、用户使用习惯等基本上都是空白，到底该怎么搞，大家都不知道。但是有一点是毋庸置疑的，就是一定要发展节能与新能源汽车这个产业，这涉及我国能源安全，事关我国汽车产业能否做强，也是我国制造业转型升级的必由之路。
第二个阶段：2014年~2015年。经过第一个阶段的探索，核心技术有了一定的突破，产品形态呈现多种多样的局面，用户也慢慢的接受了新能源汽车这个新鲜事物，最重要的是，由于中央财政补贴和地方财政补贴的双重刺激，吸引了众多的企业和资本进入了这个产业，从而造成了2014年和2015年的井喷式发展。
第三个阶段：2016年~2017年（进行中）。我们把这个阶段叫做窗口期，或者摇摆期，是因为这个阶段是政策逐步让位于市场的阶段，但是由于政府对于监管的加强，以及消化前期政策所遗留的额问题需要一定的时间，客观上加剧了产业发展的波动，使得行业的发展在一年当中会出现大起大落的情况。
第四个阶段：2018年~2020年（预测）。我们把这个阶段称作突破期，政府建立新能源汽车产业发展的长效机制，补贴政策逐步退出，技术和产品取得重大突破，新能源汽车的市场化运作机制初步建立，从而一举奠定我国新能源汽车产业在全球的领先地位。
4.2 2020年的关键技术目标
不同的国家，对于新能源汽车的发展有各自的考虑，选择了适合自己的技术路线。我国新能源汽车产业的发展，在产业目标、市场目标、技术路线等方面都有非常明确的规划，对整个产业的发展起到了非常好的促进作用。这其中有三份比较重要的文件，对动力电池及Pack的技术路线会有很大影响，值得我们关注。
2012年6月28日 ，国务院下达关于印发《节能与新能源汽车产业发展规划（2012—2020年）》的通知。这是我国新能源汽车产业发展过程中最重要的一份纲领性文件，将节能与新能源汽车产业提高了国家战略的高度，对市场、产品、技术都做出了明确的规划。
2016年10月26日，受国家制造强国建设战略咨询委员会、工业和信息化部委托，中国汽车工程学会组织逾500位行业专家历时一年研究编制的《节能与新能源汽车技术路线图》正式发布，本项技术路线图描绘了我国汽车产业技术未来15年发展蓝图，对新能源汽车产业的技术路线做出了更加详细的规划。
2017年3月1日，工业和信息化部、发展改革委 、科技部以及财政部四部委公布了《促进汽车动力电池产业发展行动方案》，以加快提升我国汽车动力电池产业发展能力和水平，推动新能源汽车产业健康可持续发展。
这三份文件中，与动力电池及Pack相关的2020年技术指标，如上图所示。要达到上述要求，未来几年在工程技术方面需要有比较大的创新。
4.3 技术挑战及发展趋势
以纯电动乘用车为例，2020年的典型技术参数如下：
450km的综合工况续航里程，已经完全可以满足运营市场的需求，达到每天只充一次电的目标，也可以满足个人用户长途驾驶的需要，接近传统燃油车的满油续航里程。车辆使用温度范围广泛，可以适应我国90%以上的国土区域。在快充状态下，可以做到15分钟充满80%的电量，大大缩短充电时间。整车的整备质量小于1.5吨，百公里能耗在15度电以下，进一步提升电动汽车的能量转换效率。
为了达到上述技术指标，充分满足市场对于插电式混动汽车和纯电动汽车的需求，Pack技术必须在以下几个方面取得明显的进步。
（一）系统集成效率的大幅度提升
按照电芯能量密度300Wh/kg和Pack能量密度260Wh/kg的目标来计算，Pack系统的集成效率要做到85%，而当前乘用车Pack的集成效率普遍在65%左右，这意味着集成效率需要大幅度提升，才能达成目标。
要提高Pack的集成效率，有两个可行的途径，一是优化Pack内部的结构设计，大幅度减少Pack内部的组件数量，将更多的组件和功能集成在模组和箱体上，从而减轻重量；另一个是采用轻量化的材料，如采用铝型材或复合材料代替高强度钢，采用塑胶件代替金属件等，也可以减轻重量。
（二）广泛的温度适应性
冬天可以在零下20℃，甚至零下30℃的低温下工作，夏天可以经受50℃的地面高温而不趴窝，同时还要承受3~4C的快充，这是电动汽车大范围推广的必要条件。要满足这一要求，高换热系数和快速热交换的液冷/液热系统将成为Pack的标配。
液冷/液热系统的设计目标是在-30~50℃环境温度和4C快充工况下，将电池单体的工作温度控制在15~45℃、电池单体间的温差控制在5℃以内。
综合运用仿真分析和测试验证等手段，达到液冷/液热系统的最优化设计，才能做到-30~50℃的使用温度范围，以及大倍率和长寿命使用。
液冷/液热系统的设计，必须与整车的冷却循环系统相互匹配，必须与Pack的结构设计高度集成，必须达到极高的热交换效率。
（三）3~4C的快充将成为标配
想象一下，我们开着电动汽车出门，在充电站需要花费1个小时的时间进行充电，如果碰上充电排队，可能需要花费2个小时，甚至更长的时间，没有比这更糟糕的体验了。家用慢充和充电站快充相结合，是电动汽车普及的关键因素之一，对于出租、公交、物流等领域的营运车辆来说，快充的重要性甚至要大于续航里程，因为充电的时间是无法载客或载货的，充电时间越长，意味着运营效率越低，损失越大。
比较合理的快充要求，是在15分钟内，充满80%左右的电量，这要求Pack达到3C以上的充电能力，在电芯的设计、电连接设计、热设计、安全设计、以及BMS的能量管理方面，都要做出非常大的技术突破。
