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观点| 朱玉龙:车用动力电池成组技术研究

车用动力电池成组技术研究,主要阐述从两部分,一个是务虚,从整个全球电动汽车的发展,讲一下动力电池的发展趋势。另外一部分是务实,主要是就我们从现在电动汽车快速的迭代,还有单体的迭代,对于整个模组设计的目标,还有整个设计技术做一些细节的阐述。

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第一部分内容,主要是介绍一下当前电动汽车的一个实际的情况,还有对应的电池发展。

我们回顾一下从2011年—2017年主流的电动汽车对于电池的选择跟能量密度的发展、跟特性的演变。也是整理一下电动汽车平台的发展需求,重点阐述一下未来电池系统企业的生存资本,在模组通用化跟标准化设计里可以做哪些工作。

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我们可以看到,从2017年1月—7月整个全球的销售情况,我这里把三个主要市场的销售数字、每台车的销售情况做一个系统的罗列,可以看到中国占比42%,欧洲28%,美国19%。从绝对数字来讲,中国达到了22万、美国10万、欧洲15万,这里头每个市场又有一些细致的区别。

我们可以看到,由于整个电动汽车还是处在一个有补贴、有鼓励,在三个市场里头,不管是欧洲市场、还是美国市场、还是中国市场,本土的OEM都是占有一定的优势的。

我们可以再看到,随着未来PHEV退坡的模式,我这个图里头蓝色的是代表纯电动汽车,绿色代表插电式混合动力。在整个不同市场的表现力,PHEV都面临了很大的挑战,在补贴退坡要求越来越高的情况下,他面临着与HEV区分度不高,整个销售数字没有形成一个爆款的情况。在纯电动汽车里头,相对来讲不同的车里头我们可以发现,这里里是一个长尾效应。纯电动汽车里,车要么卖的很好,要么卖的不好,我们如果用一根标杆的线,用半年1万台的规模来衡量的话,我们可以发现其实全球几个市场来讲,整个车的销售数字,特别是对我们来讲主要的供应商,如果我们去供PACK企业,靠一两台单品达到某个数字还是困难的。意味着不管是电动汽车的企业还是PEAC企业都意味着这个量还没有达到一定的数量级,还需要我们在产品机制和整个特性上面做改良,对整个产品定义跟电池包的定义做出改进,才能够达到更好的规模效应。

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这张图主要是我把全球从2011年—2017年不同的主流的电动汽车,纯电跟插电对于软包、方壳、圆柱的东西罗列出来。其实我们也可以看到,PHEV已经成系列化了,基本上是一个系列,电动汽车还是一个单品战略,从专项的电动汽车开始慢慢往不同的系列走,我们对这个数据进行分类。我们就可以发现一个核心的比较有趣的现在,2011年开始国外电动汽车选择的时候是以软包为主的,这个时候软包的情况是能量密度比较高一些,这个时候做封装的企业,包括A123、日产、GM,不同企业都作出了不同的解决方案。国内的情况也是一样,第一轮造车除了比亚迪有限的以外,基本上尝试用软包,随着德系的厂家强势推动标准尺寸方壳电池的发展,特别是在PHEV整个形成一个系列化、模块化以后,德系的厂家开始把PHEV2规格的EV做成能量性的电芯,这个时候大量开始使用了方壳的电芯。国内的情况也是一样,2017年开始,因为中国的龙头企业,他的能量密度突破是在方壳电芯上面,原来第一波做纯电动汽车从软包开始尝试的,也开始用方壳电芯来走,惟一不变的是特斯拉,基本在圆柱的上面不停的走。

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接下来看一下三条路线的对比,可以看到整个从2011年—2017年电芯的发展,拖着整个电动汽车系统的能量密度发展,其实每年都很快,一开始圆柱,可以拓展的安时数,随着软包跟方壳的发展,到2017年随着几台标杆的车型,雷诺跟雪佛兰换代能量密度已经接近了特斯拉的车型,三条路线都是趋近的。方壳来讲我这里只统计了当前国外的电动汽车,国内的几个,像广汽、奇瑞、上汽他们做的最新一代电动汽车已经突破了120—130左右。软报动力电芯其实一开始是电动汽车最主要的选择,从2010年的LEAF开始,做不停的演化,这里头是最星系的,可以看到第一代车型、第二代车型,以LEAF特性最新的2018款演化成40度,它的核心价值是可拓展的,就是这块的承租技术因为在整个电芯能量密度上去做各家的系统方案,这里头有电池厂家做的,将来说整车企业自己做的,这里头相当于大家考核点不一样,有做空冷的,有做液冷的。可以看到一个最新的数字,两款的车型,其中雷诺ZOE做到整包151,雪佛兰Bolt做到整包140左右,这两个数字软包其实是很夸张的数字,国内来看现在也有厂家推出高能量密度可能2018年到240,这个数字也是比较接近的。

