汽車電池組構(gòu)成及裝配工藝分析

黃鋒云　莫燕銘　楊琦　韋澤仁　鄭煥

摘 要：隨著社會(huì)的發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注環(huán)境保護(hù)和能源節(jié)約，這就對(duì)汽車行業(yè)電池的質(zhì)量提出了更高的要求。眾所周知，電池是電動(dòng)力汽車的生命線，電池技術(shù)是新能源汽車的核心技術(shù)，可以說(shuō)沒(méi)有電池的發(fā)展就沒(méi)有如今的電動(dòng)力汽車。世界上第一臺(tái)電動(dòng)汽車其實(shí)早就出現(xiàn)了，可正是因?yàn)殡姵丶夹g(shù)的原因才導(dǎo)致了在很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)電動(dòng)汽車發(fā)展的停滯不前。汽車車身搭載的電池主要包括啟動(dòng)電池和動(dòng)力電池，本文主要討論動(dòng)力電池，從汽車電池的種類、構(gòu)成以及裝配等方面做簡(jiǎn)要的分析。

關(guān)鍵詞：蓄電池 燃料電池 電池裝配工藝

1 汽車電池組的構(gòu)成

傳統(tǒng)燃油汽車的主要?jiǎng)恿?lái)源是燃油資源，新型能源汽車的主要?jiǎng)恿?lái)源之一是電池，其主要包括蓄電池和燃料電池兩類。按照新型能源汽車的實(shí)際技術(shù)要求，蓄電池主要有以下這些，其中包括鉛酸電池、鎳基電池、鈉電池、二次鋰電池和空氣體電池等。燃料電池作為燃料電池新能源汽車的專屬裝備，其包括堿性燃料電池（AFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）、磷酸燃料電池（PAFC）和直接甲醇燃料電池（DMFC）等。

1.1 汽車用蓄電池的構(gòu)成

蓄電池主要應(yīng)用于純電動(dòng)汽車，在純電動(dòng)汽車?yán)镄铍姵厥球?qū)動(dòng)汽車的僅有的動(dòng)力來(lái)源。蓄電池作為一種化學(xué)電源，它的工作的原理是充電的時(shí)候是將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)，而等到放電時(shí)候是將化學(xué)能又轉(zhuǎn)化為電能供用電設(shè)備使用，并且可以反復(fù)使用。一般蓄電池的結(jié)構(gòu)主要由正負(fù)極板、隔板、槽殼、電解液、連接條和極樁等組成（如圖1所示）。

極板分為正極板和負(fù)極板兩種，兩種極板都是由相應(yīng)的活性物質(zhì)和柵架組成的，組成正極板的是呈現(xiàn)深棕色的二氧化鉛（PbO2），構(gòu)成負(fù)極板的是呈現(xiàn)深灰色的海綿狀純鉛（Pb）。一片正極板和一片負(fù)極板浸入電解液中可以形成大約2.1V的電勢(shì)，將多個(gè)正極板負(fù)極板并聯(lián)之后焊接成正極板組和負(fù)極板組，然后將正極板和負(fù)極板互相嵌合的安裝起來(lái)，將隔板插入中間后再裝入蓄電池格內(nèi)，就形成了所說(shuō)的單格電池。如果是將6個(gè)單格電池串聯(lián)也就構(gòu)成了汽車常用的12.6V的蓄電池，也就是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的12V的蓄電池。隔板的作用是使左右正極板負(fù)極板絕緣，它是一塊絕緣板，但是隔板上設(shè)計(jì)有許多小孔，可以使得電解液順暢流通。電解液是使用純硫酸和蒸餾水按照一定的比例配置而成的溶液，每個(gè)單格電池中都加有一定的電解液，電解液工作的原理是它可以使得每塊極板上的活性物質(zhì)發(fā)生溶解和電離現(xiàn)象，繼而產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)。電解液和正負(fù)極板組都安裝在殼體內(nèi)，蓄電池的殼體一般都是設(shè)計(jì)成整體性結(jié)構(gòu)，殼體上一般都有連條、極柱和加液孔蓋。每個(gè)單體電池都帶有一個(gè)加液孔，都是用來(lái)加注電解液或檢測(cè)電解液密度的，孔蓋上方還設(shè)計(jì)有通氣孔，便于蓄電池內(nèi)部氣體及時(shí)排出，以防止殼體出現(xiàn)脹裂的危險(xiǎn)。

