軟包動力電池模組焊前絕緣檢測

王剛

（上汽通用汽車有限公司 動力總成制造工程部，上海 201206）

0 引言

動力電池是新能源汽車動力能量的來源，在正常使用情況下必須要確保動力電池能將自身的能源安全地傳輸給新能源汽車。因此，在動力電池設(shè)計和制造過程中，需要圍繞電池的化學(xué)安全、電氣安全、機(jī)械安全和功能安全等，對電池包內(nèi)部組件構(gòu)成和可能發(fā)生的安全風(fēng)險制定相應(yīng)的安全控制措施[1]。

電池的電氣絕緣狀態(tài)是動力電池電氣安全的重要指標(biāo)之一。作為新能源車輛的重要組成部分，動力電池系統(tǒng)用來給一個車載高壓電氣系統(tǒng)提供電能的吸收、存儲和供應(yīng)，并且可以通過車載充電機(jī)或者連接到電網(wǎng)或發(fā)電機(jī)的專門充電裝置進(jìn)行充電。對于一個具有幾百伏電壓平臺的帶電體，如果動力電池一旦出現(xiàn)電氣絕緣失效，將可能引發(fā)電池電氣短路故障，進(jìn)而使得電池內(nèi)部的化學(xué)能被快速釋放，所產(chǎn)生的大電流將導(dǎo)致電池本體損壞，更為嚴(yán)重時會使電池出現(xiàn)熱失控造成車輛自燃，甚至可能發(fā)生人員觸電事故。因此，對于動力電池的絕緣狀態(tài)檢測和監(jiān)測是極其重要和必要的。

動力電池的電氣絕緣，一般是通過部件表面固態(tài)絕緣及部件之間滿足電氣間隙和爬電距離（根據(jù)IEC 60664-1 2007-04標(biāo)準(zhǔn)）來確立，同時也必須要避免由于部件表面受到污染而導(dǎo)致的電池兩級間導(dǎo)通。如果這些標(biāo)準(zhǔn)和要求落實不到位，就有可能發(fā)生絕緣失效，在電池內(nèi)部構(gòu)成意外回路，最壞情況下會產(chǎn)生危險電流[2]。產(chǎn)生動力電池的電氣絕緣失效原因有多種，而制造過程控制是確保電池絕緣有效的重要環(huán)節(jié)之一。對實際動力電池裝配生產(chǎn)過程中的絕緣失效數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和分析后，發(fā)現(xiàn)盡管生產(chǎn)線上增加了多重清潔度管控措施和多重裝配質(zhì)量狀態(tài)檢測裝置，但是仍出現(xiàn)由小到微米級的微小金屬顆粒所引起的動力電池絕緣失效（如圖1）。在部分失效案例中甚至未能發(fā)現(xiàn)任何的外來異物，但是電池卻發(fā)生了絕緣失效，潛在的原因可能是裝配過程中改變了電池中有效的電氣間隙導(dǎo)致電池對沖擊電壓的耐受能力下降。相對于硬殼電芯，軟包電芯更容易發(fā)生絕緣失效問題。

圖1 電芯絕緣失效原因勘測分析示例

在常見的批量生產(chǎn)動力電池裝配制造線上，對電池的絕緣狀態(tài)檢測常常是作為電池安全測試中的一部分，在電池完成成組焊接后，下線前在最終測試（End Of Line，EOL）中完成絕緣檢測的。眾所周知，焊接工藝是一種不可重復(fù)性拆解的聯(lián)接工藝，即一旦拆解就會引起相關(guān)部件的報廢。依照當(dāng)前的工藝設(shè)計和檢測方法，如果在EOL中發(fā)現(xiàn)電池存在絕緣失效問題，那么對動力電池的返工就會引起大量的拆裝操作和零部件報廢，給生產(chǎn)運(yùn)行成本控制、運(yùn)行效率提升、產(chǎn)品質(zhì)量保證和操作安全保障形成巨大壓力。

因此，需要考慮在量產(chǎn)裝配生產(chǎn)過程中引入一個新的電池絕緣狀態(tài)檢測工藝，以降低生產(chǎn)運(yùn)行成本，提高對動力電池裝配過程質(zhì)量和產(chǎn)品安全風(fēng)險的控制。

