鋰離子動(dòng)力電池成組技術(shù)及其連接方法簡(jiǎn)述

張貴萍 宋佑 黃子康 李錦運(yùn) 黃子欣 吳際良 黃新華 余克清

隨著國(guó)家對(duì)新能源汽車的大力支持，各地政府的強(qiáng)力推廣，相應(yīng)公司的生產(chǎn)量、生產(chǎn)效率的高要求不斷刷新。眾所周知，鋰離子動(dòng)力電池都是以電池模組（電池包）用在新能源電動(dòng)車?yán)?，?dòng)力電池模組是由多個(gè)單體電芯串聯(lián)并聯(lián)組裝而成，單體電芯之間連接與加固，要求連接片與電池的極柱接觸電阻小、抗振動(dòng)、牢靠程度高。無(wú)論是用激光焊焊接、電阻焊焊接還是螺栓機(jī)械鎖緊，都必須保證成組后的電池系統(tǒng)在電動(dòng)車輛實(shí)際行駛過(guò)程中的可靠性和耐久度。在不同的動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求里，其體積能量密度、質(zhì)量比能量密度以及體積功率密度等都會(huì)與動(dòng)力電池系統(tǒng)中單體電池之間連接結(jié)構(gòu)與工藝相關(guān)，本文對(duì)單體電池形狀、極柱（極耳）的類型、最新和常用的鋰離子動(dòng)力電池成組方法進(jìn)行簡(jiǎn)述。

一、單體電池形狀和極柱（極耳）的類型

單體電池在形狀上可分為常見的圓柱型和方形，從外殼材質(zhì)上可分為金屬殼（鋼殼或鋁殼）和鋁塑膜封裝（聚合物鋰電池）。從極柱類型上又可以分為外螺紋極柱、內(nèi)螺紋型極柱、平臺(tái)型極柱以及鋁鎳長(zhǎng)條型極耳（聚合物鋰電池類型的極耳）。不同極柱類型的電池，在電池成組方式、連接工藝也會(huì)有很大不同，同時(shí)有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。動(dòng)力電池模組是由多個(gè)單體電池連接組成，而單體電池之間連接的方法和工藝的選擇需根據(jù)電池類型及其極柱（極耳）的類型來(lái)定。

1.外螺紋極柱型電池

外螺紋極柱電池見圖1所示。單體電池之間通常采用機(jī)械鎖緊的連接工藝。這一工藝的優(yōu)點(diǎn)是組裝連接可以采用多種方式、簡(jiǎn)單靈活；缺點(diǎn)是由于自身結(jié)構(gòu)限制，相對(duì)于平頭型極柱，體積能量密度稍大。

2.內(nèi)螺紋極柱型電池

內(nèi)螺紋極柱型電池見圖2所示。單體電池之間通常采用機(jī)械鎖緊的連接工藝。這一工藝的優(yōu)點(diǎn)是組裝連接可以采用多種方式，易于拆卸；缺點(diǎn)是由于自身結(jié)構(gòu)限制，相對(duì)于平頭型極柱，組裝過(guò)程需要增加金屬配件，電池模組質(zhì)量有所增大。

3.平頭極柱型電池

平頭極柱型電池見圖3所示。單體電池之間通常采用電阻焊接或激光焊接的連接工藝。這一工藝的優(yōu)點(diǎn)是相對(duì)于以上2種極柱類型電池，平頭極柱型電池成組后的電池模組體積小，體積能量密度高，質(zhì)量能量密度高；缺點(diǎn)是連接工藝選擇方式單一，組裝完成的電池不易拆卸替換，只能以焊接方式完成成組組裝。

4.長(zhǎng)條型極耳電池

長(zhǎng)條型極耳電池如圖4所示。單體電池之間連接成組時(shí)，其連接片與極耳之間通常采用激光焊或錫焊或電阻焊接的連接工藝或非焊接式機(jī)械壓緊。這一工藝的優(yōu)點(diǎn)是體積能量密度和質(zhì)量能量密度較高；缺點(diǎn)是成組工序復(fù)雜，需要較多輔助的支架等。

