高效率模组成组及技术

我今天讲的内容分为以下几个部分：

1、  模组成组方式：这个部分给大家讲一下三种模组的典型成组方式

2、  高效率成组模组特点：这个部分会从几个方面着手，给大家讲讲现有模组的特点

3、  如何高效率成组：这个是讲的我们该如何去做这个模组的设计

4、  未来发展方向：我将简单的讲讲未来模组朝着哪个方向发展，以及模组成组的趋势

5、  成组新技术：这个是我的愚见，目前也是我们在研究的方向，希望给大家带来一点用处

那我们先看第一部分，这两张图向我们展示的目前方形电芯成组的一种用得最多的模式，这种成组的方式最为简单，零部件使用较少，结构也较为简单。固定住电芯的主要部分是端板和侧板，端板和侧板都是铝合金，端板是铝型材，通过热挤压的方式成型，强度高重量轻，侧板是铝板，折弯或者冲压成型。端板和侧板连接的方式有：焊接、粘接、铆接。我们现在最常见的是焊接，最早的时候因为考虑到电芯尺寸不稳定，为了保险起见使用的是CMT焊接，误差2mm以内都可以焊接。随着工艺的提高，电芯间的误差可以做到0.5mm以内，CMT焊接逐渐被激光焊接取代，激光焊接留下的焊缝较小，焊接位置美观。侧板和端板在组装之前考虑到绝缘都贴上了绝缘膜，防止在组装和应用过程中电芯和端板、侧板直接接触而导电。这里我们使用的是线束隔离板，置于电芯极柱上，方便组装焊接和防止短路的可能。模组底板我们可用可不用，分场合来用的。

第二个是软包模组，这个部分个人研究得比较少，软包模组一般由电芯，框架，冷却片，减震泡棉组成，它们分别的作用是：框架是用来定位和固定电芯的，冷却片可将电芯大面的热量带走，这个冷却片有些设计带有毛细管，导热效果会更好，冷却片会外接水管或者外部会安装散热片。软包电芯在入壳之前都会进行极耳裁剪，整形，入壳装上水冷板，整个模组固定之后才可以进行激光焊接。激光焊接可以对焊，也可以搭接焊。固定模组采用较多的还是四个角穿螺杆的方式。软包电芯比较容易漏液，所以在组装过程中压力不宜过大。

第三个是圆柱模组，这个以特斯拉为代表，将18650做到了极致，特斯拉这种结构由透明的上下胶壳，铝排、蛇形散热管，温度和电压采集，采集板等组成，上下胶壳和电芯之间使用的UV胶水，需要UV灯照射固化，铝排表面镀镍，和胶壳之间使用的碳酸脂类胶水，铝排和电芯采用是超声铝丝焊，铝丝直径较小，一般在0.5mm以下，如超过过流范围就会熔断，起到保险丝作用。另外一种是国内用得比较早，工艺比较简单的一种成组方式，18650电芯分别插入到上下胶壳中，上下胶壳卡起来，两端焊上镍片母排，形成一个模块，再将模块按需要串起来，穿入螺杆两端锁紧。这种工艺投入小，但是模组的比能量密度很难做上去。

针对以上模组，我总结了几点成组的特点：

1、高度集成化；我们看图1是将电池的采集集成到模组里，省去了在外面还需要布置采集线的麻烦，重量也减轻了，图2是特斯拉的模组，将采集和散热全部集成了模组中，充分利用了电芯间的空间，不仅比能量密度高，体积能量密度也高。

2、轻量化；我们看图1，在很多地方都使用了轻量化材料，绝缘使用的是薄的PC片，重量轻，端板和侧板使用铝合金，保证了强度。图2将采集线换成了FPC，大大减轻了采集的重量，而且也可以实现自动化工艺。图3使用塑料绷带代替钢带也能使重量有所下降。

3、自动化程度高；我们所知的刚才讲过的方形模组组装过程可以完全自动化，不需要人工操作。

综上一些例子，我们接下来看看如何高效成组，下图是高效成组需要知道的一些需求，大概从下面4个方面来说

一、设计需求方面：

1、    结构设计需求：我们需要多少个电芯？电芯能承受的压力需要多少？模组成组过程中需要给多大的压力？模组与箱体（或叫托盘）如何固定？模组上的支架该如何设计，如何走线？

2、  电气设计需求：模组的电压是多少？采样板如何布置或采样线如何布置，单体均衡怎么做?