1 動力電池模組焊前絕緣檢測裝置

1.1 動力電池裝配的基本工藝

對于一個動力電池，通常的裝配工藝可以分為電芯堆垛成組、模組裝配和電池包裝配等三大基本工序。電芯是動力電池中最基本的帶電體。將多個電芯（數(shù)量可以從幾十到幾百不等）依照一定規(guī)律和順序裝配成組，通過焊接或其他連接方式，將電芯正負(fù)極連接起來，形成一個模塊化的串并聯(lián)電路結(jié)構(gòu)，即電池模組。將多個電池模組串聯(lián)在一起，并配以電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)部件、電池控制管理模塊等，最終裝配成滿足新能源汽車性能設(shè)計要求的電池包成品。對于目前比較熱門的CTP電池包（Cell To Pack），是將電芯成組后直接裝配到電池包內(nèi)，減少甚至取消模組級別的結(jié)構(gòu)件，從而在有限的空間內(nèi)盡可能地增加單個電池包內(nèi)的電芯數(shù)量，最大化地提升電池包的能量密度。電池成包方式在概念上有所差別，但是基本電池裝配工藝還是相似的。

1.2 動力電池裝配過程中的絕緣失效

通過對電池裝配工藝的介紹發(fā)現(xiàn)，如果在電池裝配制造過程中出現(xiàn)電池絕緣失效，主要應(yīng)當(dāng)集中在電芯堆垛成組過程。這是因為在這一過程中，如果零部件來料表面附著有金屬雜質(zhì)或生產(chǎn)線設(shè)備及環(huán)境中的金屬雜質(zhì)飄落到電芯表面，在電芯成組時金屬雜質(zhì)受模組壓緊力作用很有可能刺破電芯表面的絕緣保護(hù)層，導(dǎo)致電芯內(nèi)部與外部金屬結(jié)構(gòu)件接觸。另外，由于零件存在尺寸公差和材質(zhì)上的差異性，使得作用在每片電芯和電芯之間的結(jié)構(gòu)件上的模組壓緊力不盡一致，從而可能導(dǎo)致部分電芯的裝配間隙不滿足有效電氣間隙的設(shè)計要求（如表1）。

表1 電芯絕緣失效原因分析

因此，除了在相關(guān)工藝過程中增設(shè)必要的清潔設(shè)備，降低因異物引起電池絕緣失效的頻次外，在模組焊接工藝之前增加一道絕緣檢測工藝，將有助于將絕緣失效提前遏制在電池高電壓回路形成之前，降低后續(xù)裝配安全風(fēng)險，同時也可以將失效返工精確到電芯級別，避免因焊接后所造成的不可拆卸而導(dǎo)致的大量關(guān)聯(lián)物料報廢，降低制造成本。

1.3 動力電池模組焊前絕緣檢測裝置

1.3.1 檢測裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計

絕緣檢測機(jī)構(gòu)的主要目的是通過機(jī)械方式將模組中電芯的正負(fù)極連接在一起，其連接效果要能等效于焊接，同時這種連接又具備可拆卸、可重復(fù)的特性。

以軟包電芯為例，對比焊接前后電芯正負(fù)極極耳狀態(tài)（如圖2），可以采取夾持機(jī)構(gòu)，在電芯成組后在既定焊接區(qū)域范圍內(nèi)將彼此松散的電芯極耳夾持，實現(xiàn)電芯極耳之間電流的有效導(dǎo)通。

圖2 電芯成組狀態(tài)

夾持機(jī)構(gòu)的原理圖如圖3所示?？紤]到電芯極耳折彎后的位置和姿態(tài)隨機(jī)性較大，利用氣缸的直線運(yùn)動推動楔形塊做往復(fù)運(yùn)動，夾持片在楔形塊和扭簧的作用下實現(xiàn)“自對中”的夾緊和放松。將多個楔形塊連接起來，即可實現(xiàn)單個氣缸對多個夾持機(jī)構(gòu)的同步控制。

圖3 電芯極耳夾持機(jī)構(gòu)示意圖

為確保夾持的有效性，在夾持機(jī)構(gòu)末端采用鈹銅材料與電芯極耳進(jìn)行接觸。利用鈹銅的耐磨性，提高夾持點的使用壽命，減少機(jī)構(gòu)對電芯極耳的損傷；利用鈹銅的彈性，提高最終夾持的可靠性，提升楔形夾持機(jī)構(gòu)的最終夾持質(zhì)量；利用鈹銅的高導(dǎo)電性，可以在夾持完成后對夾持兩端的電阻值進(jìn)行測量，從而判斷夾持狀態(tài)是否存在“空夾”、“少夾”、“虛夾”等異常情況（如圖4），提升后續(xù)絕緣檢測結(jié)果的可靠性。經(jīng)過開發(fā)驗證，該套夾緊機(jī)構(gòu)單點夾緊力為58.8 N，可實現(xiàn)重復(fù)壽命30 000次。