二、不同極柱類型電池的連接工藝

動(dòng)力電池系統(tǒng)成組時(shí)，單體電芯之間連接片的連接，一般采用激光焊、電阻焊以及螺栓機(jī)械緊固。每顆電芯之間連接的一致性、牢固性，對(duì)整體電池模組能量發(fā)揮和整車安全具有重要作用。

1.外螺紋極柱型電池

外螺紋極柱型電池通常采用螺栓螺母機(jī)械緊固，單體電池之間通常采用機(jī)械鎖緊的連接工藝。這一工藝的優(yōu)點(diǎn)是組裝連接簡(jiǎn)單靈活；缺點(diǎn)是外螺紋極柱組裝空間所需，相對(duì)于其他極柱類型，其體積偏大，體積能量密度受到一定影響。

螺栓或螺母機(jī)械鎖緊顧名思義是用螺母將連接片與帶螺紋極柱擰緊固定，防止松動(dòng)。它在連接防松設(shè)計(jì)上可分為摩擦防松、機(jī)械防松、永久防松。

摩擦防松一般可采用彈簧墊片防松、自鎖螺母防松等；機(jī)械防松一般可采用槽形螺母和銷子防松、止動(dòng)墊片防松等；永久防松一般可采用螺紋緊固膠（如厭氧膠）防松等。

上述防止松動(dòng)的可靠度依次增強(qiáng)，如果考慮后續(xù)易拆卸更換電池等因素，可采用機(jī)械防松，但其抗振動(dòng)性需多方面驗(yàn)證，驗(yàn)證通過(guò)后可采用。

對(duì)于外螺紋極柱型電池，筆者團(tuán)隊(duì)研究開發(fā)了新型結(jié)構(gòu)的大容量圓柱型電池，其極柱留有用于激光焊接的平臺(tái)的同時(shí)，平臺(tái)上方又有外螺紋極柱（如圖1右所示），用激光焊接連接片的同時(shí)，又用螺母通過(guò)螺紋極柱對(duì)連接片擰緊固定，再用特別設(shè)計(jì)的保護(hù)支架對(duì)電池固定。其組裝工藝如下：一種圓柱動(dòng)力鋰離子電池的成組組裝工裝，包括設(shè)置在多個(gè)排列在一起的單個(gè)電池極柱之間的保護(hù)支架，如圖5所示。保護(hù)支架整體為上表面為方形平面，且四周均勻設(shè)置有4根支柱，該保護(hù)支架的方形平面正中間設(shè)置有長(zhǎng)方形固定卡槽，任意對(duì)稱的2邊設(shè)置有卡座且個(gè)數(shù)相同，剩余對(duì)稱的另外2邊設(shè)置有卡扣個(gè)數(shù)也相等。該工藝具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定耐用、生產(chǎn)能力強(qiáng)、原料易于加工的優(yōu)點(diǎn)，有效克服了市場(chǎng)上電池組連接容易松動(dòng)、結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、連接易脫落、制作成本高、生產(chǎn)效率低的缺點(diǎn)。

以上這種利用圓柱動(dòng)力鋰離子電池的成組組裝工裝的電池組裝方法如圖6所示。3個(gè)排列在一起的單個(gè)電池組裝成電池組后，將保護(hù)支架正中間設(shè)置的長(zhǎng)方形固定卡槽分別直接卡入電池的正、負(fù)極柱上，保護(hù)支架卡槽和電池極柱嵌合在一起，保護(hù)支架之間通過(guò)卡座與“工”型拼裝卡扣連接；最后可以將多個(gè)排列在一起的單個(gè)電池組裝成電池組（圖7），外螺紋極柱電池成組的模組（電池包）示意圖見圖8所示。筆者團(tuán)隊(duì)研究開發(fā)的圓柱動(dòng)力鋰離子電池的成組組裝的方法，連接簡(jiǎn)單，而且連接后能一直保持電池固定狀態(tài)，連接片與極柱的接觸緊配，能保證電路一直處于低內(nèi)阻狀態(tài)。