（三）与车同寿命的Pack产品
因为电池包的成本很高，如果做不到与车同寿命，车辆的维护成本将非常高昂，用户显然不会愿意为这额外的成本买单。
以乘用车为例，如果是个人用户购买，通常需要达到8年/12万公里的寿命要求，如果用于营运，寿命可能要达到5年/40万公里。
要达到如此严格的寿命要求，除了电芯的循环寿命和日历寿命要达到目标，还需要电子、电气、机械组件也达到8年以上的使用寿命。除此之外，在电芯的成组技术、系统的热管理和能量管理、以及Pack的售后维护等方面，也都有非常高的要求。
（五）总结
Pack技术的发展，涉及到多学科、多领域的知识，需要跨学科的技术融合，需要综合性的、系统性的产品开发思维，我们不能简单的把电化学、电子、电气、机械等作为核心技术看待，还要看到Pack产品所涵盖的材料、热交换、电磁兼容等方面的技术特征。
要开发一个可以装车的Pack产品很容易，要量产一个寿命、稳定性、可靠性、安全性都完全符合汽车级要求的Pack产品，则需要大量的工程实践、理论计算、计算机仿真和测试验证，还需要基于足够数量的产品进行迭代设计，不断的优化和完善。
本书的目的，在于通过系统的工程方法和大量的工程实践，为广大读者展示Pack产品设计与制造的基本流程和关键技术，推动新能源汽车产业的技术进步。
新书抢购｜《电动汽车动力电池系统设计与制造技术》火爆现货抢购中
节选自《电动汽车动力电池系统设计与制造技术》第二章“动力电池系统总体方案设计”，作者：夏军
2.1.4.1 额定电压及电压应用范围
对于高速电动车辆动力电池系统的额定电压等级，参照《GB/T31466-2015 电动车辆高压系统电压等级》可选择144V、288V、320V、346V、400V、576V等。对于微型低速电动车动力电池系统的电压等级，100V以下主要以48V、60V、72V和96V为主。
动力电池系统的额定电压及电压范围必须与整车所选用的电机和电机控制器工作电压相匹配，因此为保证整车动力系统的可靠运行，需要根据电动整车电机的电压等级及工作电压范围要求，选择合适的单体电池规格（化学体系、额定电压、容量规格等）并确定单体电池的串联数量、系统额定电压及工作电压范围。通常允许使用的电压范围上限为系统额定电压的115%~120%，下限为系统额定电压的75%~80%。
2.1.4.2 动力电池系统容量
整车概念设计阶段，从整车车重和设定的典型工况出发，续驶里程、整车性能（最高车速、爬坡度、加速时间等）要求，可以计算出汽车行驶所需搭载的总能量需求。动力电池系统容量主要基于总能量和额定电压来进行计算。
2.1.4.3 功率和工作电流
整车在急加速情况下，动力电池系统需要提供短时脉冲放电功率，对应的工作电流为峰值放电电流；在紧急刹车情况下，需要提供短时能量回收功率，对应的回馈电流为峰值充电电流。
整车在平路持续加速或长坡道时，动力电池系统需要提供稳定的持续放电功率，此时要求能够长时间稳定输出一定额度的电流，即持续放电工作电流。
2.1.4.4 可用SOC范围
在动力电池系统产品设计上，由于SOC可用范围会直接影响总能量的设计，直接体现到单体电池的选型及数量要求，因此，也会对电池箱体的包络尺寸设计、内部布置及安装空间间隙以及对总体成本等方面产生最直接的影响。动力电池系统SOC应用范围的选择首先考虑整车对充放电功率和可用能量等方面的需求，同时结合单体电池在不同温度条件下的充放电能力（功率和能量）、存储性能（自放电率）、寿命、安全特性，以及电池管理系统的SOC估算精度等影响因素来确定。
动力电池系统在其应用SOC范围内必须满足整车负载的峰值放电功率要求，保证电池系统具有的峰值放电能力大于负载的最大功率需求；同时，为了尽可能多的接受回收的能量，应满足所设定的峰值充电功率/回充功率要求。由于动力电池系统的充放电功率能力主要受选用的单体电池功率能力限制，其中：在低温、低SOC条件下，单体电池的放电功率会受到限制；在低温、高SOC条件下，单体电池的充电/回充功率会受到限制。因此，需要结合整车动力系统峰值（放电/回充）功率需求，定义SOC可用范围。
动力电池系统SOC使用范围的选择还要根据整车设计的纯电续驶里程目标，通过分析整车能耗情况确定对应的可用能量需求，计算动力电池系统可用能量与整车能量需求差距，并调整SOC使用范围需求。
通常为了更好地保护动力电池系统，并延长其使用寿命，充电时不能将其充满电（接近100%SOC），放电时也不能完全放电（低于5%SOC），否则可能会损坏单体电池、缩短其使用寿命。但是，如果单方面为了延长动力电池使用寿命而加大电池系统的能量,来减小SOC使用区间，对于系统成本和空间布置都会产生不利影响。
由于动力电池均存在一定程度的自放电，因此，考虑到电池包的存储周期可能达到3个月以上（6个星期的工厂/物流/配送和6个星期的存储区存储）的情况，为避免因为自放电而导致发生电芯过放电的情况发生，通常动力电池系统的SOC的下限应不低于5%。
综上所述，动力电池系统SOC使用区间的选择应该综合权衡以上各个影响因素，因此，需进行综合平衡选择，确定SOC使用区间的最佳方案。通常，BEV产品SOC可用窗口10%~95%；PHEV产品SOC窗口20%~95%；HEV产品SOC窗口30%~70%。
2.1.4.5 温度应用范围
