圓柱形動力電池模組散熱方式介紹及案例

在動力電池的3個主要類型中，圓柱電芯雖然不是占有市場份額最大的，但由于其在消費(fèi)品市場的廣泛用途，使得它的商業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)化卻是最為成熟的。其工藝經(jīng)過多年的沉淀，穩(wěn)定且一致性最好。三元材料的圓柱電芯，能量密度能做到210~250Wh/kg。大規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)化的電芯，使得模組也具備了自動化生產(chǎn)的前提。

圓柱電池體積小，非常適用于空間不規(guī)則的電池包箱體內(nèi)，可以充分利用邊角空間。雖然當(dāng)前18650面臨被21700替代的問題，但小規(guī)模形狀復(fù)雜動力要求不高成本又比較敏感的車輛上，18650還是會在一段時間內(nèi)保有自己的一方天地的。

模組基本結(jié)構(gòu)

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(dǎo)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，如下圖所示。

結(jié)構(gòu)設(shè)計

圓柱電池模組的結(jié)構(gòu)設(shè)計，其目的是將多個圓柱電池固定在指定位置上，保證合理振動沖擊條件下，不要發(fā)生過大位移。電芯位置由電芯支架確定，如果遇到極端情況，電芯支架可能會變形，為了保持電芯之間的距離，一般都會單獨(dú)設(shè)計耐高溫、質(zhì)量小的電信間距保持件。下圖中江淮iEV5模組中間的黑色部分應(yīng)該就是這個類型的設(shè)計意圖。

圓柱電池模組內(nèi)部，并聯(lián)比較容易實現(xiàn)，只要一塊母排將電芯的一極接入即可，但要做到電流密度分布均勻，熱場均勻，則是考驗工程師水平的地方。一般都盡量設(shè)計成較為對稱的結(jié)構(gòu)，但模組進(jìn)出線位置附近總歸與其他電芯均勻布置的位置不太一樣，因此是設(shè)計仿真的關(guān)鍵點。像特斯拉那樣，做出奇異形狀的并聯(lián)母排設(shè)計，應(yīng)該是經(jīng)過熱量和電流分布測算之后的結(jié)果（特斯拉模組在文章后半部分里找）。

動力電池模組散熱方式介紹

當(dāng)前被探討比較多的就是液冷和相變材料冷卻。圓柱電芯液冷模組的典型就是特斯拉，在后面的實例中將做介紹。單純的液冷系統(tǒng)是將導(dǎo)熱良好的器件緊貼電芯放置，盡可能均勻且高效的將電芯工作過程中產(chǎn)生的多余熱量帶走。

液冷可以像特斯拉那樣完全獨(dú)立運(yùn)行，也可以與其他冷卻方式相結(jié)合。其中的一個重要形式就是與導(dǎo)熱硅膠結(jié)合，如下圖所示。導(dǎo)熱硅膠可以獲得比金屬接觸金屬更加緊密的貼合，進(jìn)而獲得更好的傳熱性能。

電芯工作時產(chǎn)生的熱量通過導(dǎo)熱硅膠墊片傳遞至液冷管，由冷卻液熱脹冷縮自由循環(huán)流動將熱量帶走，使整個電池包的溫度均衡統(tǒng)一，冷卻液強(qiáng)大的比熱容吸收電芯工作時產(chǎn)生的熱量，使整個電池包在安全溫度內(nèi)運(yùn)作。導(dǎo)熱硅膠良好的絕緣性能和高回彈韌性，能有效避免電芯之間的震動摩擦破損問題，和電芯之間的短路隱患，是水冷方案的最佳輔助材料。

此液冷方案采用S型導(dǎo)熱鋁管、在鋁管上貼附異型導(dǎo)熱硅膠帶(在導(dǎo)熱硅膠帶與電芯接觸面增加凸起條紋),讓電芯與導(dǎo)熱管之間接觸面更大,導(dǎo)熱效果和減震效果更好。

圓柱形電池的電池模組PCM散熱結(jié)構(gòu)，相變材料的應(yīng)用，可以與液冷配合，也可以獨(dú)立使用。獨(dú)立應(yīng)用則可以有多種排列方式。可以將PCM板材貼合在電池模組外部，輔助散熱，如下圖所示。據(jù)該實驗結(jié)果顯示，相變材料的存在也可以起到一定冷卻作用。

效率最高的方式，自然是電芯與PCM接觸面積最大的方式，范例如下。

相變材料用于熱管理電池組，首先計算出所需 PCM 的質(zhì)量，再根據(jù)電池的形狀確定相變材料基體的幾何尺寸，制作相變材料基體，并在基體上均勻挖出與單體電池尺寸相同的洞，洞的數(shù)量由電池模組中能夠容納的單體電池數(shù)量決定。

這個形式的相變材料的應(yīng)用在客觀上阻止了熱失控單體能量的傳播，被認(rèn)為是一種比較理想的熱管理形式。

動力電池應(yīng)用場景對相變材料的基本要求：

相變溫度低，需要適應(yīng)鋰電池的最佳工作溫度區(qū)間15℃-35℃；

材料相變溫度小范圍內(nèi)可以調(diào)節(jié)，不同類型電芯的最佳工作溫度區(qū)間并不完全一致；

材料定型形態(tài)，相變前后，最好不要出現(xiàn)液態(tài)氣態(tài)相；

材料潛熱大，則系統(tǒng)恒溫能力強(qiáng)；

傳熱系數(shù)要高，才能保持溫度均勻；

材料絕緣性好，避免高壓系統(tǒng)出現(xiàn)絕緣漏電風(fēng)險。

相變材料質(zhì)量密度低，減小對電池包能量密度的影響。

即使?jié)M足了上述條件，相變材料的應(yīng)用依然存在局限性。當(dāng)環(huán)境極其惡劣的時候，比如溫度過高。相變材料吸收熱量的能力是有限的，當(dāng)相變完成時，系統(tǒng)溫度自然上升。而當(dāng)溫度過低且長時間過低，車輛的冷啟動必須吸收外部能量加熱才行。