3、    热管理：需要哪种散热方式？温度需要测量什么地方，如何测量？2、温度管理2.1、模组内热量怎么导出2.2、模组内单体之间怎么隔热2.3、模组内单体如何加热

4、  安全设计：各类法规，如GB31467.2和GB31467.3，防爆阀设计和绝缘的要求

二、设计细节方面，列举的是我们需要知道的一些关于模组成组的知识，包括电芯、电气和材料的一些内容，这里就不仔细去讲。

三、工艺方面有以下几点：

1、工艺步骤少，减少人员和设备的投入

2、工艺过程可控：无过焊、虚焊

3、工艺实现自动化

4、成本低廉：PACK产线自动化成本低，包括生产设备、生产损耗；

四、对标设计：了解现有模组成组技术进行借鉴：目前市面上有很多电动车，电池包的设计多种多样，尤其是国外电动车发展历程比我们长，他们设计的一些些电池包的设计更是值得我们借鉴。

我们再讨论下未来的发展方向：

未来的模组成组的方向可能朝着这几个方向发展：

1、   无模组化设计：模组和箱体做成一个整体，也可以把箱体看成一个密封的大模组，目前CATL的大巴标准箱，能量密度能做到140wh/kg以上，用的就是这种方式。

2、  电芯模组一体化设计：整个模组相当于一个大电芯，在电芯内部就进行了串并联

3、  轻量化设计：轻量化外壳/使用强度和导电性更好的铝合金代替铜汇流排

发展趋势：我们从下图这里可以看到2016年的出货量基本上被比亚迪和CATL占了近一半，由于比亚迪是自用，因此对外的还是CATL的方形铝壳为主了。

新材料方面：今天我讲的是下面的三种，分别是真空超导热管，相变材料和碳纤维，我们为什么提这几种呢？有人会认为我说的这几种价格都比较高，比较难推广。但是我最近调查了一些公司的产品，发现这个材料的价格已经下降很多，因此未来可能会大量的使用。

先说说真空超导热管：我们看图，有圆的和扁的，其实原理都相同，内部大致分为加热段，冷却段，热量通过加热段传导到冷却段，再通过毛细管结构将冷却段拉回加热段进行连续热传送。

我们看看下面的参数，超导热管的导热系数是水的103倍，热阻接近于0，导热相当快，瞬间可以将热量从一段导到另一端，这种热管用在模组中，可以很快的将模组温度较高部位的热量导出，然后在模组外部进行散热。我们看右图就是将电芯表面的热量导出到液冷装置中进行热传输的。

第二种是相变材料，相变材料是利用材料在相态发生转变过程中，伴随着大量吸收和释放热量的一种材料。

由于在变化过程中吸热或放热但是自身温度保持不变，通过这种方式可以延时温度的上升。

我们看一个实验，图1是无相变材料的电池模组，图2是有相变材料的电池模组，通过在模组上布置温度点，1C放电情况下，温度明显比没有相变材料的上升得慢

碳纤维热塑性复合材料：是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量新型纤维材料。碳纤维是高级复合材料的增强材料，具有轻质、高强、高模、耐化学腐蚀、热膨胀系数小等一系列优点。从表中可以看出，碳纤维的各项性能和钢很接近。右边是一些碳钢的箱体。

我们来做个比较，下图中的模组我们仅将铝合金的端板和侧板换成碳纤维的，我们通过计算发现比能量密度提高了3.5wh/kg，成组效率提高了2%，如果再考虑因材料力学性能提高而作优化结构设计，成组效率将会更高。碳纤维在应用中，既可以粘接，焊接也可以铆接，工艺选择空间大，完全可以替代钢材。