接下来讲一下软的PHEV的电芯,软包PHEV电芯是跟着车型发展的,第一代PHEV车型是模仿普锐斯的专有车型,打造跟原有内燃机车不一样的情况,基本上整个尺寸是比较高的,像上面的一个双极耳的情况。随着插电式的车辆开始往多平台、多方向扩展,我们前面也可以看到,PHEV卖的特点就是,单款车型,就是整个销量来讲是相当于不是特别高,多个平台累计起来就会特别高,这个时候对整个汽车的需求企业,我可能需要在不同的平台上面、不同的车型上面铺这个,这个时候的布置空间也好,跟整个电驱动系统进行整合也好,就需要有弹性。所以未来一代的软包电芯也开始往矮了方向发展,不管竖着布还是叠着布,高度是可控的,弹性也比较高。值得谈的一点,这里头分两种路线,一种是平民化PHEV的路线,就是说整个功率系统是辅助性为主,还有一种是高功率型的,其实相对来讲把电驱动的特性发挥的高一点,这里头基本上造成了整个电池包的液冷跟空冷的区别,这里面也会讲,对整个模组的散热性要求是不一样的。

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我重点讲一下方壳动力电池,其实一开始是用在PHEV比较多,像这个表上面一样,它是最早的一个推广的,可以在不同的平台上面实现模块化,电池复用、模块复用,这块BMW尝试的最早,其实给不同的德系厂家做相当于推广使用。在EV领域,一开始你也看到能量密度是比较低的,用方壳电芯,因为比较规整,在高度上面、空间上面利用率可能都有些问题,使得一开始的能量密度是比较低的。但是他的一个核心趋势就是说,由于整个电芯的内部空间比较多,使得下面他整个内部的构造里头可以构建包括保险丝、构成装置,使得他电芯的安全等级会相对比较高。使得在模组层面,你把电芯压起来,通过隔热隔离,通过整个金属框架,整个成组功率比软报高一些。实际上是从另外一个层,最小单元它的着力点最主要还是电芯层面。我们国家现在其实分两步,最主要从电芯层次保证安全,软报角度来讲,就对模块的要求比较高,因为在软包电芯里头做文章的可能性要少一些。

以上内容主要是做一个回顾,从2018年—2020年,各个车企都开始,一个是高端化,这个其实也比较有趣,我们国家2017年因为有双积分的推动,整个A00级车紧凑型的比较多,这里头形成了一个全球趋势的差异化,因为整个车企都在往电气化方向上转,大家都希望从原来的合规车转向一个新的专有的电动汽车平台,所以说大家都开始尝试往高了做,就是大于50,可能将来我们未来的切割可能40—60是一个段,是一个城市化的电动汽车。60朝上到100,就是说可以兼容不同的旗舰型的车,主要的国外企业,从原来的把车辆改成纯电动车,到现在打造一个纯电动车的平台,把它形成一个可伸缩化,这种趋势其实还是挺明显的,因为这里头可以看到,他使得整个电动汽车的续航里程跟动力性,还有怠速上面,最主要就是消费者对电动汽车的使用产生了很大的变化。

原来比如说你里程比较少的时候,你基本上用户只会把电动车作为一个通勤车,不管是去旅游还是远足,他都不会选择。里程到一定的层级,特别是高速,还有相关的道路充电设施辅助做的比较好的时候,用户就开始往外围走。这个时候对于整个电池包来讲,有利的地方,我要实现里程质保相对来讲压力就会小一些,就是说单次300—400的时候,要到10万公里的时候循环次数是比较少的。带来另外一个问题就是说,因为你的设计要求循环次数从原来的3000次降到1500到2000的时候,未来因为他整个使用有个波动性,保证整个电池的寿命,这个问题出保以后怎么办,就变成了另外一个比较大的事。

前两天工信部的辛部长咬定2020年的350这个目标,我们国家现在有两条,一条是成本,一条是能量密度。从某种程度上面讲,追求整个高能量密度的核心就是让电动汽车的电池布置上更便利,整个压缩空间变得更小,还有占整个车中的占比更小,这也使得整个单体的开发技术变得激进化。从另外一种角度讲,原来电芯的开发时间,从A样、B样到C样,到SOP的时间,假定为3年的话,现在按照这个技术要求,可能从每代往前走时间都会比较短。整个车辆在使用一款电芯的时候,也会出现原来我可能用到3—5年,现在可能进一步压缩,有可能出现原来的电芯还在用,但是可以出现升级版。这就带来说,这些电芯的发展时间从原来的,相当于说比较长的3—5年,压缩成2—3年,还在进一步激进化,从成本跟能量密度上面,软报跟方壳上面都有很大的变化。对于PACK企业来讲,整个电芯能量密度的提升其实不是没有代价的,我们来讲,整个三角形,从成本、能量密度、快充特性、功率特性其实都是平衡的。

