摘要：依据国家新能源战略，新能源乘用车每年增长速度迅猛，为增加电动车竞争力，其续航里程要求越来越长。软包动力电池因能量密度较高，软包电芯体积小，安全性能更好，利于整车更长续航里程需求，逐年受到新能源整车厂青睐，近几年来发展迅猛。目前软包电芯组装为软包动力电池模组时，容易发生的问题在于极耳与金属排的连接关系上。此外，焊接的空间又有一定要求，焊接自动化程度不高，工艺较复杂。本文高性能软包动力电池模组工艺，重点讲述软包模组堆叠挤压和极耳焊接工序，主要内容来源于力神“国家重点研发计划资助/National Key R&D Program of China”项目，项目编号2018YFB0104000。
关键词：软包电芯；电池模组；极耳焊接工艺
引言
电池模组是电芯与Pack的中间结构产品，它是锂离子电芯经各种串并联方式组合，再安装单体电池监控与系统管理装置后形成。电池模组结构必须对电芯起到固定、职称和保护作用，因此对应模组的质量管控主要有：机械强度，电性能，热性能和故障处理能力。是否能够准确固定电芯位置并保护其不发生有损性能的形变，如何满足载流性能要求，如何满足对电芯温度的控制，遇到严重异常时能否断电，能否避免热失控的传播等等，都将是评判电池模组优劣的标准。
但由于软包电芯厚度不大，预留给焊接的面积不大，导致焊接操作尤其是自动化焊接上难度较大，焊接良率低。在软包电芯被广泛需求的情况下，在国家级科研项目支撑下，本文研发设计一种操作方便，可提升焊接良率，高效完成极耳焊接的电池模组成型工艺。
1软包电池模组工艺流程
高性能软包电芯加工制造为电池模组，模具结构设计、电气设计、热设计及安全设计等内容，各厂家设计标准及制造工艺差距比较大，较为典型的模组形式，其基本组成包括：模组控制板(BMS)，电芯单体，导电连接件，塑料框架，散热板(隔热垫)，两端的盖板以及一套将这些构件组合到一起的紧固件。两端的盖板用于聚拢单体电芯，提供一定压力，同时盖板上可以追加结构设计，将模组固定在Pack中。整个模组组装成功后，还需要进行称重、包装、打码等一系列处理，达到可出库状态。整个高性能软包动力电池模组工艺流程如图1。
图1 高性能软包动力电池模组工艺流程图
2高性能软包电池模组工艺详述
2.1电芯单体检测及OCV测试
电芯单体检测，包括无外力(摔落或外力挤压)造成的变形,无凹陷, 无划痕, 无污染(腐蚀,污物,氧化),无短路,无漏液,无极柱不良。测量SP14173244电芯厚度，取±0.2mm公差范围，电芯接受厚度D: 14.3mm≤D≤14.7mm。
然后进行OCV测试，即开路电压下的电压、内阻和容量测试，要求电芯压差@50%SOC@25℃：≤10mV，电芯直流放电阻差@50%SOC@25℃@10s：≤±0.1mΩ，电芯容差：≤1%标称（112Ah@25℃，0.33C/0.33C）。
2.2 2P电芯单元组装
电芯单元组装，即将并联的电芯装配成单元，本项目采用两并电芯单元系统。首先将电芯两侧极耳剪切至16.5±0.3mm的极片长度。将隔热垫、塑料框架及电芯依图顺序装配，然后四角销孔定位。最终该2P1S单元由1个隔热垫、2个电芯框和2个电芯及固定胶构成。如图2电芯单元组装示意图。
图2 电芯单元组装示意图
2.3电池模组集成化工装系统
本项目采用模组结构与模组电气集成化工装系统，其中模组结构工装部分集成了电芯单元定位堆叠，成型尺寸检测，框架激光焊接功能；模具电气工装部分主要完成极耳折弯辊压和电气焊接等工装内容。
集成化工装系统有效减少了软包电池模组工装过程中的人为搬运量，减少因模组工位转运造成的不良，减轻作业者体力劳动量，自动化程度高，项目实用性强。图3是高性能软包动力电池模组集成化工装系统示意图。
