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動力軟包鋰電池,模組設計要點

 

發布時間:2021-06-11

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、固定和保護作用,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,能否避免熱失控的傳播等等,都將是評判電池模組優劣的標準。高性能需求的電池模組,其熱管理的解決方案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。

模組的主要組成

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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,提供一定壓力的作用以外,往往還將模組在pack中的固定結構設計在上面。

結構設計

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,避免熱失控過快蔓延,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,這都是需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。動力電池PACK企業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。還有一種解決方案,即使用新材料。比如,動力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。顯然隨著人們對于高性能電動車的追求,迫使軟包電芯也必須要有主動式的熱管理結構。

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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,一般需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,主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。這些高壓連接需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,避免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;如果不行,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,則需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,最主要目的是追求續航里程,消滅所有多余負擔,輕裝上陣。而如果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9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案,由中間的孔進,兩側的孔出。

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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化學提供,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)

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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。如果模組內電芯(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,如果一個模組是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對比

簡介:模組形式如下圖所示。選取某廠家軟包裝鈦酸鋰電池進行成組,其特性參數如下表所示。

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鋰電池模塊由鈦酸鋰電池、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。

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連接方式一:全螺絲連接的鋰電池模塊,即鋰電池與長/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電池模塊,即鋰電池與長/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電池模塊,即鋰電池與長/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電池模塊不同溫度點的溫度情況。鋰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電池模塊溫度測量點為12個,采用的是熱電偶測溫。

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經過實驗測試,連接阻抗和鋰電池模塊內阻如表2 所示。不同連接方式的鋰電池模塊經過120 A 充放電(一個充放電循環)實驗,其測量點的溫度測試結果如下表所示。

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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主要影響因素有: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產生氧化或腐蝕;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。從鋰電池模塊內阻上看,連接方式三的鋰電池模塊內阻優于連接方式一和連接方式二。


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