对于我们来讲面临一个重大的问题,原来开发是基于一个确定的产品,然后确定的需求,你在里头相当于说把电芯的参数输入,把它的一些特性输入,输入到你这边去,你这边构成模组,把它整合成系统,通过验证的方法给电动汽车厂家。由于两头都在变,整个电动汽车的需求,要你在两三年之后,包括成本上要下降到一个程度,续航里程要提高到一定程度,电芯也在变,对于PACK企业来讲这个事情就很困难。核心问题就是说,我这边把握的层级在哪里,相当于底下这部分,特别是单体这部分,每1—2年提供的样品和产品特性上都有很大的变化,我要留给他足够的测试时间。在整个电池系统的要求,包括散热策略、续航里程,还有一些标定的要求他也在变。这个时候对于PAEC企业来讲,既要快速的进行,把单体的特性输入,又要符合整车企业的需求,解决的办法其实就是定一个框架,把模组作为一个核心的设计产品,我在设计模组的时候就在考虑不同厂家的需求,跟整个车辆生命周期第一代、第二代的需求,这里头有一个案例,雷诺做的。第一代车型跟第二代车型,能量几乎是翻倍的,接近了百分之六七十,重量基本上增加了21公斤。相当于说第一代跟第二代,电芯进行切换,在模组层级上根据电芯的特性做升级,在PACK层面,整个托盘、上盖、上到策略基本是不大变,变的东西就是模组上进行优化,然后BMS进行软件升级。这样一个好处就是说,如果电芯再往前走,我那边能够把握的东西就是这个模组。

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相对来讲,对于一个企业层面它为了满足不同企业的要求,满足不同车型的要求,这里头我们需要把不同系统的参数转化成模组的参数跟整个电池容量特性参数跟电池安全性做匹配,其实我后面要展开一下讨论整个电池模组的设计。因为这个里头要容纳这个差异性,其实作为一个广义的PACK企业来讲,他要选择不同的电芯,既包括一家厂家里头的不同新型的电芯,也包括不同电芯厂家的电芯,这里头的特性,包括它的膨胀、寿命、电池安全都是有差异的。所有的这些差异其实都到模组层面进行吸收,因为我整个包里需要进行切换,把这个参数做出来。所以模组层面就变成了PACK企业的生命线。

在更广义的层面,我们讲到后期如果你需要做回收,或者大量的电池包回去以后,必定会出现一个历次利用的企业,会形成一个相对标准化的历次利用的机会,还有解决方案,不同模组在里头的兼容性就变得非常重要,你兼容这个要求你的利用率就很高,你的模组最终后车载寿命的残值,因为你的兼容性会打一个分。还有一部分因为不同的车型整车企业需要去尝试,需要在轿车跟SUV层面去兼容,这里头就需要进行压缩,在板型布置的时候,对整个电池系统的高度提高了更高的要求,进一步对于模组的高度,就是Y向方向进一步压缩,其实整个PACK的规格,可能就会从原来的规格演化成PACK—X的情况。对一个PACK企业或者对于大型的车企来讲,构建他的核心竞争力,他的主要的落脚点其实都是,一方面是在做技术规划,在做产品规划的时候把模组作为一个核心的最小单元,然后相当于兼容不同的供应商、不同的化学体系带来的差异。

我重点后面要讲一下的就是模组设计详细的内容。整个模组设计的过程其实是包含了你要定义整个模组设计的目标,整合模组设计的细节,有一套完整的模组设计的验证流程,包括结构、电气、冷却安全几个部分,都要落实在里面。

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我大概对整个模组设计的需求进行了切分:

第一部分,分成几个设计层面,满足车载相当于产品的需求特性,主要分成结构、电气设计、热设计、安全,根据电芯的要求给予足够的压缩力,这个压缩后面也会讲,整个电芯,不管是软包还是硬壳,通过一定的加以可以有效的防止电芯的膨胀,在寿命上予以一定支持。在整个模组里头还有一个模组与托盘的固定,通过压条让模组跟托盘进行有效的固定。上面主要是里头的采样线,还有防止电芯在里头做窜动。电气设计需求,最主要就是根据不同的转数需要不同的采集、不同的电压,现在模组有基本两种不同的形式,带CMU和不带CMU,这里头需要考虑整个CMU固定的位置跟它的走向连线,还有模组的均衡能力。热设计,主要是根据电池包不同的构型,还有对于整个功率来确认电池包的发热。从电动车的角度来讲,由于容量和功率的比较,整个电芯在正常的NETT工况来讲发热是不严重的,我们也要考虑可能会有一些极端的情况,就是用户可能在高速上面,相当于说长途行驶进入快充状态,连续的极限符合,可能对这里头有一个很强的传热性要求。安全性,跟模组设计中间的电芯隔热要求,这里头有一个很强的联系。

第二部分,制造工艺。最主要是把电芯从单体到堆叠到焊接、采样线布置、CMU布置,整个工艺、设备,对于距离、工艺装配都是有要求的,这部分需要跟设备,特别是走量的时候,特别是上自动化产线的时候,这里头有挺强的需求联系。

第三部分,维修考虑。因为我们现在在做的时候,一开始第一步是把产品做出来,后期随着车辆的使用,整个模组的维修,特别是里头关于子部件的损坏情况,模组怎么样修,这里要跟制造工艺、维修工艺结合起来,这里大家谈的也比较少。

第四部分,模组梯次利用。

一般来讲,我们模组需求整理出来以后会设计一个模组的框图,主要是把各部分,包括电气方面、结构方面、车辆耦合方面、机械固定方面都连起来,把电气结构部分需求都输入到里面去,这样就可以把我们每个部分的设计目标能够清晰化。