动力电池系统的温度应用范围主要考虑：低温条件下对单体电池的充电、放电功率和能量的影响；高温条件下对单体电池的寿命和安全特性的影响。基于整车对应的持续放电和脉冲放电功率能力要求，以及单体电池在低温条件下的充电窗口，确定温度下限应用范围。为避免由于温度过高引起单体电池寿命的快速衰减和出现热失控，根据单体电池的温度特性及以往电池包产品使用经验，确定温度上限应用范围。
在整个生命周期内，动力电池系统产品必须满足使用区域的环境和气候条件，因此环境条件要求主要与整车目标市场区域相关，一方面需要结合整车用户分布的地域特点，另一方面主要考虑动力电池系统产品在整车上布置位置的温度特性，以及在生命周期中的应用环境温度特性。按照10年的设计寿命（87600小时），在国内几个典型城市的环境温度分布数据：
表2-1 国内典型城市的环境温度分布
整个生命周期中，考虑从动力电池系统产品装配完成之后，通过运输进入整车厂物料存放仓库、整车装配过程中会进入整车装配车间（高温喷漆）、日常运行过程中（行车、充电、驻车停放等过程），以及容量发生衰减后进行退役等过程中可能经受的环境温度、湿度及高海拔等环境条件。主要是考虑没有外部的温度辅助和调节装置的条件下，动力电池系统暴露在整车装配、运输、存放，以及使用过程中，整个产品不会发生明显的功能降级，不会发生破损或破坏，更不会产生严重的安全问题或风险等。
（1）工作温度范围：
一般情况下，动力电池系统要求在10℃～50℃范围内能满足整车使用要求。
在低温条件下，动力电池系统由于受到单体电池功率特性的限制，很难满足整车正常条件下的峰值放电或峰值回馈充电功率需求。在高温条件下，动力电池系统由于受到单体电池温升特性、安全及可靠性应用温度范围等因素的限制，不能允许按峰值放电或峰值回馈充电功率进行工作。因此，需要基于单体电池的温度和功率特性，在低温、低SOC状态下对应放电功率能力和高温、高SOC状态下的充电功率能力结合使用温度区间进行限制。
（2）存储温度范围：
一般条件下，要求动力电池系统产品能在-40℃~60℃范围内能进行存储。
由于动力电池系统产品装配完成之后，会经历由制造工厂出厂，经由物流运输（夏季高温运输途中暴晒）和配送到整车厂物料仓库存储区进行存储的情况，因此，要求动力电池产品能满足：在环境温度不超过45℃条件下，允许存储2-3个月，不发生明显的寿命衰减（或出现明显的不可逆容量损失）。
动力电池系统产品在整车驻车停放在车库过程中，不能因为温度的变化导致自放电率大幅增加而发生过放电或者输出功率能力不足，导致影响整车的启动、爬坡性能。
新书抢购｜《电动汽车动力电池系统设计与制造技术》火爆现货抢购中
第4篇：模组结构设计之边界尺寸需求确定
节选自《电动汽车动力电池系统设计与制造技术》第二章“动力电池系统结构和电连接设计”，作者：陈敏
3.2.1 需求边界
模组边界尺寸的需求来源于三个方面：电芯，电箱（确切地说是来源整车，因为电箱的边界尺寸直接由整车决定），标准规范（国标推荐尺寸、行业规范等）。
第一个需求来源是电芯。这个比较好理解，电芯是模组的基本单元，电芯的选择对模组的边界尺寸有非常大的影响，它直接影响模组边界尺寸的以下几个方面：机械接口、电气接口和外轮廓的尺寸和形式。在3.23会详细介绍三种不同电芯的常见的模组形式。
第二个需求来源就是电箱，确切的说是来源于整车，因为电箱的尺寸边界直接有整车决定。
对于商用车，由于整车空间较大，可以安装电池包的位置较多，Z向空间比较高，所以商用车的模组形式大多比较‘高大’，以充分利用商用车的车架高度优势。
图3.2 电动商用车电池包示例
乘用车有些不一样，乘用车的底盘较低，可安装电池包的位置也比较有限，所以导致乘用车的模组比较‘矮小’，Z向高度尺寸一般都在150mm以下。而传统车更改的电动车在后排座椅或者后备箱的位置会有一个比较凸起的区域，此处区域的Z向高度较高，可能达到300mm左右，为了确保乘用车的续航里程，在此处区域也会想办法安装电池包，这样使得乘用车的模组种类增多，难度加大。为减少模组种类，此处一般做双层设计或者改变模组的固定方向
图3.3 Z向高度小于150mm(Model S电池包)
图3.4利用后排底部空间（NissanLeaf电池包）
图3.5利用后排底部和中央通道空间（GM Volt电池包）
第三个需求来源是标准规范，其实这个需求来源跟第二个需求来源还有些关联，因为不管是乘用车还是商用车，在尺寸边界上是有一些共性的，这给模组尺寸标准化提供了一个基础。反之，模组尺寸标标准化，对整车来讲也是非常有利的，例如尺寸标准化后,可快速的降低产品成本;模组尺寸标准化,对车辆的售后也是提供了很大的便利。另外,动力电池的原材料包含了不少贵金属,是一个价值比较大的产品,在车上的使用寿命到期之后,就回收拆解的话,是一个比较大的浪费行为;如何回收再利用是一个势在必行的研究方向,而产品的尺寸标准化后,再利用在别的领域就容易很多。
当然,除了以上三个方面,还有不少因素会影响到模组尺寸,例如散热方式、安全设计等，这些在下面的分析中都会贯穿进去。
下面以一个电箱确定，电芯不确定的案例，来看看模组的方式变化：
表3.1电芯参数
20AH | 60AH | 83AH |
磷酸铁锂 | 磷酸铁锂 | 磷酸铁锂 |
NLC2770145PF | NLC29135230PF | NLC36130255PF |
20 | 60 | 83 |
3.2 | 3.2 | 3.2 |
