鉅大LARGE | 點擊量：1310次 | 2018年07月18日
新能源汽車的發(fā)展階段和圓柱電芯模組結(jié)構(gòu)及工藝流程
電動汽車產(chǎn)品要走入千家萬戶，在運營市場和個人市場占據(jù)非常重要的地位，必然要在續(xù)航里程、環(huán)境適應(yīng)性、使用壽命、購置成本等方面能夠追趕甚至超越傳統(tǒng)的燃油車，這也給電池包的技術(shù)發(fā)展帶來了更高的挑戰(zhàn)。
1.我國新能源汽車的發(fā)展階段
我國新能源汽車的發(fā)展階段，從2009年開始算起，到2020年，可以大致劃分為4個階段：
第一個階段：2009年~2013年。這個階段，是技術(shù)、產(chǎn)品、用戶、市場的積累期，這個階段的特點是核心技術(shù)、產(chǎn)品形態(tài)、用戶使用習慣等基本上都是空白，到底該怎么搞，大家都不知道。但是有一點是毋庸置疑的，就是一定要發(fā)展節(jié)能與新能源汽車這個產(chǎn)業(yè)，這涉及我國能源安全，事關(guān)我國汽車產(chǎn)業(yè)能否做強，也是我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的必由之路。
第二個階段：2014年~2015年。經(jīng)過第一個階段的探索，核心技術(shù)有了一定的突破，產(chǎn)品形態(tài)呈現(xiàn)多種多樣的局面，用戶也慢慢的接受了新能源汽車這個新鮮事物，最重要的是，由于中央財政補貼和地方財政補貼的雙重刺激，吸引了眾多的企業(yè)和資本進入了這個產(chǎn)業(yè)，從而造成了2014年和2015年的井噴式發(fā)展。
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%
第三個階段：2016年~2017年（進行中）。我們把這個階段叫做窗口期，或者搖擺期，是因為這個階段是政策逐步讓位于市場的階段，但是由于政府對于監(jiān)管的加強，以及消化前期政策所遺留的額問題需要一定的時間，客觀上加劇了產(chǎn)業(yè)發(fā)展的波動，使得行業(yè)的發(fā)展在一年當中會出現(xiàn)大起大落的情況。
第四個階段：2018年~2020年（預測）。我們把這個階段稱作突破期，政府建立新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的長效機制，補貼政策逐步退出，技術(shù)和產(chǎn)品取得重大突破，新能源汽車的市場化運作機制初步建立，從而一舉奠定我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)在全球的領(lǐng)先地位。
2.2020年的關(guān)鍵技術(shù)目標
不同的國家，對于新能源汽車的發(fā)展有各自的考慮，選擇了適合自己的技術(shù)路線。我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在產(chǎn)業(yè)目標、市場目標、技術(shù)路線等方面都有非常明確的規(guī)劃，對整個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到了非常好的促進作用。這其中有三份比較重要的文件，對動力電池及Pack的技術(shù)路線會有很大影響，值得我們關(guān)注。
2012年6月28日，國務(wù)院下達關(guān)于印發(fā)《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012—2020年）》的通知。這是我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中最重要的一份綱領(lǐng)性文件，將節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)提高了國家戰(zhàn)略的高度，對市場、產(chǎn)品、技術(shù)都做出了明確的規(guī)劃。