框图确认以后,相当于说可以整合成一个模组的参数框图,可以把我们能控制的那部分,包括散热核的大小、Busbar大小等等控制因素整理出来,这些可以根据我们的需求,根据电能需求的功率性要求、能量大小的需求做一些调整,我们把不同的安全状态罗列出来、整理出来,整理成整个模组出现失效的情况一些极端的情况来评估模组失效情况下出现的安全性,因为单体的安全性整合到模组的安全性,这里头基本上一个量级,相当于你电芯量的时候,当电芯产热发热的过程中,你要有足够的阻断机理,还要有足够的防止并联电芯出问题的一个阻断特性。

上面那部分,最主要就是偏差,在我们不同的整个主要是考虑电池系统在不同的车里头,对于模组的一些影响,我们把这部分的影响也可以抽象出来。

在结构设计上的要求,其实主要是根据两种思路来做,一种就是说我们先制定一个基本的标准,相当于说我们按照一个通用的模组,像原来12串标准的模组大小,他的思路就是说,在根据电芯的要求下,我们界定一个最小单元,把它定义成一定的能量情况,只要电芯的安时数确定,整个包的能量是确定的,不管串并联怎么调整,这部分是一样的。

未来大于50度以上,到70度,因为整个模组大小,原来定义的2—3度的话基本上就不够了,因为我们现在做的电池包如果接近50度的话,有24个模组,如果再往上,你做到80度电,做到更高的话,整个模组数量就变得很多了,基本上可以到30以上。这个时候模组数量的增加,对走线,对整个Busbar的布置都不是很有利,这里面就要根据合理的能量做一个规划。原来基于特定车型的要求,像下面这种定制化的高度、定制化的PACK的模组会越用越少,这是一个基本的发展方向。

在整个相当于实际的设计中,最主要的我们需要把电芯的要求,因为不同的电芯、不同的特性其实是不一样的,我们根据他的不同的条件会测试出来不同的加压条件下、不同的温度条件下都会有一个寿命的折损,根据这个东西电芯那儿会有一个要求,要求模组整个生命周期保持一个合理的温度范围跟电芯的初始压力跟最终压力的要求,根据这些要求,我们模组设计的时候就需要把这个厚度膨胀率、基于不同因素的东西考虑进去,把整个电芯在使用过程中可能遇到的膨胀的范围尽量考虑进去, 根据这个参数我们可以设计模组内部的一个应力设计。我们的手段,相当于说根据我们在里头使用的隔开的泡棉的回弹,用它来吸收电芯的膨胀,减缓电芯的压力增长。根据这个值我们可以对整个生命周期,这个批量的包里头做一个分布,截取一个工作范围。在外围,通过绑定固定也好,通过长螺钉固定也好,也要考虑整个生命周期里面随着膨胀的加剧,外围的绑带的应力水平能不能接受,不管是压也好、焊接也好强度够不够。因为这个里头我们要考虑整个,如果电芯在一定的情况下并不退出的情况下,随着时间的推移胀到一定的程度,这个固定就会损坏,这个时候就会出现一个加速破坏的效应。整个结构内,对于电芯的固定来讲,最主要就是确定其适宜的工作压力范围,通过我们的控制手段,泡棉的情况,还有整个外围固定的力来调整这个参数。

在电气方面,其实最主要是根据不同的串的范围,就是说我们如果做电芯是以并为主、电芯以串为主,选用不同的Busbar,因为这里头你也可以看到,在每段Busbar上面其实因为电流的不一样,它的整个情况不一样,在某一段上面,特别是并联,它的电流是四部分的叠加。在不同的工况下面,我们其实是需要控制整个Busbar的温升,相当于说我们定了一个绝对点,就是说在整个正常工作下面,我们认为这个温升是不能超过45度,整个绝对温度不能超过95度,超过了95度对于整个Busbar上面的镀层就会有一个破坏作用,长期来看就会形成一个微观层面的变化。

这个就是不同的相当于说结合工艺的操作模式,我们最早是延用A123的这种方式,通过上层Busbar把电芯极片插到Busbar里面,用连续激光焊接,这里面主要是激光强度、焊接花纹、焊接时间、压紧力、压紧形式。这里面有U型的Busbar、L型的Busbar,还有平片的Busbar,不同的Busbar可以用焊的不同形式,这里头主要的区别,主要是看你Busbar的厚度,控制的变量主要是焊接的涂抗,还有通过拉拔力,在不同的温度冲击、温度循环下这个连接情况。在新的情况里,如果是串联的情况下,也可以通过这种改良的,就是在PACK里头,把两个Tab进行互联,用激光点焊的模式,这种模式在一定的电流下可以省略外加的Busbar,因为外加的Busbar这里头包括一个安放,还有激光焊的功率强度控制,都需要去做处理,因为这里头如果焊两道很容易焊穿,用激光点焊能量是可控的,整个焊接的控制情况是比较好的,焊完以后我们可以通过抽样,还有通过相当于说10安培的电流注入来确定焊接阻抗的每一个值,来确定焊接的良好情况。