在蓄電池內(nèi)部，當(dāng)極板浸入到電解液以后，正負(fù)極板上面的活性物質(zhì)會(huì)和電解液產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，形成一定的電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)蓄電池被接入到電路以后，會(huì)根據(jù)情況完成一定的充電或放電過(guò)程。當(dāng)蓄電池接通用電設(shè)備的時(shí)候，蓄電池就會(huì)對(duì)外釋放電能，這個(gè)過(guò)程中，正負(fù)極板上面的活性物質(zhì)和電解液發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)會(huì)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能釋放出去，電解液內(nèi)部導(dǎo)電是依靠?jī)?nèi)部的離子的定向運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。反之，當(dāng)蓄電池被外部供電設(shè)備充電的時(shí)候，是將電能又轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)，可以使蓄電池恢復(fù)到之前的狀態(tài)（如圖2所示）。當(dāng)今出現(xiàn)的一種免維護(hù)蓄電池主要是在極板和柵架的材料方面作出了改進(jìn)，采用了最先進(jìn)的鉛鈣合金或者低銻合金作為極板柵架，改進(jìn)之后使得蓄電池自放電減少了，耐過(guò)度充電性能提高了，還減少了工作過(guò)程中電解液中水分的損耗。

1.2 汽車用燃料電池的構(gòu)成

車用燃料電池一般組成包括陽(yáng)極、陰極、電解質(zhì)和隔膜。燃料是在陽(yáng)極處被氧化，氧化劑在陰極處還原。如果在陽(yáng)極處持續(xù)供給氣態(tài)燃料如氫氣，同時(shí)在陰極處不停供給氧氣或空氣，就會(huì)在電極上發(fā)生電化學(xué)的反應(yīng)，并伴隨有電流的形成（如圖3所示）?？梢园l(fā)現(xiàn)，燃料電池和傳統(tǒng)電池相比是有大不同的，最主要的區(qū)別在于燃料電池所用的材料，這其中包括燃料和氧化劑都是儲(chǔ)存在電池外部的儲(chǔ)罐中而不是在電池內(nèi)部，這和普通電池相比是不同的。在燃料電池工作的時(shí)候，它是在不斷向電池內(nèi)部輸入燃料和氧化劑并不斷將反應(yīng)物排出，這種工作方式和傳統(tǒng)的汽油或柴油發(fā)動(dòng)機(jī)比較相似。因?yàn)槿剂想姵卦诠ぷ鞯臅r(shí)候需要不斷的向電池內(nèi)部輸入燃料和氧化劑，因此燃料電池所用的這些反應(yīng)材料都采用流體材料，也就是液體或者氣體。常用的燃料包括純氫或者富含氫的氣體或液體，比如重整氣和甲醇水溶液，常見(jiàn)的氧化劑有純氧、凈化空氣或某些液體，如過(guò)氧化氫和硝酸的水溶液等。

燃料電池的陽(yáng)極為燃料和電解液提供了公共界面，并催化了燃料的氧化反應(yīng)，同時(shí)也把反應(yīng)中產(chǎn)生的電子傳輸?shù)搅送怆娐?，或者先?jīng)過(guò)集流板后再向外電路傳輸。陰極是為氧和電解液搭建了公共界面的反應(yīng)平臺(tái)，并催化氧的還原反應(yīng)，從外電路向陰極的反應(yīng)部位傳輸電子。燃料電池電極上發(fā)生的反應(yīng)多為多相界面反應(yīng)，目的是要提高反應(yīng)速率，所以燃料電池的電極多采用多孔材料做成，并且上面均涂有電催化劑。電解質(zhì)可以輸送電化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的離子，同時(shí)也能阻擋電極間電子的直接傳播，隔膜也可以起到以上這些作用，同時(shí)隔膜還可以分隔氧化劑和還原劑，所以燃料電池的隔膜大都采用耐濕潤(rùn)和抗電解質(zhì)腐蝕的絕緣類物質(zhì)。

