新能源電池PACK制造工藝

摘" 要：本文詳細分析了新能源電池PACK（動力電池模塊）的制造工藝，探討了目前該技術面臨的主要挑戰(zhàn)及優(yōu)化策略。本文首先介紹了電池PACK的基本構成和功能，強調了電池管理系統(tǒng)（BMS）在維持電池性能和安全中的核心作用。接著，探討了電池PACK設計的關鍵要求，包括機械結構的穩(wěn)固性、安全性措施的必要性以及成本控制的重要性。在分析了電池PACK主要的制造流程后，文章指出了制造過程中的技術瓶頸，如電池單體一致性、自動化生產的提升以及BMS的集成問題，并提出了相關的解決策略。最后，預測了未來電池PACK制造技術的發(fā)展方向，特別是在提高生產效率和降低成本方面的潛能。

關鍵詞： 新能源電池PACK；電池管理系統(tǒng)（BMS）；制造工藝優(yōu)化；自動化生產

新能源電池作為現(xiàn)代交通和能源儲存系統(tǒng)的核心組成部分，隨著全球能源轉型的加速，已成為實現(xiàn)低碳目標的關鍵技術之一。電池PACK的制造工藝直接影響到電池的性能、安全性以及生產效率，因此，優(yōu)化電池PACK的制造工藝對于提升電池的整體質量和降低生產成本具有重要意義[1]。在新能源汽車和儲能系統(tǒng)的廣泛應用背景下，電池PACK的制造不僅需要滿足嚴格的設計標準，還需應對日益復雜的技術挑戰(zhàn)。如何在保證電池性能的前提下，提升生產效率、降低成本，同時確保產品質量，是目前電池行業(yè)面臨的主要問題。

本文旨在分析新能源電池PACK的制造工藝及其優(yōu)化路徑，探討當前技術瓶頸，并提出有效的改進策略。通過對電池PACK制造過程中關鍵環(huán)節(jié)的分析，研究其面臨的挑戰(zhàn)，并結合實際生產中的經驗，提出提升制造效率和質量控制的技術路線。此研究不僅有助于推動新能源電池PACK制造工藝的技術進步，也為相關企業(yè)在技術創(chuàng)新和生產管理方面提供理論支持。

1.新能源電池PACK的制造工藝

1.1 電池PACK的構成及功能

如圖1所示，從底部開始，電池單元是PACK的基礎，它們被組裝成多個電池模塊，每個模塊由若干電池單元并聯(lián)或串聯(lián)形成，以提供所需的電壓和容量。電池模塊之上是連接硬件和保護層，這些是為了確保電池單元之間的電氣連接穩(wěn)定并保護電池免受物理損害。在電池模塊頂部，覆蓋著電池管理系統(tǒng)（BMS）板，這是電池PACK的“大腦”，負責監(jiān)控電池的充電狀態(tài)、電壓、溫度等關鍵參數(shù)，并進行實時調整，以優(yōu)化性能并確保安全[2]。BMS還負責與車輛的其他系統(tǒng)進行通訊，如充電系統(tǒng)和驅動控制系統(tǒng)，確保電池PACK與整車系統(tǒng)的協(xié)同工作。圖中還顯示了散熱板的位置，它位于電池模塊和電池管理系統(tǒng)之間，主要功能是散發(fā)電池在運行中產生的熱量，保持電池在安全溫度范圍內運行，從而延長電池壽命并保持電池效率[3]。

1.2 電池PACK的設計要求與標準

在設計新能源電池PACK時，需要滿足一系列細致的設計要求與標準，以確保其性能、可靠性和安全性符合電動車輛的嚴格要求，這些設計要求涉及機械結構、安全性、維護性和成本效率四個方面。

（1）機械要求

電池PACK的外殼不僅需要結構完整，同時要能承受一定的碰撞力，還要有足夠的環(huán)境保護等級以防止塵土、水分、腐蝕和道路碎片的侵入。電池及其終端必須與其他導電部件電氣隔離，防止短路并確保安全[4]。

（2）安全要求

電池PACK的設計必須考慮到極端情況下的安全性，包括短路、過充、穿刺等，以防止鋰離子電池的熱失控。此外，還需要考慮壓力管理和泄漏保護，能安全地處理電池通氣時可能出現(xiàn)的超壓情況。

（3）維護要求

設計時應考慮電池PACK的可維護性，比如更換內部組件的便捷性，這包括促進回收利用和探索二次應用的可能性。

（4）成本要求

考慮到鋰離子電池的高成本，其他所有組件都需要在不犧牲安全性或耐用性的情況下進行成本優(yōu)化，這涉及到對單個組件、工具和開發(fā)進行詳細的成本分析，以確定各種組件的制造方法。

1.3 電池PACK的主要制造工藝流程

1.3.1 電池單體的選擇與預處理

在電池PACK的制造中，電池單體的選擇與預處理是保證最終產品質量的基礎步驟。電池單體必須根據(jù)其化學成分、能量密度、充電周期壽命以及其他電氣特性進行精選。挑選過程中通常會進行多輪測試，包括容量測試、內阻測試以及短路測試，確保每個單體的性能達到制造標準。預處理步驟包括電池的格式化，即進行初次充放電循環(huán)以穩(wěn)定電池性能[5]。此外，還要進行溫度條件下的老化測試，通過在模擬實際使用條件下對電池進行預充電和放電，篩選出可能存在的缺陷單體，確保電池單體的質量和一致性。

