动力软包锂电池模组设计要点

锂电池模组可以理解为锂离子电芯经串并联方式组合，加装单体电池监控与管理装置后形成的电芯与pack的中间产品。其结构必须对电芯起到支撑、固定和保护作用，可以概括成3个大项：机械强度，电性能，热性能和故障处理能力。软包电池单体能量密度在常见三种锂电池封装形式中，最容易做高，但到了模组设计这一层，对产品整体安全性的考虑任务却最重，可以说是把一部分电芯的活转移给了模组结构。

​模组的主要组成

软包电池，各家设计选择差距比较大，上图中是一种较为典型的形式，其基本组成包括：模组控制器(常说的BMS从板)，电池单体，导电连接件，塑料框架，冷板，冷却管道，两端的压板以及一套将这些构件组合到一起的紧固件。其中两端的压板除了起到聚拢单体电芯，提供一定压力的作用以外，往往还将模组在pack中的固定结构设计在上面。

​结构设计

结构设计要求。结构可靠：抗震动 抗疲劳;工艺可控：无过焊、虚焊，确保电芯100%无损伤;成本低廉：PACK产线自动化成本低，包括生产设备、生产损耗;易分拆：电池组易于维护、维修，低成本，电芯可梯次利用性好;做到必要的热传递隔离，避免热失控过快蔓延，也可以把这一步放到pack设计再考虑。据了解，目前，行业内圆柱电芯的模组成组效率约为87%，系统成组效率约为65%;软包电芯模组成组效率约为85%，系统成组效率约为60%;方形电芯的模组成组效率约为89%，系统成组效率约为70%。软包电芯的单体能量密度比圆柱和方形有更高的提升空间，但对模组设计要求较高，安全性不易把控，这都是需要结构设计解决的问题。

​一般模组优化途径。提升空间利用率也是优化模组的一个重要途径。动力电池PACK企业可以通过改进模组和热管理系统设计，缩小电芯间距，从而提升电池箱体内空间的利用率。还有一种解决方案，即使用新材料。比如，动力电池系统内的汇流排(并联电路中的总线，一般用铜板做成)由铜替换成铝，模组固定件由钣金材料替换为高强钢和铝，这样也能减轻动力电池重量。

​热设计

软包电芯的物理结构决定了其不易爆炸，一般只有外壳能承受的压力足够高，才有可能炸，而软包电芯内部压力一大，便会从铝塑膜边缘开始泄压、漏液。同时软包电芯也是几种电芯结构中，散热最好的。软包电池的著名代表，日产的Leaf，其模组结构为全密封式的，并未考虑散热，即不散热。而Leaf在市场上频繁反馈的容量衰减过快，与此热管理也不无关系。显然随着人们对于高性能电动车的追求，迫使软包电芯也必须要有主动式的热管理结构。

​当前主流的冷却方式，已经转变为液冷以及相变材料冷却。相变材料冷却可以配合液冷一起使用，或者单独在环境不太恶劣的条件下使用。另外还有一种当前国内仍然较多应用的工艺，灌胶。这里灌的是导热系数远大于空气的导热胶。由导热胶将电池散发的热量传递到模组壳体上，再进一步散发到环境中。这种方式，电芯再次单独替换不太可能但也在一定程度上阻止了热失控的传播。

​液冷，在前面说明模组组成的图片中，冷板与液冷水管正是液冷系统的组成部件。模组由电芯层叠而成，而电芯间有间隔排布的液冷板，其保证每颗电芯都有一个大面接触到液冷板。当然软包电芯要将液冷技术做成熟也并非易事，其必须考虑液冷板的固定，密封性，绝缘性等等。

​电气设计

电气设计，包含低压和高压两个部分。

​低压设计，一般需要考虑几个方面的功能。通过信号采集线束，将电池电压、温度信息采集到模组从控板或者安装在模组上的所谓模组控制器上;模组控制器上一般设计均衡功能(主动均衡或者被动均衡或者二者并存);少量的继电器通断控制功能可以设计在从控板上，也可以在模组控制器上;通过CAN通讯连接模组控制器和主控板，将模组信息传递出去。

​高压设计，主要是电芯与电芯之间的串并联，以及模组外部，设计模组与模组之间的连接导电方式，一般模组之间只是考虑串联方式。这些高压连接需要达到两个方面的要求：一是电芯之间的导电件和接触电阻分布要均匀，否则单体电压检测将受到干扰;其次，电阻要足够小，避免电能在传递路径上的浪费。