这个是我们实际的对比情况,用连续激光焊跟激光点抗的实际情况,在Busbar里头,这个部分是正负极极耳出来的时候,那个地方Busbar焊接比较宽,你要把Tab打在上面,这个是我们测试两边的连续激光焊和激光点焊实际的结果,总的阻抗来讲两边差异并不是很大。我们通过一定的结果就做一个相当于放电的功率对比曲线来看,两边的温度在整个抽样范围来讲是比较接近的,都大概在10度左右。

这里头主要是讲一下采样线,因为采样线国内可能不是特别重视,这里头工艺也比较多。采样线的需求其实挺高的,一个是CMU的供电单元,相当于说它需要给整个CMU的芯片做供电,同时它需要给你的采样线路去做供电,这个时候需要考虑整个回路的阻抗带来的电压差异。这里头其实我觉得大家不知道有没有,因为我们整个在做SOC的时候很讲究一个静态的值,因为静态的OCV值,在我整个功率不启动的时候,整个Busbar系统刚刚采样的时候,有一个电池稳定在一个温度值,我要采集这个OCV跟我固化的OCV表做校正的时候,这个时候每个毫伏带来的偏移都是很大的,我们这里控制的整个阻抗最主要的带来的是OCV采集的精度和SOC校正时候的实际效果,这部分其实我们是要控制的。还有一部分由于整个采样线,不光是焊接还是铆接,都有一定的失效情况,整个CMU里头,你的相关器件可能都会短路。这种慢短路的方式其实就是让我们在整个设计里头需要考虑几个电流,一个是我们整个回路里头采集时的工作电流,一个是我们电池在设计不同均衡,一般是100—200毫安均衡的电流。还有一个,我们要保护的,在器件短路的时候整个回路上所流过的一个软短路的保护电流,这个是我们需要去设计熔丝相当于切断的电流。

我们做过一个实验,盐水做滴灌的时候,介于软电路和硬短路之间,相当于电芯对着盐水的接插件上会不断的发热,相当于我们车如果卖在沿海,在高温高湿下出现凝露的时候,有可能出现这个水滴在连接器上,所以连接线的选取和CMU的防水如果做得不好的话,这块是大家考虑比较少的安全考虑点。

采样线路,由于这方面我要把整个回路阻抗摊销成整个我的采样线到Busbar的一个接触阻抗、采用线本身的阻抗、采样线跟整个CMU的界限阻抗这几部分,第一个要控制的是整个连接的阻抗,然后确认相当于采样线跟整个Busbar的一个连接的可靠性,确认在整个生命周期里头的一个耐久性,这个耐久性其实跟可靠性是联系在一起的,因为我们这个车在不停的颠簸中连续工作,这个地方也是不停的通电,相当于在整个工作过程中,整个Busbar的温升是比较高的,这一段就会有冷热交替的过程。当采样线断了以后,这个连接采样就不准了,带来的问题可能由于这一段使得你的BMS工作异常,慢慢开始自动化生产以后返修工艺做起来是非常困难的。所以整个采样线的设计目标,现在主要的方式是欧标线和美标线到PCB,现在更往FPC方向发展,带来的几个好处,一个是本身做不同的宽度可以集成一定的熔丝功能,线路就可以做一体化,温度传感器可以通过一种模式,因为FPC本身是一块电路板,是柔性的,温度传感器的选取就可以形成多样化。

这个是采样线路不同的设计模式,最早厂家是用夹子的方式,是把圆线夹在夹子上面,夹子夹在Busbar上面,同刚一个凹槽把采样线夹在上面,有厂家借用线束的工艺,通过超声焊接,把线束裸露部分添到Busbar上面,再用点胶工艺隔离空气,因为这里头是两种,一种是金属,是铝箔和铜之间会有一个反应,所以需要用点胶工艺处理。传统的日系喜欢用采样线的压接压在上面,相当于带Busbar上面单独加在上面,或者通解凝结的方式走。可以用焊接,把铝箔的一端焊在上面,另一端通过凝结的方式,这里边两边不能都硬,两边都硬这个连接片容易断。第二种方式里头,如果一边是硬连接,一边要通过点胶柔性方式形成一定的弹性,如果这块长时间,因为两个重量不一致,在加了振动的时候这个点是会失效的,国外相当于用这种压接的方式,参考了原来12V的配电盒里头有过流的压接的模式,通过压片的方式压在里面,再焊一到烯,这种强度是比较高的。过渡到FPC以后,主要是三种不同的模式,一种是铆接,铆接如最左边的那个图,相当于用铆钉把它铆在Busbar上面。

随着这个相当于用FPC,相当于把原线的焊接工艺借鉴了母线的工艺,看到在最新一带上面是用FPC焊盘与Busbar的Tab的工艺做的时候,相当于可以加快时间。因为前面几种方法最大的一个问题其实还是一个工时,当你的量比较大的时候,这个点,因为其实相当于说你只要有一个采样点就会有一路,这个工时其实不低的,Bonding跟激光焊接的模式有一个最大的好处,整个工时来讲,第一,自动化程度比较高,第二,工时耗费比较少,所以说看到下两种模式,可以采用连续激光焊跟激光点焊的模式,把采样的FPC的铜的延伸片打到Busbar上面,然后可以采取跟原来的相当于检测的工艺来确认它的连接阻抗,保证它的连接强度。整个这块来讲,相当于说设计目标最主要是考虑整个承载能力,电阻工艺上面主要是考虑工时跟可靠性。