(28.0±1.0)*(70.5±1.0)*(160.0±1.0) | (29.0±1.0)*(135.0±1.0)*(223.0±1.0) | (36.0±1.0)*(130.0±1.0)*(255.0±1.0) |
0.58±0.02 | 1.80±0.05 | 2.31±0.03 |
表3.2 PACK需求参数
参数表 | ||
项目分类 | 特性参数 | 备注 |
需求电量（Kwh） | ＞120 | |
电机控制器额定工作电压（V） | 540 | |
电机控制器额定工作电流（A） | 150 | |
电机控制器输入电压范围（V） | 400-700 | |
箱体防水防尘等级 | IP67 | |
加热保温功能 | 具备 | |
电池包尺寸 | 1050mm*630mm*342mm | 5箱 |
以上三种电芯，通过不同的串并方式，在参数上都能满足要求，但在实际当中，需要根据实际情况来选择。首先，这是一款商用车，需求的电量比较大，在有可能的情况下，尽量选择大电芯；其次，需要考虑箱体内部排布规整对称，重心点尽量在几何中心；再次，考虑到规模生产，模组种类尽量减少，尽可能使用一种模组；最后出于安全考虑，并联数量尽可能少于4并。
通过以上的这些考虑，优选方案是显而易见了：
表3.3优选方案描述
No. | 项目 | Pack状态或参数 |
1 | 额定电压 | 512V |
2 | 额定容量 | 249Ah |
3 | 电压范围 | 400V-584V |
4 | 总能量 | 127.4kWh@25℃，0.5C |
5 | 电池包尺寸 | 1060mm*630mm*342mm |
6 | 重量 | ＜1450kg |
7 | 电芯 | LPF 3.2V/83Ah，480pcs |
8 | 模组方案 | 3P4S：40set |
9 | 串并联方案 | 3P160S |
图3.6模组排布示意
新书抢购｜《电动汽车动力电池系统设计与制造技术》火爆现货抢购中
第5篇：SoC概念解析与SoF估算
节选自《电动汽车动力电池系统设计与制造技术》第四章：“动力电池管理系统(BMS)设计”，作者：谭晓军
4.3.1 SoC相关的概念
很多时候，剩余电量与荷电状态（SoC）经常被混为一谈。然而，严格来说，其两者定义是有差别的，所采用的单位也不一致。本小节先讨论与SoC相关的一些概念，并对其进行辨析。
1. SoC
对SoC常用的定义是
式中的分子及分母，都以电量（而不是能量）的形式存在，其物理单位可以用“库仑”（C），也可以用“安时”（A·h或简写为Ah），并且有1Ah=3600C。
利用式(4-1)对电池的SoC进行定义，大多数人都是基本认同的。然而，分歧就出在对分子以及分母的理解上了。式(4-1)中，分数线的下方一般理解为“电池的容量”，对“容量”定义的分歧，也会导致对SoC概念理解的不一致。
2. 剩余电量
电池中电荷的剩余量，即剩余电量（记为Qremain），指的是从当前时刻起，某个电池内部通过化学反应所能释放出来的电荷量，可以类比于杯子里所装的水，其余量可以由杯子所能倒出的水的多少来反映。剩余电量可以用“安时”（Ah）为计量单位。
广义地说，剩余电量应该是所有可能发生的化学反应释放出来的电荷量的体现。这里所说的“所有”，指的就是在不损坏电池的前提下，选择适当的温度和放电倍率所能放出的电荷的最大值。
狭义的剩余电量，指的是在限定的温度条件和放电倍率下，电池所能放出的电荷的多少。例如在比较低的温度下，水杯里有一部分的水结冰冻住了，剩余量就是把那些还没结冰的液态的水全部倒出来的多少。可见，狭义的剩余电量应该是温度和放电倍率的因变量。
在实际工作中，以上广义和狭义的两种概念都会被使用到。在常温和小倍率放电的前提下，两者的值几乎是相等的，因此在传统的使用中，人们往往不加区分地把这两个概念等同起来。但对于电动汽车的动力电池而言，由于汽车的工作环境温度变化可能较大，而且放电倍率也比较大，因此我们在使用过程中应该清醒地意识到所指的剩余电量是以上广义和狭义的具体哪一种。
3. 电池的容量
仍然有不少工程师在定义SoC的概念时使用标称容量（Qrated）。然而，使用标称容量并不合适，理由在于以下两个方面：
第一，标称容量与实际容量（Qtrue）是有区别的。表4-1给出的是A、B、C三个厂家所提供的全新的电池样本的实际电荷容量与标称值之间的对比。从表中可见，电池所能放出的实际电荷量与标称值并不完全相等。
表4-1 三个全新电池样本实际电荷容量与标称值对比
（测试温度25℃，放电倍率0.02C）
第二，标称容量不能反映电池的老化。随着电池的老化，电池所能放出的实际最大电荷量也在不断变小。这一点很好地解释了为什么有些SoC算法对于新电池的SoC来说比较准确，但随着电池充放电循环次数的增加估算的偏差则越来越多。
关于式(4-1)中的“电池的容量”的另一种理解是
式中，k是电池的标称容量之外附加的一个“补偿因子”，有
其中，
分别表征温度、电池放电倍率以及电池的老化程度。
事实上，对于一个充满了的电池来说，所能放出的电荷的最大值受放电倍率、环境温度等因素影响，不是一个恒常的值。表4-2为给出的是A厂家标称为100Ah的一个新的动力电池样本在不同温度、不同放电倍率条件下实际可放出的电荷数量。
表4-2 同一电池样本在不同温度下以不同倍率放电的容量
注：该电池样本标称电量为100Ah。
