一款軟包電池模組開發(fā)與應(yīng)用

魯恒飛，徐興無，凌生斌，申永寬

（合肥國軒高科動力能源有限公司，安徽 合肥 230066）

隨著電動汽車技術(shù)的發(fā)展，尤其是車載儲能系統(tǒng)的發(fā)展，對先進(jìn)電池的需求也日益提高，電池系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化將成為一種趨勢[1]。受到續(xù)駛里程的要求，電動汽車特別是電動乘用車對電池系統(tǒng)的能量密度要求較高?，F(xiàn)有的乘用車電池系統(tǒng)大多能量密度在120～180 Wh/kg之間，2019年電池能量密度平均值是145.87 Wh/kg[2]，電動乘用車電池系統(tǒng)仍然以三元電池系統(tǒng)為主，高于160 Wh/kg的電池系統(tǒng)基本為三元電池的天下。

但近來由于補貼的退坡和磷酸鐵鋰電池高安全和低成本的屬性，搭載磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)的乘用車也愈來愈多。但是，磷酸鐵鋰電池能量密度相比三元電池偏低，磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)相比于三元電池系統(tǒng)普遍能量密度偏低，這也成為限制磷酸鐵鋰電池在乘用車上應(yīng)用的主要瓶頸[3]。

由于電池系統(tǒng)能量密度=電池模組能量密度×電池模組在電池系統(tǒng)中的比重，因此提高電池系統(tǒng)的能量密度需要盡可能多地利用電池包內(nèi)的空間，特別是充分利用電池包的高度尺寸。分析國內(nèi)主流整車廠開發(fā)的電池包的包絡(luò)，發(fā)現(xiàn)電池包的包絡(luò)高度尺寸一般均在130～150 mm，考慮到電池模組底部熱管理及安裝公差等尺寸要求，提出了電池模組高度加高到120 mm的加高模組方案，以盡可能多地利用電池包內(nèi)部空間。如何提高磷酸鐵鋰電池模組的能量密度？由于電池模組能量密度=電芯能量密度×電池模組成組效率，軟包電芯相比于硬殼電芯具有更高的能量密度，而且軟包電池模組成組效率現(xiàn)階段主要在80%～85%，可以有較大的提高空間。

軟包電池模組作為軟包電芯成組的最小能量輸出單元，需要滿足整車電池系統(tǒng)的能量和容量要求，同時結(jié)構(gòu)形式和尺寸需要滿足電池系統(tǒng)的安裝固定要求，不能超出電池包的高度范圍。

本文通過對軟包電池模組長度、寬度和高度三個方向進(jìn)行全尺寸鏈的分析和體積利用率的分析和計算，結(jié)合整車電池包包絡(luò)尺寸，得出最大的軟包電芯長度、寬度和厚度尺寸。同時，以力學(xué)性能仿真結(jié)果為佐證，在不犧牲電池模組的結(jié)構(gòu)強度和可靠性能、安全性能的基礎(chǔ)上，通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計、零部件減重設(shè)計，在整體的輕量化設(shè)計和零部件裝配固定優(yōu)化的基礎(chǔ)上達(dá)到增加電池容量的效果。在磷酸鐵鋰軟包單體電芯能量密度200 Wh/kg的前提下軟包電池模組能量密度達(dá)到181 Wh/kg，最終實現(xiàn)了電池系統(tǒng)能量密度160 Wh/kg 這個目標(biāo)。

1 軟包電池模組空間及尺寸分析

1.1 390軟包電池模組加高可行性分析

行業(yè)內(nèi)正常標(biāo)準(zhǔn)的390 電池模組的尺寸為390 mm×152 mm×108 mm(長×寬×高)。一般國內(nèi)乘用車電池包的包絡(luò)空間的高度普遍在130～150 mm，那么電池模組的高度定在108 mm是考慮了電池箱體和箱蓋的高度和電池模組底部熱管理組件如PTC加熱板、液冷板的厚度，以及盡可能滿足所有電池系統(tǒng)包絡(luò)的通用性。近些年來，隨著技術(shù)的迭代和進(jìn)步，電池箱體和箱蓋的厚度相比于以前均有變薄，如電池箱蓋厚度可由之前的2～5 mm 減薄為1～3 mm；主流的鋁合金電池箱體厚度也由8～12 mm降到3～5 mm，液冷系統(tǒng)的厚度由最早10～12 mm降低到現(xiàn)在的5～7 mm甚至更薄，因此，完全有可能將電池模組的高度加高以提高電池包內(nèi)部空間的使用率。以一款總高度為135 mm的電池包為例，高度方向尺寸分析如表1所列。