这块是讲温度传感器的布置,因为现在其实我们随着BMS的软件越来越做完善,大家对于获取电芯的真实温度的要求比较高,因为我们做电芯的相当于说温度确认都是把单电芯在里头的温度、外部的温度做耦合,我在不同的环境温度下,不管我做功率保护也好,做容量标定也好,SOC的续航里程估算也好,温度都是一个核心参量,怎么样把电芯的温度推算出来,这就是我们设计里头的一个核心目标。基本上是有两种不同的办法,一种是相对来讲直接采集电芯温度,这里头有比较典型的办法,一种就是在两个端盖那个地方,因为电芯的层叠工艺就相当于说它是比较死的,相当于在电芯层叠以后后面加端板,后面测电芯温度就带来了很多困难。我们其实只有在端板上嵌在里头或者贴在里头,通过位置的方式封装起来,这样能够准确的感知头尾两片,头尾两片知道了以后我们再推算整个模组里头的电芯温度。另外一种办法,是通过ICB的上端,相当于我根据采样就是把ICB装好以后把电芯跟端板集成以后,通过塑料的隔离装置后面累加在上面,把温度传感器嵌入到里面,把它贴住,这种工艺稍微耗时一点,但是能够准确的感知相当于电芯温度最高的那部分。

相对来讲,我觉得方壳跟软包最大的区别就是,其实软包电芯的电芯温度感知是容易的,对它温度的控制是更准确的,方壳不管是你测Busbar也好,有一个推算过程,因为整个Busbar比较宽、散热也比较好,这里头要通过这个温度来推算里头电芯的温度,要做一个折算,如果你直接拿这个温度来推算电芯的功率就会有失衡,在整个极端情况下,特别是头尾两端温度高跟温度低的时候,这个时候相对来讲你的整个功率的Map图跟整个安时输出量的估计都会不准。在Busbar上面的这个东西我们其实也可以通过这种TIG焊接、超声波焊接、Bonding、激光连续焊接、激光点焊,这个方式都是一样的,这里头要涉及到一个温度传感器的密封,温度传感器不管是水滴端子的还是贴片式的,对温度要求都很高,当水滴进入以后组织会异常,核心点就是说,我们要保证密封过程中不要出现问题,把我觉得整个到了工艺层面上能做的东西就比较多,而且需要跟工艺工程师、跟数据相结合,才能挑选实际的工艺。

我来讲一下可能另外一个比较有趣的地方,因为随着各个不同厂家模块化,最小的标准单元是CMU,这个CMU相当于说我是可以把这个温度跟电压采集完以后发送给BMS,也进一步把BMS形成一个通用化的单元,就是在不同车上面、不同平台上面去跨时间复用,这里头涉及到CMU的位置放在侧边、定盖还是嵌在里面去做不同的处理。你可以看到,其实相对来讲如果采用裸板的模式下面,其实对缠线模组的工艺要求是挺高的,因为这里头就引入了ESD要求,就是整个芯片裸露对于工人放置这块板ESD是有要求的,相当于在原来传统装配上面引入了PCBA的要求,对静电的要求比较高,因为整个不同的连接方式,相当于说你在上面要做的更紧凑,整个连接器的选择,不管是耐压也好、间距也好、盲插的工艺设计也好,这里头需要做很多的工作对接起来,这里头的连接器要注意一个地方,就是传统的连接器是不行的,因为整个里头如果出现一个电芯Tab有问题的时候,这个电压分段比较高,就是我们至少要用工作电压加1000V来打耐压,这部分对于间距、对于连接器的耐高压能力都是有要求的。比较传统的方式采用甩线的方式,相当于把整个东西从侧边连接上面通过压实在弄,这里面对防水的要求,特别是凝露往下滴的状态是有要求的,因为我不希望就是水凝在上面滴下去。

CMU的考虑也是我们未来降本核心的诉求,这里头最主要是两种核心的方式。我们原来一般来讲是把整个CMU做成一个单片机的,带Can通信的,做一个很强的内部的Can通信的总线,这样的好处相对来讲,因为整个MCU还可以做一些功能安全的要求,对整个ASIC,包括温度、电压两边信号做冗余,对总线的鲁棒性和管控的要求,因为当模组比较多的时候,当20几个点,如果你是用一半10—15个CMU加在里头,这个网络其实挺难管理的。不同的芯片厂家现在也提出了一些局化链,用一个简易通信的方式,这种模式基本上带来的可行性,就是说如果做分板的时候这个可行性不高,因为局化链在整个包接近长宽都比较大的情况下,整个线束的EMC干扰整个扰动,会让你通信整个就摧毁。如果我做集中式的时候这里头就比较好了,未来我们其实不同的厂家对于BMS成本的压缩也是很快的,从原来最开始的大概四五千块现在可能压缩到两千块,可能下一步目标会进一步压缩,这时候对于这个BMU、CMU的成本特别是这块,因为ASIC主要还是国外芯片寡头垄断,你能够降的空间并不大,但是在MCU在通信隔离层面我们可以做一些文章。所以说未来来讲,根据模块化的要求是分CMU,根据成本要求是做集中式,这两种其实都会有,根据我们不同的情况来做处理。