使用式(4-2)来估算SoC的好处是，不再将式(4-1)中的分母看作为一个静态的值，而将其与电池老化后容量衰减、库仑效率、温度对电池放电倍率的影响等多方面动态的因素结合起来，使得SoC的估算值成为劣化程度和“放电条件”的函数，更符合实际。
4.3.4 SoF的估算
SoF（State of Function）是近年来比较热门的一个概念。本小节我们给出SoE、SoF的定义，以及SoF估算的一般思路。
1. SoE（State of Energy）
顾名思义，SoE指的是电池剩余能量，可以使用百分比符号（%），也可以使用能量的单位焦耳（J），但在电动汽车上，很多时候使用kWh来作为单位，也就是人们经常所说的“还剩下多少度电”。有以下的换算关系：
1Wh = 3600J (4-4)
1kWh = 3600000J (4-5)
然而，仔细分析一下，SoE也有两个层面的意义。首先指的是某个时刻，电池组所荷带的“化学能”我们用SoE0来表示，其次是指电池组可以提供给负载使用的能量用SoE1来表示。
然而，与电动汽车的续航里程相关的，并非动力电池的剩余能量SoE0，而是动力电池所能对外输出的能量SoE1。但是，与并不只有SoC一个自变量，它还随着不同的温度以及放电电流大小而改变，即
式中的I就是电池组的放电电流。
也就是说，在电池剩余电量相同的情况下，如果以不同大小的电流放电，动力电池所能对外释放的能量是不同的。这点已经在笔者的第一本书里进行了论述。
2. SoF（State of Function）
对于电动汽车而言，SoF可以被定义为某一特定时刻，电池组可以提供给电机等各种电气负载的功率，可以简单地认为，SoF是SoC及温度的函数，即有
SoP常常作为一个实时的参数由BMS提供给电机控制器以及电动汽车内的其他控制电气系统，用来表征此时此刻电池所能提供的功率大小。在实际工作中，SoP的数值单位有时候是功率单位瓦特（W），也有时候是电流单位安培（A），因为通常BMS会同时提供电池组的总电压，而总电压与电流的乘积恰好是电池组所能提供的总功率。
实际上，对于很多电动汽车的动力系统来说，BMS不仅要估算特定时刻电池组对外输出的功率SoF，还要提供电池组允许充电的最大功率SoF2。SoF2一方面要通过通信总线发送给电机，告诉电机在进行制动能量回收的时候不能超过某个极限值，另一方面要结合充电策略发送给充电机，以免充电机提供的充电电流过大而损坏电池。
3. SoF的估算
参考了有关文献，结合笔者的工作经验，一个包含SoF状态估算的方法如下图所示。
图4-20 一个包含SoF状态估算的方法
对图4-20作以下说明。
(1) 在讨论SoC、SoH、SoF的核心算法时，不应孤立地考虑某一个问题，因为各个状态之间是互相依赖，互为因果的，图*正好体现了这种互相影响。
(2)从图中可见，就硬件而言，除了主芯片的运算速度以外，还依赖于两个模块：其一，电压、电流、温度这些实时采集的传感器数据是软件计算的依据，采集的精度对于估算的精度有着直接的影响；其二，要有足够大的存储单元来保存有关的状态信息，因为很多算法不仅依赖于传感器数据，还依赖于历史数据，一般来说，用于保存历史数据的硬件不仅是RAM，有很多时候还需要配备ROM。
(3) 许多工程师误认为SoH的概念等价于电池的容量，事实上衡量电池SoH的主要指标中除了容量以外，还应该包括电池的等效内阻，这点我们已经在上一小节中讨论过了。
(4)SoC估算是BMS软件的核心，也是近年来研究的重点和难点。从图中可见，SoC估算需要很多的输入，因此它的计算往往是比较复杂和困难的；同时，SoC估算的结果也是其他软件模块的基础，如SoF估算、均衡控制等。
新书抢购｜《电动汽车动力电池系统设计与制造技术》火爆现货抢购中
第6篇：电池包强制风冷系统设计
节选自《电动汽车动力电池系统设计与制造技术》第五章：“热管理系统设计”，作者：蒋碧文
5.2.3 强制风冷系统
强制风冷是通过风扇将空气引入箱体内部，空气在风扇的作用下，以一定的流速掠过模组或者电芯的外表面，并将电芯产生的热量散入到环境空气中。强制风冷方式常见于早期的纯电动乘用车、纯电动大巴以及储能。
强制风冷系统设计主要包括风道设计、风扇选型、冷却空气温度选择、热流体仿真分析和测试验证等内容。
1、风道设计
对于强制风冷系统设计来说，风道的设计是十分关键的。良好的风道设计不仅可以提高散热的均匀性，而且还可以降低系统的流动压降。
从散热界面来看，强制风冷系统的风道可以分为电芯间隙风冷和电芯底部风冷。图5-14（a）所示的是电芯间隙风冷原理图，冷风以一定速率流过电芯间隙并将电芯产生的热量传递到周围环境中；图5-14（b）所示的是电芯底部风冷原理图，电芯产生的热量先通过导热的方式传递到电芯底部的冷却风道上，然后通过空气的强制对流换热将热量传递到周围环境中。上述两种风道各有优缺点：对于电芯间隙风冷来说，风道的设计过程相对来说比较简单，但系统的流动阻力往往比较大；对于电芯底部风冷来说，风道比较规则，因此系统的流动阻力比较小，并且可以在风道中设计散热翅片以强化换热。
图5-14电芯间隙风冷和电芯底部风冷原理图
