鉅大LARGE | 點擊量：707次 | 2021年05月13日
軟包鋰離子電池該怎么樣進行模組設計？
電池模組可以理解為鋰離子電芯經串并聯方式組合，加裝單體電池監控與管理裝置后形成的電芯與pack的中間產品。其結構必須對電芯起到支撐、固定和保護用途，可以概括成3個大項：機械強度，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其不發生有損性能的形變，如何滿足載流性能要求，如何滿足對電芯溫度的控制，遇到嚴重異常時能否斷電，能否防止熱失控的傳播等等，都將是評判電池模組優劣的標準。高性能需求的電池模組，其熱管理的解決方法已經轉向液冷或相變材料。
軟包電池單體能量密度在常見三種鋰離子電池封裝形式中，最容易做高，但到了模組設計這一層，對產品整體安全性的考慮任務卻最重，可以說是把一部分電芯的活轉移給了模組結構。
模組的重要組成
軟包電池，各家設計選擇差距比較大，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，供應一定壓力的用途以外，往往還將模組在pack中的固定結構設計在上面。
結構設計
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
結構設計要求。結構可靠：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產線自動化成本低，包括生產設備、生產損耗；易分拆：電池組易于維護、維修，低成本，電芯可梯次利用性好；做到必要的熱傳遞隔離，防止熱失控過快蔓延，也可以把這一步放到pack設計再考慮。
據了解，目前，行業內圓柱電芯的模組成組效率約為87%，系統成組效率約為65%；軟包電芯模組成組效率約為85%，系統成組效率約為60%；方形電芯的模組成組效率約為89%，系統成組效率約為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，但對模組設計要求較高，安全性不易把控，這都是要結構設計解決的問題。
一般模組優化途徑。提升空間利用率也是優化模組的一個重要途徑。動力鋰電池PACK公司可以通過改進模組和熱管理系統設計，縮小電芯間距，從而提升電池箱體內空間的利用率。還有一種解決方法，即使用新材料。比如，動力鋰電池系統內的匯流排（并聯電路中的總線，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鋼和鋁，這樣也能減輕動力鋰電池重量。
熱設計
軟包電芯的物理結構決定了其不易爆炸，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構中，散熱最好的。
軟包電池的著名代表，日產的Leaf，其模組結構為全密封式的，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系。顯然隨著人們關于高性能電動汽車的追求，迫使軟包電芯也必須要有主動式的熱管理結構。
當前主流的冷卻方式，已經轉變為液冷以及相變材料冷卻。相變材料冷卻可以配合液冷一起使用，或者單獨在環境不太惡劣的條件下使用。另外還有一種當前國內仍然較多應用的工藝，灌膠。這里灌得是導熱系數遠大于空氣的導熱膠。由導熱膠將電信散發的熱量傳遞到模組殼體上，再進一步散發到環境中。這種方式，電芯再次單獨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。當然軟包電芯要將液冷技術做成熟也并非易事，其必須考慮液冷板的固定，密封性，絕緣性等等。
電氣設計
電氣設計，包含低壓和高壓兩個部分。
低壓設計，一般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。
高壓設計，重要是電芯與電芯之間的串并聯，以及模組外部，設計模組與模組之間的連接導電方式，一般模組之間只是考慮串聯方式。這些高壓連接要達到兩個方面的要求：一是電芯之間的導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，防止電能在傳遞路徑上的浪費。
安全設計
安全設計，可以分為3個倒退的要求：良好的設計，確保不要發生事故；假如不行，發生事故了，最好能提前預警，給人以反映時間；故障已經發生，則設計的目標就變成阻止事故過快蔓延。
實現第一個目的的，是合理布局，良好的冷卻系統，可靠的結構設計；次級目標，則要傳感器更加廣泛的分布到每一個可能的故障點，全面檢測電壓和溫度，最好監測每一顆電芯的內阻；最低目標，則可以通過電芯和模組設置保險絲，模組和模組之間設置防火墻，設計強度冗余應對災害發生后可能的結構坍塌。這都是高性能軟包模組的方向。