​安全设计

安全设计，可以分为3个倒退的要求：良好的设计，确保不要发生事故;如果不行，发生事故了，最好能提前预警，给人以反映时间;故障已经发生，则设计的目标就变成阻止事故过快蔓延。

实现第一个目的的，是合理布局，良好的冷却系统，可靠的结构设计;次级目标，则需要传感器更加广泛的分布到每一个可能的故障点，全面检测电压和温度，最好监测每一颗电芯的内阻;最低目标，则可以通过电芯和模组设置保险丝，模组和模组之间设置防火墙，设计强度冗余应对灾害发生后可能的结构坍塌。这都是高性能软包模组的方向。

​轻量化设计

轻量化设计，最主要目的是追求续航里程，消灭所有多余负担，轻装上阵。而如果轻量化再能跟降成本结合，则更是皆大欢喜。轻量化的道路很多，比如提高电芯能量密度;在细节设计中，确保强度的情况下追求结构件的轻薄(比如选更薄的材质，在板材上挖更大的孔);用铝材替换钣金件;使用密度更低的新材料打造壳体等。

​标准化设计

标准化是大工业以来的长期追求，标准化是降低成本提高互换性的基石所在。具体到动力电池模组，还多了一个梯次利用的伟大目的。话虽如此，但现实是单体还没有标准化，那么模组标准化距离就更远了。

锂电池模块由钛酸锂电池、模块安装板、绝缘隔离块、罩壳、长连接排、短连接排、极柱组成，锂电池模块结构如下图所示。每两个模块安装板中间放置一个电池，形成5 并3 串的结构形式，串并联连接使用长连接排和短连接排将电池连接在一起，电池与长/ 短连接排之间以螺丝螺母的连接方式紧固。极柱作为锂电池模块对外输出的接口，与短连接排相连，连接方式也为螺丝连接。长连接排与短连接排之间以绝缘隔离块进行电气隔离。

​连接方式一：全螺丝连接的锂电池模块，即锂电池与长/短连接排、短连接排与极柱之间的连接全部采用螺丝连接的方式。

​连接方式二：半激光焊接半螺丝连接的锂电池模块，即锂电池与长/短连接排之间的连接采用激光焊接，而短连接排与极柱之间的连接采用螺丝连接的方式。

​连接方式三：激光焊接与一体式极柱的锂电池模块，即锂电池与长/短连接排之间的连接采用激光焊接，而短连接排与极柱做成一个整体的零件。

​测试方法，单独测试螺丝连接和激光焊接的连接阻抗，各取一块短连接排与一节锂电池分别做螺丝连接和激光焊接实验，测量记录下各自的连接阻抗。同时通过测量锂电池模块正负极两端来得到整个模块的内阻值，从而比较不同连接方式下锂电池模块的内阻差异。连接阻抗和内阻均采用HIOKI 电池测试仪测量获得。

在锂电池模块内布置若干热电阻或热电偶作为温度测量点，通过充放电实验测试锂电池模块不同温度点的温度情况。锂电池模块额定电流为100A，考虑到超负荷运行的极限电流大约为120A，故在实验测试中以电流120A 的极限情况进行充放电。记录充放电过程中各温度测量点的最高温度、温升和温差。连接方式一的锂电池模块温度测量点为4 个(受当时条件限制，只测了4个关键点)，采用的是热电阻测温。连接方式二和三的锂电池模块温度测量点为12个，采用的是热电偶测温。

​经过实验测试，连接阻抗和锂电池模块内阻如表2 所示。不同连接方式的锂电池模块经过120 A 充放电(一个充放电循环)实验，其测量点的温度测试结果如下表所示。

​实验结果分析，从数据可以看出，螺丝连接的连接阻抗要远远大于激光焊接的连接阻抗。形成螺丝连接的连接阻抗大的主要影响因素有：连接面表面不平整(表面粗糙度较大);受到环境因素影响，长/短连接和电池接触面产生氧化或腐蚀;螺丝拧紧力不够，每个螺丝的拧紧力矩不一致;外界因素干扰引起螺丝松动，包括在运输、搬运过程中振动引起的螺丝松动。

​由于激光焊接是将光能转化为热能，使材料熔化，从而达到焊接的目的，相当于将两者熔为一体，因此这种连接方式的阻抗必定会比较小。从锂电池模块内阻上看，连接方式三的锂电池模块内阻优于连接方式一和连接方式二。