介紹動力軟包鋰電池模組設(shè)計要點
來源：寶鄂實業(yè)
2019-07-11 20:21
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軟包電池，各家設(shè)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(dǎo)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(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計在上面。
結(jié)構(gòu)設(shè)計
結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。結(jié)構(gòu)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(chǎn)線自動化成本低，包括生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)損耗;易分拆：電池組易于維護(hù)、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(shè)計再考慮。
據(jù)了解，目前，行業(yè)內(nèi)圓柱電芯的模組成組效率約為87%，系統(tǒng)成組效率約為65%;軟包電芯模組成組效率約為85%，系統(tǒng)成組效率約為60%;方形電芯的模組成組效率約為89%，系統(tǒng)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(shè)計要求較高，安全性不易把控，這都是需要結(jié)構(gòu)設(shè)計解決的問題。
一般模組優(yōu)化途徑。提升空間利用率也是優(yōu)化模組的一個重要途徑。動力電池PACK企業(yè)可以通過改進(jìn)模組和熱管理系統(tǒng)設(shè)計，縮小電芯間距，從而提升電池箱體內(nèi)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(tǒng)內(nèi)的匯流排(并聯(lián)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(qiáng)鋼和鋁，這樣也能減輕動力電池重量。
熱設(shè)計
軟包電芯的物理結(jié)構(gòu)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(nèi)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(jié)構(gòu)中，散熱最好的。
軟包電池的著名代表，日產(chǎn)的Leaf，其模組結(jié)構(gòu)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(guān)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(jié)構(gòu)。
當(dāng)前主流的冷卻方式，已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐豪湟约跋嘧儾牧侠鋮s。相變材料冷卻可以配合液冷一起使用，或者單獨在環(huán)境不太惡劣的條件下使用。另外還有一種當(dāng)前國內(nèi)仍然較多應(yīng)用的工藝，灌膠。這里灌得是導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于空氣的導(dǎo)熱膠。由導(dǎo)熱膠將電信散發(fā)的熱量傳遞到模組殼體上，再進(jìn)一步散發(fā)到環(huán)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(tǒng)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(dāng)然軟包電芯要將液冷技術(shù)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(shè)計
電氣設(shè)計，包含低壓和高壓兩個部分。
低壓設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計，主要是電芯與電芯之間的串并聯(lián)，以及模組外部，設(shè)計模組與模組之間的連接導(dǎo)電方式，一般模組之間只是考慮串聯(lián)方式。這些高壓連接需要達(dá)到兩個方面的要求：一是電芯之間的導(dǎo)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(shè)計
安全設(shè)計，可以分為3個倒退的要求：良好的設(shè)計，確保不要發(fā)生事故;如果不行，發(fā)生事故了，最好能提前預(yù)警，給人以反映時間;故障已經(jīng)發(fā)生，則設(shè)計的目標(biāo)就變成阻止事故過快蔓延。
實現(xiàn)第一個目的的，是合理布局，良好的冷卻系統(tǒng)，可靠的結(jié)構(gòu)設(shè)計;次級目標(biāo)，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(jiān)測每一顆電芯的內(nèi)阻;最低目標(biāo)，則可以通過電芯和模組設(shè)置保險絲，模組和模組之間設(shè)置防火墻，設(shè)計強(qiáng)度冗余應(yīng)對災(zāi)害發(fā)生后可能的結(jié)構(gòu)坍塌。這都是高性能軟包模組的方向。
輕量化設(shè)計
輕量化設(shè)計，最主要目的是追求續(xù)航里程，消滅所有多余負(fù)擔(dān)，輕裝上陣。而如果輕量化再能跟降成本結(jié)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(xì)節(jié)設(shè)計中，確保強(qiáng)度的情況下追求結(jié)構(gòu)件的輕薄(比如選更薄的材質(zhì)，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(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計
標(biāo)準(zhǔn)化是大工業(yè)以來的長期追求，標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)實是單體還沒有標(biāo)準(zhǔn)化，那么模組標(biāo)準(zhǔn)化距離就更遠(yuǎn)了。