圓柱電芯模組制造藝

圖2-2圓柱電芯模組結(jié)構(gòu)示意圖

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(dá)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(jìn)行嚴(yán)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)重新對電芯進(jìn)行分選。電芯分選需要考慮分選標(biāo)準(zhǔn)的問題，標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(fù)極端面污漬等不良品。

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，孔太大，方便電芯插入，但是電芯固定不好，影響焊接效果；孔太小，電芯插入下支架定位孔比較困難，嚴(yán)重的可能導(dǎo)致電芯插不進(jìn)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。

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(dǎo)致產(chǎn)品毀壞，嚴(yán)重的可能導(dǎo)致人員受傷。

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?yán)锩嬗袀€滾槽工序，假如控制不好，會導(dǎo)致電芯尺寸的一致性差，影響蓋上支架，嚴(yán)重的會蓋不上去；二是電芯與下支架固定不好，導(dǎo)致電芯有一定的歪斜，導(dǎo)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，為是否滿足焊提前判斷是否滿足焊接條件。

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(dá)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(zhǔn)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(zhǔn)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(jìn)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(jìn)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(rèn)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(qiáng)調(diào)膠水的黏接力、抗剪強(qiáng)度、耐老化、壽命等性能指標(biāo)；另一種用途是把電芯和模組的熱量通過導(dǎo)熱膠傳遞出去，主要強(qiáng)調(diào)膠水的導(dǎo)熱系數(shù)、耐老化、電氣絕緣性、阻燃性等性能指標(biāo)。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：

a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(hù)操作者，也可以保護(hù)使用者，還能更好地保護(hù)環(huán)境，也是新能源發(fā)展的目標(biāo)。

b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(dǎo)致膠水的大量浪費(fèi)；也可能由于操作員處理不及時，因膠水固化時間短而導(dǎo)致設(shè)備堵塞，嚴(yán)重時導(dǎo)致停拉線。按經(jīng)驗，盡量把表干時間控制到15～30 min比較合理。

c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(jìn)行絕緣保護(hù)。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1 mm。

12）模組EOL測試，EOL測試（end of line）（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(jìn)行測試，主要測試項目有：

a絕緣耐壓測試；

b內(nèi)阻測試；

c電壓采樣測試；

d尺寸檢測；

e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(yùn)過程中需要對模組進(jìn)行絕緣保護(hù)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(jìn)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。

作為一名研發(fā)設(shè)計人員，如果能夠詳細(xì)了解所在體系的生產(chǎn)能力，將事半功倍。

知名車型動力電池模組案例

TeslaModel S，使用圓柱形18650鋰電池的車型，首先想到的當(dāng)然是風(fēng)頭無兩的Tesla，雖然最近Tesla 過得好像不太好。Roadster，Model S，Model X幾款都是18650電池包驅(qū)動，到了Model 3升級到了21700。

以Model S為例，一起看看18650模組，可能大家在網(wǎng)上看的不少，這里也是整理自網(wǎng)上的資料，就大概說一下。

電池包

模組

上面第一幅圖中標(biāo)示的紅線，是一個模組內(nèi)6只小模組的分界線，分界線上安裝有隔板將6個部分分割開來，避免其中一個部分發(fā)生熱失控時，其余部分過快的受到波及，造成短時間劇烈的發(fā)熱甚至爆炸，隔板如下圖所示。

Model S 85 一共有 16 塊電池組，每個模組包含有 444 節(jié)電池，每 74 節(jié)并聯(lián)成一組，整塊電池板由 6 組電池串聯(lián)而成。可以算出在這款 Tesla Model S 85 車型上一共有 7104 節(jié) 18650 鋰電。

每顆電芯都有一極通過保險絲與并聯(lián)母排連接，如下圖中纖細(xì)的銀線就是每顆電芯的保險絲。

沒有看到模組內(nèi)部每個小模組之間的連接方式。

每一只模組側(cè)面安裝有模組控制器線路板，如下圖。

線路板特寫

下面一幅圖中顯示的電池包爆炸圖，其中棕黃色部分的顯示了水冷管道的整體形狀。據(jù)說，網(wǎng)上流傳的被拆解了的特斯拉電池包，都是只有水冷管道，而冷卻系統(tǒng)中并沒有泵的存在。冷卻液依靠熱脹冷縮在小范圍內(nèi)流動。如果初始狀態(tài)電芯一致性非常好，電池組內(nèi)部的熱量不均衡差異很小，只在小局部內(nèi)相互均溫就可以達(dá)到消除溫差的作用。但如果需要啟動加熱功能，則這種局部流動就無法達(dá)成快速大量傳熱的目的了。

江淮iEV5，國內(nèi)使用圓柱電池的車型不多，比較著名的應(yīng)該算江淮iEV5，盜圖來看一看。電池包總體32并92串，共2944顆電芯，合計23kWh電量。冷卻方式為主動風(fēng)冷。

電池包整體

模組

力神2200mAh三元電芯，一個模組32顆電芯全部并聯(lián)。沒有找到顯示電氣連接和信號采集線的圖片。

每顆電芯上的熔絲結(jié)構(gòu)與特斯拉不同。