輕量化設計
輕量化設計，最重要目的是追求續航里程，消滅所有多余負擔，輕裝上陣。而假如輕量化再能跟降成本結合，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；在細節設計中，確保強度的情況下追求結構件的輕薄（比如選更薄的材質，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。
標準化設計
標準化是大工業以來的長期追求，標準化是降低成本提高互換性的基石所在。具體到動力鋰電池模組，還多了一個梯次利用的偉大目的。話雖如此，但現實是單體還沒有標準化，那么模組標準化距離就更遠了。
使用軟包電池的知名車型案例
雷諾ZOE，2016年九月雷諾對ZOE電池包進行了升級，新款電池包總電量為45.6kWh，可用電量為41kWh，系統額定電壓360V，系統成組方式為2P96S，共192個電芯，由12個2P8S模組組成。ZOE電池包采用風冷熱管理方法，由中間的孔進，兩側的孔出。
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，電芯的熱量傳導至鋁殼體，通過間隙內的空氣流動對電芯進行冷卻，同時間隙也可以吸收電芯的一部分膨脹。
ZOE的電芯由LG化學供應，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（無強制冷卻）
Leaf電池小模組，每個殼體內放置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，根據每個模組的數量，專門注塑定制了相應的接線盒，每個接線盒的形式與模組是一一對應的。假如模組內電芯（2p2s）數量改變，其接線盒就不能使用，除非數量是已有模組的整倍數，而且并列模組數一致。例如，假如一個模組是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。
軟包電池強電連接方式比較
簡介：模組形式如下圖所示。選取某廠家軟包裝鈦酸鋰離子電池進行成組，其特性參數如下表所示。
鋰離子電池模塊由鈦酸鋰離子電池、模塊安裝板、絕緣隔離塊、罩殼、長連接排、短連接排、極柱組成，鋰離子電池模塊結構如下圖所示。每兩個模塊安裝板中間放置一個電池，形成5并3串的結構形式，串并聯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。
極柱作為鋰離子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行電氣隔離。
連接方式一：全螺絲連接的鋰離子電池模塊，即鋰離子電池與長/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離子電池模塊，即鋰離子電池與長/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離子電池模塊，即鋰離子電池與長/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鋰離子電池分別做螺絲連接和激光焊接實驗，測量記錄下各自的連接阻抗。同時通過測量鋰離子電池模塊正負極兩端來得到整個模塊的內阻值，從而比較不同連接方式下鋰離子電池模塊的內阻差異。連接阻抗和內阻均采用HIOKI電池測試儀測量獲得。
在鋰離子電池模塊內布置若干熱電阻或熱電偶作為溫度測量點，通過充放電實驗測試鋰離子電池模塊不同溫度點的溫度情況。鋰離子電池模塊額定電流為100A，考慮到超負荷運行的極限電流大約為120A，故在實驗測試中以電流120A的極限情況進行充放電。記錄充放電過程中各溫度測量點的最高溫度、溫升和溫差。連接方式一的鋰離子電池模塊溫度測量點為4個(受當時條件限制，只測了4個關鍵點)，采用的是熱電阻測溫。連接方式二和三的鋰離子電池模塊溫度測量點為12個，采用的是熱電偶測溫。
實驗結果分析，從數據可以看出，螺絲連接的連接阻抗要遠遠大于激光焊接的連接阻抗。形成螺絲連接的連接阻抗大的重要影響因素有：連接面表面不平整(表面粗糙度較大)；受到環境因素影響，長/短連接排和電池接觸面出現氧化或腐蝕；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，包括在運輸、搬運過程中振動引起的螺絲松動。由于激光焊接是將光能轉化為熱能，使材料熔化，從而達到焊接的目的，相當于將兩者熔為一體，因此這種連接方式的阻抗必定會比較小。從鋰離子電池模塊內阻上看，連接方式三的鋰離子電池模塊內阻優于連接方式一和連接方式二。
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