2 汽車電池組的裝配工藝

汽車電池組的裝配有一套行業(yè)的裝配工藝標(biāo)準(zhǔn)，諸如安裝前必須要進(jìn)行檢測(cè)，電池的同極性相連，相關(guān)密閉性的檢查等。此處以汽車電池組裝配主要工序標(biāo)準(zhǔn)和電動(dòng)汽車動(dòng)力電池成組工藝為例，簡(jiǎn)述汽車電池組的主要裝配工序標(biāo)準(zhǔn)和裝配工藝流程。

2.1 汽車電池組裝配主要工序標(biāo)準(zhǔn)

2.1.1 電芯外觀全檢標(biāo)準(zhǔn)

圓柱形電芯外觀需要無(wú)短路，無(wú)氧化生銹，沒(méi)有出現(xiàn)漏貼面墊或者面墊歪斜，還有破膜和膜皺等現(xiàn)象。如果是方形的電芯外觀，需要表面沒(méi)有電解液和毛刺或者其他污漬，也沒(méi)有出現(xiàn)漏液和發(fā)鼓，變形和短路現(xiàn)象。面墊也不能出現(xiàn)歪斜或者起翹現(xiàn)象，復(fù)合鎳帶不能出現(xiàn)氧化還有贓物或者脫焊現(xiàn)象。聚合物的電芯外觀標(biāo)準(zhǔn)是表面沒(méi)有電解液和其他污漬，沒(méi)有漏液、氣脹和變形現(xiàn)象，極耳沒(méi)有斷裂，角位沒(méi)有破損，折邊沒(méi)有分層現(xiàn)象。

2.1.2 電芯貼面墊標(biāo)準(zhǔn)

電芯貼面墊的標(biāo)準(zhǔn)是要求面墊粘貼要牢固，不歪斜，不起翹，不超出電芯端面邊沿，也不能蓋住負(fù)極的鉚釘，也就是鋁殼電芯的正極蓋帽，該設(shè)備串并時(shí)多采用成型的青稞紙或者紅鋼紙粘貼，針對(duì)鋼殼圓柱鐵芯多采用包美紋紙或高溫膠紙。（如圖4所示）

2.1.3 電芯電壓和內(nèi)阻測(cè)試

該項(xiàng)測(cè)試的測(cè)試儀器包括萬(wàn)用表、多功能測(cè)試架、通用電池測(cè)試架、電池內(nèi)阻測(cè)試儀和掃碼機(jī)，測(cè)試連接法是這樣的，電芯的正負(fù)極端分別和測(cè)試架的正極和負(fù)極頂針采用接觸測(cè)試，測(cè)試架的上下頂針?lè)謩e為正極和負(fù)極，鋼殼電芯的蓋帽是正極，電芯的外殼是負(fù)極。鋁殼電芯的鉚釘是負(fù)極，電芯的外殼是正極。

2.1.4 電芯的組合標(biāo)準(zhǔn)

圓柱電池以前多采用滴膠粘連工藝，該工藝多采用并串，用膠水將兩只或以上的電芯粘在一起，現(xiàn)改為免滴膠組合，方法多采用相應(yīng)規(guī)格的點(diǎn)焊夾具固定，然后電池的上下部位采用成型的青稞紙粘連組合在一起。而對(duì)于聚合物電池來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在多采用透明膠先纏繞一周半再進(jìn)行裝配組合。該工序標(biāo)準(zhǔn)要求自檢，要求粘貼環(huán)節(jié)不錯(cuò)位，要牢固，保證電池電芯端平齊，膠水要均勻的滴在電芯之間的縫隙，還要防止電池電極發(fā)生短路，整體保證電池焊接的質(zhì)量。

2.1.5 電池pack工藝

電池的封裝工藝包括卡扣封裝，塑焊封裝，膠框封裝和注塑封裝四種?？垩b配工藝成本高，并且一致性較差，最難以控制的是變形問(wèn)題。相比較來(lái)說(shuō)，超聲波塑焊工藝在前者的幾個(gè)短板方面表現(xiàn)的更好，增強(qiáng)了一致性，并且不容易變形。注塑工藝的一致性也好，無(wú)縫隙，美觀，尺寸小容量高的同時(shí)成本也低。