图3 电池模组集成化工装系统示意图
2.3.1电池模组结构组装
模组结构组装，包括电芯单元码装、金属框架焊接及安装汇流排支架三部分，即将上面2P1S单元在模组工装上进行堆叠组装和结构焊接，达到模组设计尺寸，并为模组电气组装做好结构准备。
首先，在结构工装位置将14个2P1S电芯单元依图4顺序摆放，同时，在单元间安装隔热垫，两端放置金属结构端板。整体堆叠挤压至设计尺寸，然后将四根金属横梁扣在左右端板之间，销孔定位，横梁两端进行“口”字形激光焊接，共焊接八处实现结构紧固，两侧扣上汇流排支架（用于汇流排等电气部件定位安装），此时模组主要结构尺寸完成定型。
图4 电池模具结构组装示意图
2.3.2电池模组电气组装
模组电气组装，主要包括安装汇流排和FPC、极耳折弯、极耳焊接等部分。如图5所示，首先，在模组两侧，汇流排支架内安装汇流排（汇流排的功能是实现电池单元之间的串联，FPC采集电芯电压和温度给BMS）和FPC，并通过卡扣及热熔柱固定。其次，模组通过工装上的滑轨实现工位转移，将模组整体滑动至极耳焊接工位，通过极耳辊压工位时，工装中间位置的绝缘滚子可以实现极耳折弯和辊压，将极耳与汇流排基本贴合。最后，模组滑动到极耳焊接工位后，通过极耳焊接工装（“日”字形压头阵列）将模组两侧夹紧，每个极耳对齐一个“日”字形压头，实现极耳与汇流排紧密贴合，目的是在极耳与汇流排之间排除空气，以防激光焊接时极耳被激光穿透未融化在汇流排上（虚焊）。激光焊接光束通过“日”字形压块孔，使每个极耳上焊接两条焊线，完成电池模型电气组装。
焊接强度要求：铜极耳≥500N，铝极耳≥200N以满足强度要求；FP镍片同样通过压块实现激光焊接，镍片焊接拉力≥100N；焊接外观检验, 无过焊、漏焊、焊偏、重叠焊、焊爆等现象。
图5 电池模具电气组装示意图
2.4电池模组辅件安装
电池模组辅件安装，主要包括安装绝缘罩(安装塑料端盖、侧盖),粘贴二维码，涂导热胶等。如图6在模组两侧扣上绝缘侧盖（卡扣固定），在模组两端扣上绝缘端盖（卡扣固定），然后在模组上下面涂导热胶，配合Pack系统中，模组上下面的水冷板，实现电池模组的有效散热，最后在模组负极旁边的侧板上贴二维码和条形码，以便模组信息追溯。
图6 电池模组辅件安装
待导热胶固化后，进行模组重量和尺寸测量，本次，测量模组长宽高尺寸和重量结果为：2P14S模组尺寸510.5±1×268±0.5×183.5±0.5mm，重量不超过44.3kg。图7是本项目电池模组结构及尺寸设计图。
图7 电池模组结构设计图
结束语
高性能软包电池模组是整机Pack系统中最为关键的部件，其产品尺寸、电气性能、加工工艺、成本控制等，都直接影响到整机Pack评价KPI，所以电池模组设计及制造显得尤为重要。本项目电池系统包含上面SP14173244-2P14S模组六块，此外还包含2P10模组两块，模组间均电气串联，两种模组的结构形式及工艺通用，只是单元数量不同。上述电池模组集成化工装系统，可以通用于或者细微改动适用于各类高性能软包动力电池模组工装，加工效率高，产品性能一致性好，便于批量生产普及。
参考文献
[1]王迎迎. 软包动力电池组集成技术研究[J]. 科技创新与应用，2015.
[2]张行峰. 一种新能源用软包锂电池基础单元模组及安装组件[P]. 84，CN204614832U，2015.
论文作者:杨汉波
论文发表刊物:《电力设备》2019年第6期
论文发表时间:2019/7/8
标签：模组论文; 电芯论文; 电池论文; 工装论文; 单元论文; 结构论文; 高性能论文; 《电力设备》2019年第6期论文;