2016年10月26日，受國家制造強國建設(shè)戰(zhàn)略咨詢委員會、工業(yè)和信息化部委托，中國汽車工程學會組織逾500位行業(yè)專家歷時一年研究編制的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》正式發(fā)布，本項技術(shù)路線圖描繪了我國汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)未來15年發(fā)展藍圖，對新能源汽車產(chǎn)業(yè)的技術(shù)路線做出了更加詳細的規(guī)劃。
2017年3月1日，工業(yè)和信息化部、發(fā)展改革委、科技部以及財政部四部委公布了《促進汽車動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動方案》，以加快提升我國汽車動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展能力和水平，推動新能源汽車產(chǎn)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展。
這三份文件中，與動力電池及Pack相關(guān)的2020年技術(shù)指標，如上圖所示。要達到上述要求，未來幾年在工程技術(shù)方面需要有比較大的創(chuàng)新。
3.技術(shù)挑戰(zhàn)及發(fā)展趨勢
以純電動乘用車為例，2020年的典型技術(shù)參數(shù)如下：
450km的綜合工況續(xù)航里程，已經(jīng)完全可以滿足運營市場的需求，達到每天只充一次電的目標，也可以滿足個人用戶長途駕駛的需要，接近傳統(tǒng)燃油車的滿油續(xù)航里程。車輛使用溫度范圍廣泛，可以適應(yīng)我國90%以上的國土區(qū)域。在快充狀態(tài)下，可以做到15分鐘充滿80%的電量，大大縮短充電時間。整車的整備質(zhì)量小于1.5噸，百公里能耗在15度電以下，進一步提升電動汽車的能量轉(zhuǎn)換效率。
為了達到上述技術(shù)指標，充分滿足市場對于插電式混動汽車和純電動汽車的需求，Pack技術(shù)必須在以下幾個方面取得明顯的進步。
（一）系統(tǒng)集成效率的大幅度提升
按照電芯能量密度300Wh/kg和Pack能量密度260Wh/kg的目標來計算，Pack系統(tǒng)的集成效率要做到85%，而當前乘用車Pack的集成效率普遍在65%左右，這意味著集成效率需要大幅度提升，才能達成目標。
要提高Pack的集成效率，有兩個可行的途徑，一是優(yōu)化Pack內(nèi)部的結(jié)構(gòu)設(shè)計，大幅度減少Pack內(nèi)部的組件數(shù)量，將更多的組件和功能集成在模組和箱體上，從而減輕重量；另一個是采用輕量化的材料，如采用鋁型材或復合材料代替高強度鋼，采用塑膠件代替金屬件等，也可以減輕重量。
（二）廣泛的溫度適應(yīng)性
冬天可以在零下20℃，甚至零下30℃的低溫下工作，夏天可以經(jīng)受50℃的地面高溫而不趴窩，同時還要承受3~4C的快充，這是電動汽車大范圍推廣的必要條件。要滿足這一要求，高換熱系數(shù)和快速熱交換的液冷/液熱系統(tǒng)將成為Pack的標配。
液冷/液熱系統(tǒng)的設(shè)計目標是在-30~50℃環(huán)境溫度和4C快充工況下，將電池單體的工作溫度控制在15~45℃、電池單體間的溫差控制在5℃以內(nèi)。
綜合運用仿真分析和測試驗證等手段，達到液冷/液熱系統(tǒng)的最優(yōu)化設(shè)計，才能做到-30~50℃的使用溫度范圍，以及大倍率和長壽命使用。
液冷/液熱系統(tǒng)的設(shè)計，必須與整車的冷卻循環(huán)系統(tǒng)相互匹配，必須與Pack的結(jié)構(gòu)設(shè)計高度集成，必須達到極高的熱交換效率。
（三）3~4C的快充將成為標配
想象一下，我們開著電動汽車出門，在充電站需要花費1個小時的時間進行充電，如果碰上充電排隊，可能需要花費2個小時，甚至更長的時間，沒有比這更糟糕的體驗了。家用慢充和充電站快充相結(jié)合，是電動汽車普及的關(guān)鍵因素之一，對于出租、公交、物流等領(lǐng)域的營運車輛來說，快充的重要性甚至要大于續(xù)航里程，因為充電的時間是無法載客或載貨的，充電時間越長，意味著運營效率越低，損失越大。