2.2 汽車電池組成組工藝流程

2.2.1 電芯匹配

此處需要檢查電芯的批號(hào)是否一致，外觀和尺寸是否和需求一致。電芯的電壓和內(nèi)阻需要作出檢查和篩選，不合格品需要暫時(shí)隔離放置。操作人員在作業(yè)的時(shí)候需要佩戴手套等防護(hù)工具，切忌將不同批次電池混合裝配和使用。

2.2.2 電池匯流排焊接

銅排，鎳片檢驗(yàn)好后，放入相應(yīng)的焊接夾具之中，銅排和鎳片的擺放位置要正，不得偏移。然后將焊接夾具放在固定架上面，確認(rèn)激光焊接程序的正確性，相關(guān)焊接參數(shù)一定要在允許的范圍之內(nèi)，最后還需要檢測(cè)焊點(diǎn)的狀態(tài)是否正常，有無(wú)異常狀況。此時(shí)操作人員須佩戴手套和防護(hù)眼鏡，操作人員不得隨意更改焊接參數(shù)。

2.2.3 電池組焊接

將匹配好的電池按照順序依次裝入塑料骨架當(dāng)中，此時(shí)需要檢查電池是否有正負(fù)極裝反了的現(xiàn)象，檢查無(wú)誤后將組裝好的電池組正極朝上裝入電阻焊工裝。接下來(lái)確認(rèn)電阻焊程序正確以及焊接參數(shù)的準(zhǔn)確無(wú)誤，再次檢查電阻焊焊點(diǎn)沒(méi)有異?，F(xiàn)象，此程序一定注意電池正負(fù)極不能裝反，否則會(huì)導(dǎo)致電池出現(xiàn)短路現(xiàn)象。（如圖5所示）

2.2.4 電池模組灌膠

首先把需要灌膠的電池組放入工裝中，然后將混合好了的AB膠灌入模具中，此環(huán)節(jié)要注意AB膠一定要混合均勻，并且要及時(shí)灌入模具，以免時(shí)間久了發(fā)生凝固。

2.2.5 電池組電聯(lián)裝配

將匹配好的電池組按照需要裝入電池箱，按照所需工藝的要求把銅排和線束一起安裝好，同時(shí)安裝BMS以及插頭等部件。此序操作需注意操作人員須佩戴手套并嚴(yán)禁佩戴金屬等導(dǎo)電飾物，電池組以及線束安裝須按照正確順序，不能裝錯(cuò)裝反，相應(yīng)的螺絲須擰緊，到位。

2.2.6 成品電池箱測(cè)試

這里需要進(jìn)行的有BMS測(cè)試，絕緣測(cè)試和充放電測(cè)試。在連接設(shè)備進(jìn)行BMS測(cè)試的時(shí)候要注意采集總電壓、單體電壓和溫度等信息，進(jìn)行測(cè)試的時(shí)候一定要注意線路不能接反，測(cè)試過(guò)程中應(yīng)安排人員值守，一旦發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)立刻停止測(cè)試并報(bào)告上級(jí)主管。

電池裝配工序復(fù)雜，并且關(guān)鍵崗位多，一定要做好抽檢、自檢工作，并且要做好工藝流程記錄。因?yàn)槠囯姵貙俑邏何ｋU(xiǎn)設(shè)備，所以操作人員在工作的時(shí)候要注意防止觸電，避免設(shè)備短路，另外相關(guān)人員要做好消防準(zhǔn)備工作。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，新能源技術(shù)已是未來(lái)發(fā)展的主流趨勢(shì)，而作為電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)心臟，電池技術(shù)是未來(lái)技術(shù)革故鼎新的重中之重。如何從電池的構(gòu)成和裝配工藝入手，著力提高電池的能量密度和續(xù)航能力并同時(shí)降低成本，將是未來(lái)我們所要思索并開(kāi)拓的問(wèn)題。

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