根据空气的流动形式可以分为：串行方式和并行方式。串行方式的优点是结构简单，缺点是散热均匀性差，且系统流动阻力比较大；相对于串行方式，并行方式的散热均匀性更好一些，且流动阻力比较小，但并行方式的结构较为复杂，占据的空间也更大。图5-15（a）所示的是电芯间隙冷却情况下串行方式的原理图，在这种方式下，冷风逐一掠过电芯并将电芯的热量带走，同时冷风每掠过一个电芯自身的温度就会升高，因此这种方式会使电芯间的温差增大，此外系统的流动阻力也比较大；图5-15（b）所示的是电芯间隙冷却情况下的并行方式的原理图，在这种冷却方式下，冷风并行掠过电芯并将电芯的热量带走，因此电芯间的温差得到了控制，且系统的流动阻力比较小。对于电芯底部冷却的情况，其串行方式和并行方式也有相同的特点，只是情况会稍微简单一些，在此就不一一说明。
图5-15串行方式和并行方式原理图
2、风扇选型
在强制风冷系统设计过程中，除了设计冷却风道之外，选择合适的风扇也非常重要。
对于风扇的选型，最重要的是所选用的风扇必须能够提供足够的升力以保证系统有的足够的冷却空气流量。一般情况下，工程师可以借助热流体仿真分析工具，对冷却风道进行流场分布的仿真，并提取出冷却风道的阻力特征曲线，然后将阻力特征曲线与风扇的压力-流量曲线（即P-Q曲线）进行对比，并选择会合适的风扇P-Q曲线。
除此之外，风扇选型时还需要考虑如下的因素：用于电池系统的风扇通常是直流供电，电压一般为12V或者24V；根据运行方式，风扇可以分为轴流式风扇、离心式风扇和混流式风扇，这三种风扇在使用过程中各有利弊，需要根据实际情况进行选择；此外，还需要考虑风扇的尺寸、重量、噪音、功耗和成本等因素。
3、冷却空气温度选择
用于冷却电池系统的空气，可以是从环境中引入的，也可以是经过热交换器冷却而后引入的。这两种方式的差别很明显：第一种方式的成本和能耗较低，但散热效率也较低；第二种方式的散热效率相对来说较高，但增加了成本和能耗。就目前的风冷应用来说，第一种方式主要用于储能，第二种方式更多地用在纯电动乘用车和纯电动大巴。
图5-16所示的是第二种方式的工作原理：环境中的空气经过整车控制体冷却之后进入乘客舱，随后通入电池系统对电池包进行冷却，最后通过风扇将其排入环境空气。
4、热流体仿真分析
在风冷设计过程中，风道内空气热场和流场分布、箱体内部热场和流场分布和电芯内部的温度分布都可以通过热流体仿真分析进行模拟，并根据仿真分析结果进行设计评估、零部件选型和优化设计。
图5-17为某风冷系统P-Q曲线选型图，图中蓝色虚线所示的是根据冷却风道流场分布仿真结果提取出来的风阻特征曲线，图中彩色实线所示的是某风扇供应商提供的同一系列不同型号风扇的P-Q曲线。将风阻特征曲线与风扇P-Q曲线进行对比的结果显示：想要给冷却风道提供特定的流量，只有H和V两种型号的风扇才能满足强制风冷系统对风扇升力的要求，因此可以根据实际情况在H和V型号的两种风扇中选择其一。
图5-17 风扇P-Q曲线选型
5、测试验证
风冷系统设计完成之后，需要进行一系列的测试。这些测试可以归纳为功能性测试、可靠性测试和安全性测试：功能性测试主要是验证电芯的温升和风道内部的流速等参数是否与设计相符；可靠性测试主要是验证风道、风扇和风扇控制模块在电池系统寿命周期内是否能够可靠地运行；安全性测试主要是验证风冷系统零部件失效时是否引起安全风险。
通过上述的描述，本节将强制风冷系统的设计流程进行了一个简单的介绍。综合来看，强制风冷系统的散热效果较自然冷却有明显的提升，但远比不上液冷，此外强制风冷的冷却均匀性也比较差。从结构设计的角度来看，强制风冷需要设计风道，增加风扇，系统的复杂程度也比较高，而且加入风扇使电池系统的密封性很难兼顾。
新书抢购｜《电动汽车动力电池系统设计与制造技术》火爆现货抢购中
第7篇：Pack冲压成型与超声波焊接仿真
节选自《电动汽车动力电池系统设计与制造技术》第六章：“动力电池系统结构仿真分析”，作者：刘勇
6.4 制造工艺仿真
电池箱体现有制造工艺包括钣金拼焊、冲压加拼焊、压铸、搅拌摩擦焊接。目前商用车用电池箱体采用钣金拼焊工艺比较多，其次是压铸箱体、搅拌摩擦焊接箱体、SMC等复合材料箱体；乘用车多采用冲压成型加拼焊的工艺，不过随着对电池系统比能量要求的提高，采用铝合金搅拌摩擦焊接的也将越来越多。箱体制造工艺的选择受制于尺寸大小、终端应用、轻量化、成本等的影响，一个项目选择何种制造工艺需要综合评估后选定。
不管是使用何种工艺，都可以通过仿真评估来发现设计存在的问题，从而指导箱体和工装夹具的设计。
6.4.1 冲压成型仿真
冲压成型主要利用了金属塑性变形的原理，通过冲压加工使金属产生塑性变形来制造产品。
如下图6-48所示，为一款采用冲压成形工艺的电池箱上盖，尺寸为1735mmX900mmX70mm。为了对其进行工艺可行性评估，建立了冲压成型仿真模型如下图6-49所示，通过计算机模拟冲压成形过程。
图6-48 某电池箱上盖
图6-49 冲压成型仿真模型
仿真模型包含凸模、压边圈、胚料、凹模，采取单动形式，即凸模不动，压边圈将胚料压在凹模上整体向凸模移动。胚料尺寸为1960mmX1200mm，压边力设置为100吨，摩擦系数设为0.15。上盖材料选择DC06，属于塑性非常好的深拉材料。仿真过程如下图6-50所示。图6-51为成型后的起皱云图。
图6-50 冲压成型过程
图6-51起皱变形量云图
从仿真结果来看，该设计在成型过程中存在一定的撕裂风险，如下图6-53所示红色区域，成型极限图中也显示有超过材料的极限应变。针对该风险区域，需要增大此处的圆角，