比較合理的快充要求，是在15分鐘內(nèi)，充滿80%左右的電量，這要求Pack達到3C以上的充電能力，在電芯的設(shè)計、電連接設(shè)計、熱設(shè)計、安全設(shè)計、以及BMS的能量管理方面，都要做出非常大的技術(shù)突破。
（四）與車同壽命的Pack產(chǎn)品
因為電池包的成本很高，如果做不到與車同壽命，車輛的維護成本將非常高昂，用戶顯然不會愿意為這額外的成本買單。
以乘用車為例，如果是個人用戶購買，通常需要達到8年/12萬公里的壽命要求，如果用于營運，壽命可能要達到5年/40萬公里。
要達到如此嚴格的壽命要求，除了需要電子、電氣、機械組件也達到8年以上的使用壽命，電芯的成組技術(shù)、系統(tǒng)的熱管理和能量管理、以及Pack的售后維護等方面，也都有非常高的要求。
圓柱電芯模組結(jié)構(gòu)和工藝介紹
1.圓柱電芯模組結(jié)構(gòu)簡介
在圓柱電芯模組設(shè)計中，模組結(jié)構(gòu)是多種多樣的，主要根據(jù)客戶和車型的需求來確定，最終導致模組的制造工藝也不一樣。模組一般由電芯、上下支架、匯流排（有的也稱連接片）、采樣線束、絕緣板等主要部件組成，圖2-2是較為典型的一種圓柱電芯模組結(jié)構(gòu)，下面以圖2-3所示的模組常用工藝流程來進行介紹。
圖2-2圓柱電芯模組結(jié)構(gòu)示意圖
2.圓柱電芯模組裝配工藝流程介紹
（1）電芯分選
模組工藝設(shè)計時，需要考慮模組電性能的一致性，確保Pack整體性能達到或滿足整車的要求。為了保證模組電性能的一致性，需要對電芯來料進行嚴格的要求。電芯廠家一般在電芯出貨前，也會按電芯的電壓、內(nèi)阻和容量規(guī)格進行分組，但是電芯廠家與Pack廠家的最終需求是不同的，考慮到制造工藝、成本、電芯性能等因素，Pack廠家一般會按自己的標準重新對電芯進行分選。電芯分選需要考慮分選標準的問題，標準制定得合理，會減少剩余閑置的電芯，提升生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。在實際生產(chǎn)過程中，還需要對電芯的外觀進行檢查，比如檢查電芯有無絕緣膜破損、絕緣膜起翹、電芯漏液、正負極端面污漬等不良品。
圖2-3典型圓柱電芯模組工藝流程圖
（2）電芯入下支架
電芯入下支架是指把電芯插入下支架的電芯定位孔中。難點在于電芯與下支架孔之間的配合公差，假如孔太大，方便電芯插入，但是電芯固定不好，影響焊接效果；假如孔太小，電芯插入下支架定位孔比較困難，嚴重的可能導致電芯插不進去，影響生產(chǎn)效率。為了便于電芯插入，又能固定好電芯，可以把下支架孔前端開成喇叭口（圖2-4）。裝配時需要防止電芯極性裝反，若是手動裝配，需要對電芯極性進行快速檢查，以免不良品流入后工序。
圖2-4下支架開喇叭口示意圖
（3）電芯極性判斷
電芯極性判斷是指檢查電芯的極性是否符合文件要求，屬于安全檢查。假如沒有極性檢查，而電芯極性又裝反了，在裝入第二面的匯流排時模組就會產(chǎn)生短路，導致產(chǎn)品毀壞，嚴重的可能導致人員受傷。注意，在每班開班前，都需要檢測設(shè)備處于良好的工作狀態(tài)，否則需要停機維修。
（4）蓋上支架
蓋上支架是指把上支架蓋到電芯上，并把電芯固定在支架內(nèi)。一般情況下，蓋上支架比電芯入下支架困難，一是與圓柱電芯的生產(chǎn)工藝有關(guān)，工藝里面有個滾槽的工序，假如控制不好，會導致電芯尺寸的一致性差，影響蓋上支架，嚴重的會蓋不上去；二是電芯與下支架固定不好，導致電芯有一定的歪斜，導致上支架不好蓋或者蓋不上。
（5）模組間距檢測
模組間距檢測是指檢測電芯極柱端面與支架表面的間距檢測，目的是檢查電芯極柱端面與支架的配合程度，用于判斷電芯是否固定到位，為是否滿足焊接條件進行提前預判。
（6）清洗
等離子清洗是一種干法清洗，主要是依靠等離子中活性離子的“活化作用”達到去除物體表面污漬的目的。這種方式可以有效地去除電芯極柱端面的污物、粉塵等，為電阻焊接提前做準備，以減少焊接的不良品。
（7）匯流排安裝
匯流排安裝是指把匯流排安裝固定到模組上，以便電阻點焊。設(shè)計時需要考慮匯流排與電芯的位置精度，特別是定位基準的問題，目的是使匯流排位置處于電芯極柱面的中心，便于焊接。在進行上下支架設(shè)計時，要考慮對匯流排的隔離；假如不好做隔離設(shè)計，在工序設(shè)計時需要考慮增加防短路工裝的使用，可以避免在異常情況下發(fā)生短路。