重要的一点其实就是,你如果做了以后,包括你板子的防护等级跟EMC的要求,其实都是挺高的,因为随着我们电池系统真正扩大到一定的规模,它不是1万台了,进入了二三十万台了,整个维修要下放到不同的企业里头,就是说我不可能在全国开4S店,就是所有的包全通过我本方的售后人员来做。这块来讲慢慢扩散过程中,整个电子系统的鲁棒性其实是要高的,因为你指不定稍微换一块板把它打坏了,可能相当于说修了再坏、坏了再修,这个其实是我们最不愿意看到的。所以这里头是整车企业降本的需求跟它的鲁棒性提高的要求同时存在,这个里头给我们的整个设计的目标其实是越来越严的,我们是通过优化里头不同的器件、调整不同的Coating厚度核材料,尽量的提高防护等级。

接下来我谈一下模组热设计的需求。其实这里头我们也知道,在软包电芯里头最主要的产热是蛮均匀的,我们需要把热带出来,之前包括像福特、通用他们都是采用铝板里头本身走液冷回路,通过加大散热面,相当于把散热的温度拉低的一个方式,加大流量的模式来散热的,这里头其实主要基于的考虑,当时的电池容量比较小,它的最大放电功率也比较高,随着我们这个发展,特别是纯电动汽车的发展,这个容量就变得比较高了,而整个相对来讲这个就不那么高。现在大概主流的方式,大家都是把散热板集成在盒装里头,通过单面的方式把单体的热散下去,下面通过冷却板的方式,这里头有两种模式,一种是单纯的水冷,一种可能将来就是通过冷媒止冷的方式来做,这里头差异化最主要是冷的效率。通过这种方式也可以相当于反向的,通过加热下面的冷板来提高整个加热情况。因为我们国家现实的国情,纯电动汽车第一大消费市场是北京,北京到了12月—次年2月份的温度是很低的,这个时候车如果放在外面要启动的时候整个电芯的温度是比较低的,我可以做很多整包的隔热措施,可以用胶的方式来做,但是停在外面几个小时就是冷透了。这个时候启动一刹那电芯温度比较低的时候,不能让车主等太久,这里头策略可以通过充电的能量把电池包的温度维持在一个温度,这个时候就需要把整个热量通过冷却液,相当于温度升高的模式带到电芯里头,这种模式其实比整个我们外界加热膜在侧边加热膜或者下边加热膜的情况整个均温性好很多。

其实整个从负10度或者负15度往上加的时候,因为其实整个像方壳电芯有两块端板,相当于说它的散热会很快,整个头尾的均热性其实可以超过10度以上,这一段的差异其实会带来整个电动汽车模组里的寿命差异会非常大。我认为软包的优势其实是在这块里头挺大的,因为他可以通过相当于传热的模式让整个电芯的温度在一个面上面做的相对均匀一些。这里头我们其实要做的辅助措施可能就是说,要结合一些电芯让它里头有电流的方式,通过外面加热的方式把整个均衡性做好。所以整个热设计其实散热跟加热很大一块是合在一块的。

由于现在我们国家对于整个安全性有一些顾虑,因为百花齐放的策略实际上更多的企业加入到了制造电动汽车的过程中,可以选用不同的电池系统,选用不同的电芯,整个国家来讲,他要管控安全性,特别是当有单个电芯出问题的时候,他是非常担心,当一颗电芯出问题的时候,整个模组的情况、整个包的情况,这个里头就变成了说我们需要考虑当Cell1、Cell2、Cell3当不同的电芯在里头出问题的时候,这个热怎么隔开。如果我通过Cell1把Cell3引燃了,又要传到Cell2去,我们要做的就是做内部测试和外部测试,相当于做外部测试在隔热层在原有泡棉的隔离,原来泡棉最主要的作用,其实主要是吸收膨胀,现在于又有一个新的要求是隔电,相当于绝缘,还有一个要求是隔热,当热失控发生的时候要检测电芯的实际情况,相当于在外部冷却的时候加大冷却处理。这个要求我认为最大的问题就是说,其实这个实验是有点不公平的,因为不同的容量的车、不同的电芯,我们其实整个成本是有限的,整个不管开发成本还是其他的成本都是有限的,你把钱花在哪里,是花在隔热上面、电池的质量上面,特别是未来不同的构型,如果仅仅是单片电芯串联的,问题还不大,现在最大问题是多批的,两批以上的电芯,当一片通过不同的模式,相当于说把它引发热失控,它的整个电压特性是不一样的,就代表着说,你并联电芯在这个里头,对那颗热失控的电芯、异常电芯有不同的放电模式。我在这里头设计熔丝的时候就很困难,可能搞的不好就是说,在我把那颗引燃,就是做热失控的电芯,相当于说把它完全热失控的时候,我外部设计的并联的熔丝特性反应不一样,有可能把直接相并联的电芯也给搞热失控,整个模组实验的一致性,跟整个反应的一致性就非常难。我觉得这块来讲,大家都在做努力,其实谁也不敢保证说我做的每一个模组,我做的每一个方案都能过,这个其实我觉得将来也是这个热失控实验面临的最大的挑战。