表1 電池包絡(luò)空間與搭載電池模組高度分析Table 1 Analysis of battery box internal space and battery module height

可見，根據(jù)公式

現(xiàn)階段選定模組高度為120 mm可以滿足絕大多數(shù)電池系統(tǒng)開發(fā)要求。

1.2 加高390軟包電池模組空間利用率分析

設(shè)計出的加高390 軟包電池模組三維視圖如圖1 所示。該模組主要由模組外框001、模組兩端的模組端板002、12 只軟包電芯組成的電池總成003和模組上蓋板004等組成[4]。

圖1 加高390軟包電池模組三維視圖Fig.1 3D view of heightened 390 LFP pouch cell module

其橫向剖切視圖如圖2所示。

圖2 加高390軟包電池模組橫截面示意圖Fig.2 Section view of heightened 390 LFP pouch cell module

現(xiàn)有普通標(biāo)準(zhǔn)390軟包電池模組使用的軟包電芯尺寸為：354 mm×102 mm×11.8 mm，其中電芯本體尺寸為314 mm×102 mm×11.8 mm，不考慮電池模組內(nèi)部由空間優(yōu)化導(dǎo)致的電芯尺寸調(diào)整，僅考慮由于模組高度增加電芯本體高度相應(yīng)增加到115 mm，通過模組體積利用率計算方法

僅考慮加高影響，加高390軟包電池模組相比標(biāo)準(zhǔn)普通390 軟包電池模組，體積利用率提高2.4%。

2 加高390軟包電池模組尺寸鏈分析

由式(2)可知，除了通過增加模組高度增加電芯寬度的方式增加模組體積利用率以外，在模組尺寸不再變動的前提下可以通過盡量增加電芯的體積來提高軟包模組的體積利用率。

增加電芯的體積可以通過對電池模組長度、寬度和高度三個方向進(jìn)行尺寸鏈分析來分析電池模組長度、寬度和高度的空間，以期做到優(yōu)化空間尺寸增大電芯長度、寬度和厚度尺寸的目的。

2.1 加高390軟包電池模組長度方向尺寸鏈分析

影響軟包電池模組長度方向尺寸布置的因素主要有模組安裝孔和正、負(fù)極引出口，加高390軟包電池模長度方向尺寸分布示意圖如圖3所示。

圖3 加高390軟包電池模組長度尺寸分布示意圖Fig.3 Length size distribution of heightened 390 LFP pouch cell module

其中A0為電芯長度尺寸，A1為模組內(nèi)支撐銅排的電氣壓板的厚度，A2 為銅排厚度，A3 為模組固定孔直徑加兩邊端板壁厚尺寸，模組長度方向尺寸公式為

表2為該軟包電池模組相關(guān)組成部分尺寸及公差數(shù)據(jù)。

表2 390加高軟包電池模組長度相關(guān)尺寸分析Table 2 Analysis of related length dimensions of heightened 390 LFP pouch cell module

安裝的預(yù)留間隙按照單邊0.5 mm 設(shè)定，則電芯可以做到的長度為

2.2 加高390軟包電池模組寬度方向尺寸鏈分析

模組寬度尺寸，是基于軟包電芯的生命周期末期膨脹后的厚度加壓縮后泡棉等緩沖材料的厚度之和與初期電芯厚度加緩沖材料厚度之和相等的公式算得的

其中，T外框為兩邊外框的厚度即2倍外框厚度，a和b的值也預(yù)先得出，可分別求解出T初始電芯和T初始泡棉，T初始電芯/12，即為單個軟包電芯厚度，經(jīng)過分析，該軟包模組電芯厚度設(shè)為11.8 mm(組裝與壓縮后數(shù)值)。另外，根據(jù)軟包模組給定的寬度公差范圍(-1，1)，通過方程(4-1)和(4-2)計算出軟包電芯組裝后的厚度公差范圍。