（8）電阻焊接
電阻焊接是指通過電阻焊的方式把匯流排與電芯極柱面熔接在一起。目前國內(nèi)一般采用電阻點焊，在進行電阻點焊工藝設(shè)計時，需要考慮以下4點：
1）匯流排的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)和厚度；
2）電極（也稱焊針）的材質(zhì)、形狀、前端直徑和修磨頻次；
3）工藝參數(shù)優(yōu)化，如焊接電流、焊接電壓、焊接時間、加壓力等；
4）焊接面的清潔度和平整度。
在實際生產(chǎn)中，失效因素非常多，需要技術(shù)人員根據(jù)實際情況來分析處理。
（9）焊接檢查
在電阻焊接過程中，設(shè)備一般對焊接的參數(shù)都有監(jiān)控，假如監(jiān)測到參數(shù)異常，設(shè)備都會自動報警。由于影響焊接質(zhì)量的因素很多，只通過參數(shù)監(jiān)測來判斷焊接失效，目前結(jié)果還不是特別理想。在實際的生產(chǎn)控制中，一般還會通過人工檢查外觀和人工挑撥匯流排的方式，再次檢查和確認焊接效果。
（10）打膠
膠水在模組應(yīng)用上，一般有兩種用途：一種用途是固定電芯，主要強調(diào)膠水的黏接力、抗剪強度、耐老化、壽命等性能指標；另一種用途是把電芯和模組的熱量通過導熱膠傳遞出去，主要強調(diào)膠水的導熱系數(shù)、耐老化、電氣絕緣性、阻燃性等性能指標。由于膠水的用途不同，膠水的性能和配方也不同，實現(xiàn)打膠工藝的方法和設(shè)備就不同。在膠水選擇和打膠工藝方面，需要考慮以下3點：
1）膠水的安全環(huán)保性能：盡量選擇無毒無異味的膠水，不但可以保護操作者，也可以保護使用者，還能更好地保護環(huán)境，也是新能源發(fā)展的目標。
2）膠水的表干時間：為了提高生產(chǎn)效率，一般希望膠水的表干時間越短越好。在實際生產(chǎn)過程中，假如膠水表干時間過短，由于待料、設(shè)備異常等因素，會導致膠水的大量浪費；也可能由于操作員處理不及時，因膠水固化時間短而導致設(shè)備堵塞，嚴重時導致停拉線。按經(jīng)驗，盡量把表干時間控制到15～30min比較合理。
3）膠水的用量：膠水用量主要由產(chǎn)品和工藝來確定，目的是滿足產(chǎn)品的要求。目前常用打膠工藝有點膠、涂膠、噴膠和灌膠，每種工藝所需要的設(shè)備也是不同的。在打膠時需要注意膠量的控制，避免產(chǎn)生溢膠而影響其他工序。
（11）蓋絕緣板
蓋絕緣板是指把模組的匯流排進行絕緣保護起來。在工藝設(shè)計時，需要注意絕緣板不能高出支架的上邊緣，同時絕緣板與支架邊框之間的間隙最好小于1mm。
（12）模組EOL測試
EOL測試（endofline）（一般也稱下線測試）是生產(chǎn)過程中質(zhì)量控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要針對模組的特殊特性進行測試，主要測試項目有：
1）絕緣耐壓測試；
2）內(nèi)阻測試；
3）電壓采樣測試；
4）尺寸檢測；
5）外觀檢查。
測試項目一般根據(jù)客戶和產(chǎn)品的要求來增減，其中安全檢測項目是必不可少的。
（13）轉(zhuǎn)入Pack組裝或入庫
經(jīng)EOL測試合格的模組按規(guī)定轉(zhuǎn)入Pack組裝工序或入庫，轉(zhuǎn)運過程中需要對模組進行絕緣保護和防止模組跌落。
通過圓柱電芯模組生產(chǎn)工藝流程的介紹，針對不同的客戶和產(chǎn)品，工藝流程的設(shè)計是不同的，目的都是為了快速地響應(yīng)客戶和市場的需求。
在進行模組工藝流程設(shè)計時，一般需要考慮以下幾點：
1）安全性：產(chǎn)品安全和安全生產(chǎn)；
2）電性能：容量、電壓、內(nèi)阻、性能的一致性；
3）生產(chǎn)節(jié)拍：節(jié)拍越高，表示產(chǎn)能越大；
4）尺寸：外形尺寸和固定尺寸；
5）工藝路線：指關(guān)鍵工藝的選擇和確定；
6）成本：產(chǎn)品設(shè)計和工藝設(shè)計時都需要考慮的要素。
通過上面的分析，僅僅把模組工藝流程設(shè)計好是不夠的，還需要有完善的生產(chǎn)體系來支撐，才能制造出讓客戶滿意的產(chǎn)品。