图6-53 风险区域
6.4.2 超声波焊接仿真
超声波焊接是利用高频振动波传递到两个需要焊接的物体表面，在加压的情况下，使两个物体表面相互摩擦而形成分子层之间的熔合。
由于方形电芯极柱大多是铝合金材料，电芯之间的电连接大部分采用激光焊接工艺，由于铝巴汇流能力没有铜巴强，模组输出极需要铜铝转接，铜铝转接采用超声波焊接工艺，此工艺在方形电芯成组工艺中应用最多，部分低压采样线束也是采用此工艺，如下图6-54所示为方形模组铜铝转接结构。
在生产过程中经常有反馈超声波焊接后工件出现裂纹，为了分析问题出现的原因，先了解超声波焊接是如何操作，如图6-55所示，超声波焊头以一定的压力压在工件表面，然后以20kHz的频率做正弦振动，振幅0.04mm，持续时间0.3~0.6s。
图6-54 铜铝转接结构
图6-55 超声波对接焊示意图
从以上可知，每完成一次超声波焊接，工件已经承受了近万次的振动，因此铜铝巴焊后裂纹属于振动疲劳问题，既然是振动问题就应该结合工件的固有频率来分析，此问题适合采用模态叠加法[19]来进行求解，求解铜铝巴超声波焊接疲劳的基本思路如下图6-56所示：
图6-56 超声波焊接疲劳分析基本思路
如下图6-57和6-58所示为2并和3并的铜铝巴超声波焊接疲劳分析结果，2并设计因铝巴比较短，从仿真分析结果来看不存在裂纹的风险；3并设计因铝巴较长，从分析结果来看有断裂风险，云图中紫色即为危险区域，因此对于这种悬臂较长的焊接结构需要设计工装夹具提供额外的支撑和固定，并可以通过多次的仿真分析对比来获得最优的支撑位置，从而指导超声波焊接夹具的设计。
针对3并的铜铝超声波焊接，在工件的最外端加一个支撑限位的工装，并增加焊接底座的支持面积，可以降低超声波焊接带来的疲劳应力，避免裂纹的出现，优化后的仿真分析结果如图6-59所示。
图6-57 2并铜铝巴超声焊接疲劳结果
图6-58 3并铜铝巴超声焊接疲劳结果
图6-59 优化焊接工装后的仿真结果
新书抢购｜《电动汽车动力电池系统设计与制造技术》火爆现货抢购中
第8篇：动力电池系统热蔓延测试
节选自《电动汽车动力电池系统设计与制造技术》第七章：“动力电池系统开发性试验验证”，作者：王芳
7.2.5.5 热蔓延
热蔓延测试主要验证车辆的蓄电池系统发生热失控时，确保车内乘客的人身安全。
测试对象为整车或完整的车载可充电储能系统或包括蓄电池及电气连接的车载可充电储能系统子系统。制造商如果选择储能系统子系统作为测试对象，则需证明子系统的试验结果能够合理地反映完整的车载可充电储能系统在同等条件下的安全性能。如果储能系统的电子管理单元(BMS或其它装置)没有集成在封装蓄电池的壳体内，则必须保证电子管理单元能够正常运行并发送报警信号。
试验应在以下条件进行：
a) 除另有规定外，试验应在温度为25±5 ℃，相对湿度为15%～90%，大气压力为86 kPa～106 kPa的环境中进行。本节所提到的室温，是指25±2 ℃；
b) 试验开始前，测试对象的SOC应调至大于电池厂商规定的正常SOC工作范围的[90%或者95%]；
c) 试验开始前，所有的试验装置应都必须正常运行。若选择过充作为热失控触发方法，需关闭过充保护功能；
d) 试验应尽可能少地对测试样品进行改动，制造商需提交所做改动的清单；
e) 试验应在室内环境或者无风条件下进行。
考虑到试验的可行性和可重复性，以下三种不同的方法可作为可充电储能系统热失控扩展试验的候选方法，厂商可从中选择一种方法。加热是其中一种触发方法，另外两个可选方法分别是针刺和过充，两者均只须对蓄电池系统做很小的改动。针刺触发要求提前在蓄电池系统的外壳上钻孔，过充触发要求在触发对象上连接额外的导线以实现过充。
热失控触发对象：选择可通过B.4.1中其中一种方法实现热失控触发的单体蓄电池作为热失控触发对象，热失控触发对象热失控产生的热量应非常容易传递至相邻单体蓄电池。例如，选择蓄电池包内最靠近中心位置的单体蓄电池，或者被其它单体蓄电池包围且很难产生热辐射的单体蓄电池。
针刺触发热失控：试验应在如下条件下开展：刺针材料：钢；刺针直径：3mm及8mm；针尖形状：圆锥形，角度为20℃～60℃；针刺速度：10～100mm/s；针刺位置及方向：选择可能触发单体蓄电池发生热失控的位置和方向(例如，垂直于极片的方向)。如果能够发生热失控，也可以直接从蓄电池的防爆阀刺入，被针刺穿孔的单体蓄电池称为触发对象。如果未发生热失控，观察1h后参照4.4.2 a)作判断。
过充触发热失控：以最小1/3C、最大不超过电池厂商规定正常工作范围的最大电流对触发对象进行恒流充电，直至其发生热失控或者触发对象达到200%SOC，蓄电池系统中的其它单体蓄电池不能被过充。如果未发生热失控，观察1h后则参照4.4.2 a)作判断。
加热触发热失控：使用平面状或者棒状加热装置，并且其表面应覆盖陶瓷，金属或绝缘层。对于尺寸与单体蓄电池相同的块状加热装置，可用该加热装置代替其中一个单体蓄电池；对于尺寸比单体蓄电池小的块状加热装置，则可将其安装在模块中，并与触发对象的表面直接接触；对于薄膜加热装置，则应将其始终附着在触发对象的表面；在任何可能的情况下，加热装置的加热面积都不应大于单体蓄电池的表面积；将加热装置的加热面与蓄电池表面直接接触，加热装置的位置应与B.4.7中规定的温度传感器的位置相对应；安装完成后，立即启动加热装置，以加热装置的最大功率对触发对象进行加热；加热装置的功率要求见表21，但不做强制性要求；当发生热失控或者B.4.7定义的监测点温度达到300℃时，停止触发。如果未发生热失控，观察1h后参照4.4.2 a)作判断。