2.3 加高390軟包電池模組高度方向尺寸鏈分析

影響軟包電池模組高度方向尺寸布置的因素除軟包電芯本體厚度以外主要有上、下蓋板厚度、軟包電芯底部膠層厚度、軟包電芯上方信號采集裝置厚度等，加高390軟包電池模長度方向尺寸分布示意圖如圖4所示。

圖4 加高390軟包電池模組高度尺寸分布示意圖Fig.4 Height size distribution of heightened 390 LFP pouch cell module

尺寸鏈各個組成部分對應(yīng)參數(shù)及數(shù)值如表3所列：

表3 390加高軟包電池模組高度相關(guān)尺寸分析Table 3 Analysis of related height dimensions of heightened 390 LFP pouch cell module

模組高度方向尺寸為

通過尺寸計算，滿足模組高度尺寸要求的電芯寬度尺寸為(116±0.3)mm。

3 加寬電芯容量提升分析

通過對加高390 軟包電池模組的尺寸鏈分析，得出加寬軟包電芯的尺寸為：357 mm×116 mm×11.8 mm。進(jìn)一步地，還可以在電芯端通過優(yōu)化軟包電芯兩端的頂封工藝，減小兩端頂封尺寸，增大電芯本體長度，從而提高電芯容量。優(yōu)化電芯頂封工藝后軟包電芯本體的長度可增加至321 mm。

再根據(jù)式(2)得出經(jīng)過尺寸鏈分析和電芯頂封優(yōu)化以后的加高390軟包電池模組的體積利用率為

考慮加高和尺寸優(yōu)化等因素，加高390軟包電池模組相比標(biāo)準(zhǔn)普通390軟包電池模組，體積利用率提高4.7%。

加寬電芯與標(biāo)準(zhǔn)電芯尺寸容量對比如表4所示：

表4 加寬電芯與標(biāo)準(zhǔn)電芯尺寸、容量對比Table 4 Comparison of size and capacity between widened cell and standard cell

如果電芯能量密度維持不變，相比于標(biāo)準(zhǔn)寬度電芯52 Ah 的電量，加寬電芯的電量可達(dá)到60 Ah以上，容量提升15.4%。

4 基于輕量化設(shè)計的軟包電池模組CAE仿真分析與實驗驗證

4.1 加高390軟包電池模組CAE仿真分析介紹

有限元軟件已經(jīng)成為了工程研究的重要工具，它具有豐富的計算和模擬分析功能，針對復(fù)雜的應(yīng)用工況，都會得到準(zhǔn)確且極具參考價值的結(jié)果[5]。

按照輕量化設(shè)計思路，將電池模組的上蓋和外框厚度在1～2 mm 進(jìn)行排列組合，分別建立完整的加高390 軟包電池模組數(shù)模。通過CAE 有限元仿真軟件對該軟包電池模組數(shù)模進(jìn)行材料性能設(shè)定、網(wǎng)格建立等前處理，分析該LFP390 軟包電池模組機(jī)械性能，如模態(tài)、隨機(jī)振動和慣性力等，該電池模組性能分析報告如圖5。

圖5 加高390軟包電池模組性能分析介紹Fig.5 CAE analysis of heightened 390 LFP pouch cell module

模態(tài)結(jié)果：一階模態(tài)為143 Hz(滿足要求)

隨機(jī)振動：X向，〖3σ〗_RMS=15.6MPa，位于側(cè)框折彎角處

Y向，〖3σ〗_RMS=120 MPa，位于側(cè)框折彎角處

Z向，〖3σ〗_RMS=23.1 MPa，位于側(cè)框折彎角處

Y向應(yīng)力較大，實驗時需要重點關(guān)注Y向振動側(cè)框折彎處。

4.2 390軟包電池模組結(jié)構(gòu)強度實驗驗證

按照《GB/T 31467.3—2015 電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)第3部分：安全性要求與測試方法》中7.1 和7.2 中振動和機(jī)械沖擊的測試要求[6]，分別對390 軟包電池模組進(jìn)行振動和機(jī)械沖擊。如圖6為電池模組進(jìn)行振動測試現(xiàn)場圖。