这个里头我们来讲一下,一般水冷的系统模组考虑其实主要是分成两块,一个是水冷板的工艺,一个是导热电的实际情况。水冷板的工艺最主要是确定基础材料、基础工艺,主要确定它的工差、确定它的安装位置,最主要就是我们知道整个由于我的这个版,这个电芯不是直接加在水冷板,是通过一块铝板压在上面,整个铝板散热面就跟我冷却的散热面准确贴合、压死,这个又变成了我整个散热的设计核心。我们是相当于说在这个里头整个冷板要吸收包的平整度,相当于我这个冷板是固定在整个包的平面上,通过吸收整个工差度对我冷板的要求是比较高的,相当于说整个散热盒之间的装配公差、整个电芯之间的差异,通过导热电的压缩率来进行却热,这两个基本上也是根据不同的项目因人而宜去做,我们可供的量,包括它的热阻导热系数回弹性,这部分根据我们材料的选择要做实验、做确认。

我前面讲的一个电气安全性要求,整个包的电气性要求是10兆,实际我们控制的时候可能会更高一些,整个模组实际打出来的绝缘组织大概是在500兆左右,400—600兆,耐压我们一般用2倍的PACK电压加1千伏来打,这个最主要可以看到整个绝缘阻抗包括整个上端的绝缘支架、电阻,外面电芯的铝塑膜,相当于散热和Coating的绝缘电阻,加上整个导热电的绝缘电阻,这里头最主要担心电芯出现阶段情况铝塑膜破裂或者其他泄漏的情况,绝缘电阻能不能维持在一个范围内,这个里头我们相当于说在整个前端控制各个部分的绝缘状况,保证整个模组跟上面的冷却板是隔离的。

就像前面讲的,这里头有两个熔丝,我的模组相当于说熔断,最主要就是相当于说半包熔断跟模组的短路,主要通过设计模组部分的最弱点最大的过流电流,在Tab上其实可以开不同的形状,开槽、开孔、开弯,通过工艺冲压的模式确定,限制整个Tab上流的电流,我们基本上会用模组里头的最小单元,通过过流的硬短路的模式来确定它的熔断机理。最重要的整个电池系统里头熔丝的匹配,就是从Tab熔丝到模组熔丝、到PACK的溶死,还有相当于说几极的,特别是组熔丝、还有其他几个熔丝的匹配,还有熔丝跟继电器黏连承受力的匹配,这些都是我们电气设计里边一个挺重要的事。因为其实我们最终的一个成本是整个生命周期里头出现故障,出现意外的情况,我要换多少键,我要换继电器、还是换熔丝、还是换模组,这部分里头成本优先还是安全优先,我们在工程这块其实是要做很多权衡、做很多参数的匹配。

最后讲一个,不管是电气结构、环境也好,我们其实在国标的相当于说要求以外,我们是要构建一个验证体系,把各个部分的要求,通过一个DDPV的安全验证方法,我们其实包括像我们讲的短路,可以把它切分成模组组正负短路、内部采样线短路、CMU接口短路、内部最小并联单元单体热失控时候的短路,把它切分成不同实验的要求,根据我们前面设计的一个参数,来通过这个实验验证里面的可效性。像整个国标里头的海水浸泡,我们可以进一步细化成滴灌,相当于雨漏的方式,还有模组浸泡,还有模组半泡,主要是车辆翻转的情况,这个里头我们就需要去做一些确认。结构方面我们在整个像跌落、挤压这里头我们还要考虑在整个生产、售后阶段的情况。

讲一个故事,其实大部分人对模组并不了解,我在这边买一台模组,可能有些工人会踩一脚,有可能会坐上去,实际它可能受到结构性的滥用其实会比较多,现在有些电动汽车可能还想着把电池包取下来回家做充电,可能受到的结构方面的滥用是很多的。根据不同的结构模式,还有分段模式,整个结构方面的滥用情况,我们是通过失效的模式,滥用的考虑来把它抽象实验,然后验证在这种情况下会不会出问题。

环境方面,由于整包有IP67的要求,我们在整个模组里头对于环境的要求其实并不高,但是做电池包的都有一个,全寿命周期特别是电池包进入了第一年、第二年、第三年到生命后期,或者一些拆包处理,因为拆包出力不可能返厂,是就近处理,它的密封性其实是受一些挑战的。这个时候我们对于原有的加热、高温储存、温度循环,特别是整个外壳原来的保护出现一些问题的时候,我们要把凝露一些其他的情况尽量考虑清楚,因为模组的能力其实已经把电芯,因为电芯厂家更多的是告诉你他电芯的安全、性能方面,整个与包的连接跟车的使用都是以模组为单位的,所以整个PACK企业其实真正的核心还是验证模组分成三块,性能实验、耐久实验、安全实验。



(来源:中国电动汽车百人会 )

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