2.平頭型極柱電池

平頭型極柱的電池通常采用電阻焊焊接。電阻焊是工件組合后通過(guò)電極施加壓力，利用電流通過(guò)接頭的接觸面及鄰近區(qū)域產(chǎn)生的熱，將焊件接觸點(diǎn)加熱到塑性或熔化狀態(tài)，然后使工件組合焊接到一起的焊接方法。該工藝地方優(yōu)點(diǎn)為動(dòng)力電池模組在組裝時(shí)，單體電池之間用連接片實(shí)現(xiàn)串聯(lián)或并聯(lián)，連接片通過(guò)電阻焊焊接到電池極端上面，組裝工序相對(duì)比較簡(jiǎn)單；焊接過(guò)程不需要添加任何輔助性焊接材料，批量生產(chǎn)可實(shí)現(xiàn)機(jī)械自動(dòng)化，設(shè)備成本相對(duì)激光焊機(jī)不高；對(duì)于動(dòng)力電池模組，電芯之間采用電阻焊焊接加固完成后，電池模組的體積能量密度提高，質(zhì)量能量密度提高（相對(duì)于螺栓或螺母機(jī)械鎖緊的連接工藝）。而缺點(diǎn)為電池之間的連接片材料有限制，對(duì)鋁與鋁焊接效果不理想等，后續(xù)電池模組中的單個(gè)電池難以拆卸更換，若要更換，需更換整個(gè)模組。

平頭型極柱的電池也可采用激光焊接連接。激光焊是利用高能量的激光脈沖對(duì)工件需要加工區(qū)域進(jìn)行局部加熱。激光輻射的能量通過(guò)熱傳導(dǎo)向材料內(nèi)部擴(kuò)散，將材料熔化后形成特定熔池來(lái)完成焊接的目的。該工藝主要具有以下一些優(yōu)點(diǎn)：①在組裝動(dòng)力電池模組時(shí)，激光焊接的焊接精度高、強(qiáng)度高、焊接效率高；②在大批量組裝生產(chǎn)時(shí)，更易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，保證產(chǎn)品的一致性和質(zhì)量；③憑借激光焊焊接的優(yōu)勢(shì)，電芯之間串聯(lián)或并聯(lián)的連接片都可用鋁材質(zhì)代替銅連接片，如此可以提高焊接效率，焊接強(qiáng)度，減少生產(chǎn)材料成本，減輕電芯模組質(zhì)量，進(jìn)一步提高整車電芯模組的能量密度。而缺點(diǎn)主要為：①連接片與電池焊接處的平整度要求高，焊接夾具需高精度滿足焊接精度要求；②設(shè)備比較昂貴。

3.條型極耳的聚合物電池（電芯）

目前聚合物電芯的連接工藝，主要有焊接與不焊接（機(jī)械壓緊接觸式）的2種方式。

（1）焊接

焊接包括激光焊或錫焊2種。由于動(dòng)力電池組面積大，超聲波焊頭位置不容易接觸，超聲波焊接很少被采用，激光焊接是較為理想的焊接方式。錫焊的高溫工藝對(duì)聚合物電芯極耳處的密封存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)由于錫的比重大而造成電池組的質(zhì)量增加；無(wú)論激光焊接或錫焊成組工藝，都不利于更換單體電池。

（2）不焊接（機(jī)械壓緊接觸式）

不焊接即可拆卸替換聚合物電芯模組的連接結(jié)構(gòu)與方法，以每個(gè)電芯作為獨(dú)立單元，將每個(gè)單元串并聯(lián)，且能夠保證每顆電池可拆卸和替換。這一工藝的優(yōu)點(diǎn)主要是單顆電池可拆卸替換。長(zhǎng)條形極耳聚合物電池成組組裝方式的爆炸圖見圖9所示。