圖6 軟包390電池模組振動測試現(xiàn)場圖Fig.6 Vibration test of heightened 390 LFP pouch cell module

振動實驗完成后，模組的最小監(jiān)控單元無電壓銳變；檢查模組絕緣電阻值>100 Ω/V；檢查模組不爆炸、不起火、不漏液、端側(cè)板不破裂、焊縫無開裂；振動前后容量損失率≤3%初始容量，實驗通過。

在X、Y、Z三個方向按照25 g、15 ms半正弦波沖擊波形進(jìn)行機(jī)械沖擊，Z軸方向沖擊3次，觀察2 h。實驗后軟包電池模組無泄露、外殼破裂、著火或爆炸等現(xiàn)象。試驗后的絕緣電阻值大于100 Ω/V，實驗通過。

5 加高390軟包電池模組在電池系統(tǒng)中的應(yīng)用

該模組在200 Wh/kg 電芯能量密度的前提下，模組能量密度可達(dá)181 Wh/kg，電池模組成組效率=90.5%。另外，該模組具有磷酸鐵鋰電池模組一貫的高安全性以及在模組內(nèi)部設(shè)置防火隔熱功能的緩沖材料等安全設(shè)計，該模組已通過熱失控擴(kuò)展、過充電、過放電、短路等相關(guān)安全類測試。相比于三元電池模組，該款磷酸鐵鋰軟包電池模組應(yīng)用在電池系統(tǒng)中時可相應(yīng)減少為阻隔三元電池系統(tǒng)熱失控所添加的被動防護(hù)材料如氣凝膠墊、滅火器等。搭載鐵鋰電池系統(tǒng)的電池箱體也可設(shè)計得更為簡單和輕量化，從而提高電池系統(tǒng)成組效率，達(dá)到提高電池系統(tǒng)能量密度的目的。下圖是兩款搭載加高390軟包電池模組的電池系統(tǒng)，設(shè)計能量密度均達(dá)到160 Wh/kg。

6 結(jié) 論

本文闡述了一款國軒高科開發(fā)的高能量密度高安全性的軟包電池模組。通過對行業(yè)內(nèi)主流主機(jī)廠采用的電池模組的型號和尺寸進(jìn)行分析和思考，提出了加高390軟包電池模組，并對軟包電池模組的空間利用率和長、寬、高三個方向的尺寸鏈進(jìn)行了充分分析，最大化地增加了模組內(nèi)部軟包電芯的尺寸，從而增大了電芯的容量，在模組整體體積不變的情況下實現(xiàn)了裝載更多電量的目的。

該模組的高安全性一方面是由磷酸鐵鋰材料體系保證，另一方面是通過模組內(nèi)部設(shè)計的如緩沖隔熱材料以及既滿足輕量化設(shè)計要求又通過相關(guān)結(jié)構(gòu)強度仿真和實驗驗證的電池模組結(jié)構(gòu)設(shè)計來保證的。文章介紹了模組CAE 有限分析及振動和擠壓相關(guān)實驗的情況和結(jié)果，安全可靠的模組設(shè)計保證了其在電池系統(tǒng)上的應(yīng)用。

文章的最后總體介紹了加高軟包電池模組的技術(shù)參數(shù)，以及可實現(xiàn)160 Wh/kg能量密度系統(tǒng)的兩種電池系統(tǒng)方案。文中未對磷酸鐵鋰和三元軟包電池系統(tǒng)的成本進(jìn)行分析比對，實際上，因為更簡便的系統(tǒng)設(shè)計、更低廉更少的材料，磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)的成本相比于三元電池系統(tǒng)的成本要低得多，這從行業(yè)內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)大量的磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)代替三元電池系統(tǒng)的案例，如特斯拉、比亞迪等等也可以看得出來。從我們在加高390軟包電池模組上所做的優(yōu)化設(shè)計、輕量化設(shè)計和實現(xiàn)的160 Wh/kg電池系統(tǒng)上也可以體現(xiàn)出該款加高390軟包電池模組具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

圖7 加高軟包390電池模組應(yīng)用示意圖Fig.7 Application in PACK of heightened 390 LFP pouch cell module