表21 加热装置功率选择
测试对象能量E（Wh） | 加热装置最大功率（W） |
E < 100 | 30～300 |
100 ≤ E < 400 | 300～1000 |
400 ≤ E < 800 | 300～2000 |
E ≥ 800 | >600 |
以下是判定是否发生热失控的条件：
a)测试对象产生电压降；
b)监测点温度达到电池厂商规定的最高工作温度；
c)监测点的温升速率dT/dt≥1℃/s
当a)&c)或者b)&c)发生时，判定发生热失控。
如果测试已经停止，且过程中未发生热失控，测试中止，参照4.4.2 a)作判断。
电压及温度的监测
监测触发对象的电压和温度以判定是否发生热失控，监测电压时，应不改动原始的电路。监测温度定义为温度A(测试过程中触发对象的最高表面温度)。温度数据的采样间隔应小于1s，准确度要求为±2℃，温度传感器尖端的直径应小于1mm。
针刺触发时，温度传感器的位置应尽可能接近短路点。
图37 针刺触发时温度传感器的布置位置示意图
过充触发时，温度传感器应布置在单体蓄电池表面与正负极柱等距且离正负极柱最近的位置。
加热触发时，温度传感器布置在远离热传导的一侧，即安装在加热装置的对侧。如果很难直接安装温度传感器，则将其布置在能够探测到触发对象连续温升的位置。
图39加热触发时温度传感器的布置位置示意图
新书抢购 71 67671 71 48055 0 0 7244 0 0:00:09 0:00:06 0:00:03 9153《电动汽车动力电池系统设计与制造技术》火爆现货抢购中
第9篇：圆柱电芯模组结构和工艺介绍
节选自《电动汽车动力电池系统设计与制造技术》第八章：“电动汽车动力电池系统技术发展综述”，作者：武文华，黄昌明
8.2.1 圆柱电芯模组结构和工艺介绍
1. 圆柱电芯模组结构简介
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，图 8-2 是较为典型的一种圆柱电芯模组结构，下面以图 8-3 所示的模组常用工艺流程来进行介绍。
图8-2 圆柱电芯模组结构示意图
2. 圆柱电芯模组装配工艺流程介绍
（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。关于电芯分选详细内容参见 8.3.1节。
图8-3 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，假如孔太大，方便电芯插入，但是电芯固定不好，影响焊接效果；假如孔太小，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（图 8-4）。装配时需要防止电芯极性装反，若是手动装配，需要对电芯极性进行快速检查，以免不良品流入后工序。
图8-4 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。注意，在每班开班前，都需要检测设备处于良好的工作状态，否则需要停机维修。
（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，工艺里面有个滚槽的工序，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，为是否满足焊接条件进行提前预判。
（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，详细内容参见8.3.2 节。
（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：
1）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。
2）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15～30 min比较合理。
3）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。关于打胶的介绍，参见 8.3.5 节。
（11）盖绝缘板
盖绝缘板是指把模组的汇流排进行绝缘保护起来。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1 mm。
（12）模组 EOL 测试
EOL测试（end of line）（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：
1）绝缘耐压测试；
2）内阻测试；
3）电压采样测试；
4）尺寸检测；
5）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，关于 EOL测试，8.5节有专题阐述。
（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。
或点击“阅读原文”到微店购买
团购客户请加微信“Leander_no3”或扫下面微信二维码沟通