筆者團(tuán)隊(duì)發(fā)明的可拆卸替換的聚合物電芯模組成組方法，解決了成組后單體電池不易更換的問(wèn)題，提高了電池組的安全性（詳見參考文獻(xiàn)[3]）。此外，電池組更換單體電池時(shí)只要卸下金屬板和金屬網(wǎng)卷繞體，將極耳弄直就可以快速取下需要更換的單體電池，避免了以往傳統(tǒng)的極耳被錫焊接在鍍錫區(qū)所存在的缺陷，電池的質(zhì)量也更輕，避免了傳統(tǒng)焊錫工藝高溫對(duì)聚合物電池芯極耳處密封的損壞和焊接不良導(dǎo)致的虛焊，提高了組裝效率。在單體電池與外殼之間的縫隙中填滿低粘度液體膠并將其固化成具有彈性的膠體，該膠體介質(zhì)具有阻燃、導(dǎo)熱的特性，有利于單體電池之間的溫度一致，同時(shí)具有隔絕單體電池與空氣接觸，防止熱失控的發(fā)生，提高電池組的安全性。

三、對(duì)鋰離子動(dòng)力電池成組的加熱或降溫方式

在北方溫度較低的季節(jié)中使用的電池組，在成組過(guò)程中加入加熱膜，比如聚酰亞胺加熱膜等，對(duì)電池組充電時(shí)，先對(duì)內(nèi)部電池加熱，利用管理線路模塊（BMS）和嵌入的熱傳導(dǎo)裝置根據(jù)環(huán)境變化調(diào)節(jié)電池系統(tǒng)自動(dòng)加熱。在南方地區(qū)溫度較高的季節(jié)中使用的電池組，可以在電池組（包）周圍以空調(diào)風(fēng)或其他方式對(duì)電池組進(jìn)行降溫，對(duì)于電池組內(nèi)部的降溫，可以通過(guò)在電池組內(nèi)部加入導(dǎo)熱硅膠等材料將熱傳導(dǎo)至電池包的外殼上。對(duì)于全極耳結(jié)構(gòu)的大容量圓柱形電池，由于集流體鋁箔本身有較好的導(dǎo)熱功能，因此電池芯內(nèi)部的熱可以通過(guò)全極耳結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)到電池芯的外殼或端蓋，再由導(dǎo)熱硅膠等材料將熱傳導(dǎo)至電池包的外殼上。關(guān)于加熱膜，特性較好的是硅膠材質(zhì)加上發(fā)熱絲的復(fù)合膜，其厚度在1.5mm左右，有一定彈性，與電池表面接觸的貼合性好、加熱的均勻性好、導(dǎo)熱效果好，聚酰亞胺加熱膜的特點(diǎn)是厚度可以更薄。此外還有聚酯材質(zhì)的加熱膜。

四、結(jié)語(yǔ)

筆者團(tuán)隊(duì)研發(fā)設(shè)計(jì)的圓柱大容量鋰離子動(dòng)力電池成組時(shí)采用激光對(duì)連接片與極柱進(jìn)行焊接同時(shí)又可用螺母對(duì)連接片擰緊固定的雙重固定方法，具有牢固可靠、防振動(dòng)以及高低溫沖擊效果好的優(yōu)點(diǎn)，再用特別設(shè)計(jì)的保護(hù)支架對(duì)電池固定具有組裝簡(jiǎn)單高效牢固的特點(diǎn)，解決了電池成組工序復(fù)雜成本高等難點(diǎn)。此外，筆者團(tuán)隊(duì)研發(fā)設(shè)計(jì)的聚合物鋰電池的不焊接（機(jī)械壓緊接觸式）成組方法，即可拆卸替換聚合物電芯模組的連接結(jié)構(gòu)與方法，具有簡(jiǎn)單且后續(xù)維護(hù)方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)；并提出了對(duì)動(dòng)力電池包的散熱，在夏天高溫時(shí)對(duì)電池包的降溫以及寒冷冬天時(shí)對(duì)電池包的加熱解決方法。

參考文獻(xiàn)

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[3] 張貴萍，劉非，姚培新，等.一種鋰離子動(dòng)力電池成組組裝方法及鋰離子動(dòng)力電池包：中國(guó)201510038559.8[P].2015-01-26.