圖4 夾持缺陷狀態(tài)示意圖

1.3.2 檢測裝置的測量方法

衡量系統(tǒng)絕緣能力強(qiáng)弱或絕緣性能好壞的物理量一般為絕緣電阻。常見的測量方式表現(xiàn)為帶電器件與殼體、大地等參考平臺之間的電阻值。阻值越大，絕緣狀態(tài)越好。參照GB 18384-2020標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于“對含有B級電壓電源的電路的絕緣電阻測量方法”[3]，開發(fā)電池模組的絕緣檢測方法。一般步驟為：

1）夾持機(jī)構(gòu)夾緊電池模組上的電芯極耳，使得電池模組形成電回路。

2）以電池模組金屬外表殼體作為參考平臺。用相同的兩個電壓計同時測量電池模組正負(fù)極端子和電平臺之間的電壓為U1和U2，如圖5（a）所示。

3）添加一個阻值為1 MΩ的電阻R0，并聯(lián)到電極端子和電平臺之間，如圖5（b）所示。重復(fù)步驟2），獲得電壓U1′和U2′。

圖5 電池模組絕緣檢測方法示意圖

4）建立方程組：

式中，r為電壓計內(nèi)阻。

通過解方程組，可以獲得電池模組正極端子相對于電平臺的絕緣電阻R1和負(fù)極端子相對于電平臺的絕緣電阻R2。

根據(jù)GB 18384-2020標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)要求，在最大工作電壓下，直流電路絕緣電阻應(yīng)不小于100 Ω/V[3]。為了確保模組在裝配成電池包后絕緣狀態(tài)依然滿足要求，這里可以按照整個電池包最大工作電壓來測算所需的最小允許絕緣電阻值（如果電池包設(shè)計上有特定說明，則以設(shè)計要求的絕緣電阻值為優(yōu)先），并以此作為限值，對測量值R1和R2進(jìn)行評價和判斷，以確認(rèn)電芯成組后的模組絕緣狀態(tài)。

1.3.3 檢測裝置的驗證方法

由于該檢測裝置包含了定位、夾持、測量和判斷等一整套內(nèi)容，因此對于檢測裝置的驗證，需要將裝置的全部內(nèi)容作為一個整體進(jìn)行功能和性能的驗證，而不是只驗證測量單元。任何一個部分出現(xiàn)一絲誤差，都有可能對最終檢測結(jié)果產(chǎn)生不可接受的偏差。一般的系統(tǒng)驗證步驟如圖6所示。

圖6 檢測系統(tǒng)驗證流程簡圖

功能性檢查，主要檢查兩部分內(nèi)容：1）系統(tǒng)靜態(tài)下的機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣配置、安全配置及相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的符合性；2）系統(tǒng)動態(tài)下的機(jī)械運(yùn)動，包括裝夾、輸送、到位信號、控制邏輯及一個標(biāo)準(zhǔn)工作循環(huán)內(nèi)的運(yùn)動節(jié)拍等內(nèi)容。

重復(fù)精度檢查主要檢查測量系統(tǒng)自身狀態(tài)的穩(wěn)定性，即同一個樣件的同一特征由同一個人使用同一個測量系統(tǒng)進(jìn)行多次重復(fù)測量時發(fā)生偏差的總和，以識別測量系統(tǒng)本身的偏差量。通常Cgk不小于1.33，為可接受范圍。

重復(fù)性/再現(xiàn)性檢查主要檢查測量系統(tǒng)在實際工況循環(huán)中的系統(tǒng)狀態(tài)穩(wěn)定性，即多個同類樣品的同一特性由不同的人使用同一個測量系統(tǒng)進(jìn)行多次重復(fù)測量時發(fā)生偏差的總和，以識別不同的樣件和不同的操作人員對系統(tǒng)測量偏差的影響。通常GR&R小于20%（產(chǎn)品公差的20%）為可接受范圍。

該套系統(tǒng)已經(jīng)投入實際生產(chǎn)應(yīng)用（如圖7），實現(xiàn)了對電池絕緣失效的及早遏制，因絕緣失效而導(dǎo)致的零件報廢成本下降90%。

圖7 模組焊前絕緣檢測系統(tǒng)

2 結(jié)語

電氣絕緣安全是動力電池電氣系統(tǒng)安全的重要內(nèi)容之一，必須要從產(chǎn)品設(shè)計、零部件制造、電池裝配、整車應(yīng)用等全過程各個環(huán)節(jié)加以控制和監(jiān)測。本文研究開發(fā)的動力電池模組焊前絕緣檢測，是在現(xiàn)有電池裝配測試過程中，新增一個檢測工藝環(huán)節(jié)，在模組焊接之前進(jìn)行模組絕緣狀態(tài)的篩查，做到“盡早發(fā)現(xiàn)、盡快返工、盡少報廢”，從而為后續(xù)動力電池的裝配過程安全和最終產(chǎn)品質(zhì)量提供有力保障。