1.3.2 電池模塊的組裝工藝

電池模塊的組裝是一個精細和技術要求極高的過程，如圖2所示，每個電池單體必須精確放置并固定在預定位置，以確保在電池模塊中的一致性和整體穩(wěn)定性。組裝過程中采用的主要技術包括機械固定和電氣連接技術。在機械組裝階段，電池單體被安裝在具有嚴格尺寸要求的電池托盤或框架中。每個電池單體的尺寸和放置間距都有明確規(guī)定，例如，單體直徑1.2mm，長度131mm，這確保了在整個電池模塊中單體能均勻分布，有助于電池的熱管理和減少熱點產生的風險。固定方式通常采用非導電的緊固件，以防止電氣短路并提供額外的物理保護。電氣連接是組裝工藝中的另一關鍵步驟，電池單體之間通過高導電性材料的連接條進行連接，這些連接條不僅需要有良好的電氣性能，同時也要具有一定的機械強度，以承受日常使用中的振動和沖擊。此外，連接點經常涉及焊接或使用導電膠，以確保連接的穩(wěn)定性和長期的可靠性。最后，電池模塊的每個連接點都會進行電氣測試，確保所有連接都是安全和有效的，且沒有短路或開路的風險。整個組裝過程還需要在靜電控制的環(huán)境中進行，以防止靜電損傷敏感的電池組件。

1.3.3 電池PACK的系統(tǒng)集成與測試

電池PACK的系統(tǒng)集成與測試是產品制造的最后階段，直接關系到電池PACK的安全和性能。系統(tǒng)集成首先是將多個電池模塊與電池管理系統(tǒng)（BMS）、連接器、保護系統(tǒng)和其他控制硬件組裝在一起，形成完整的電池PACK。之后進行的測試包括但不限于電氣性能測試，檢查電壓、電流、內阻等是否符合規(guī)格；安全測試，包括過充、過放和短路保護功能測試；環(huán)境測試，確保電池PACK在高低溫、高濕和振動等環(huán)境條件下仍能穩(wěn)定工作。這些測試確保了電池PACK在交付使用前的可靠性和安全性。

2.電池PACK制造工藝的優(yōu)化與挑戰(zhàn)

2.1 電池PACK生產中的質量控制方法

質量控制從電池單體的篩選開始，每個電池單體都必須經過多輪的性能測試（包括容量、電壓、內阻等）來確保其符合制造規(guī)范。利用自動化測試設備，如電池測試儀，可以在高通量條件下準確快速地篩選電池單體，大幅提高初期質量控制的效率。電池模塊組裝完成后，需要進行結構完整性測試和電氣安全測試，包括但不限于短路測試、過充過放測試和絕緣阻抗測試。這些測試確保了電池模塊在極端條件下的穩(wěn)定性和安全性。此外，還需進行環(huán)境適應性測試，如溫濕度循環(huán)、振動和跌落測試，模擬電池在實際使用中可能遇到的各種情況，確保電池PACK能在各種環(huán)境下可靠工作。在整個生產過程中，實時數(shù)據(jù)監(jiān)控和統(tǒng)計過程控制（SPC）技術也非常關鍵，通過監(jiān)控生產線上的關鍵數(shù)據(jù)點，可以及時調整生產參數(shù)，預防質量問題的發(fā)生。此外，采用先進的圖像識別和機器學習技術，可以從生產線上收集到的數(shù)據(jù)中自動識別潛在的缺陷和問題，從而進一步提升質量控制的智能化和自動化水平。

2.2 提高生產效率的技術與設備

提高電池PACK生產效率的關鍵在于整合最新的自動化和信息化技術。自動化裝配線通過機器人和自動化機械臂實現(xiàn)電池單體的裝載、模塊的組裝和PACK的最終集成，顯著提高了生產速度和一致性。例如，使用多軸機器人可以在減少人工操作的同時，通過其精確的重復定位能力，確保裝配精度和產品質量。信息化技術，特別是基于物聯(lián)網(wǎng)的智能制造系統(tǒng)，在提高生產效率方面也扮演著重要角色，通過在生產設備中嵌入傳感器，可以實時收集生產數(shù)據(jù)，如設備狀態(tài)、環(huán)境條件和生產過程參數(shù)，這些數(shù)據(jù)經過分析后，可以用來優(yōu)化生產流程、預測設備維護需求以及調整生產計劃。此外，模塊化設計理念也對提高生產效率有顯著影響，通過標準化電池模塊和接口設計，可以實現(xiàn)電池PACK的快速組裝和便捷維護，同時降低了設計和制造的復雜性。

3.結束語

本文深入探討了新能源電池PACK的制造工藝，揭示了其制造過程中的關鍵技術瓶頸、質量控制方法及提高生產效率的策略。通過對電池PACK的構成、設計要求和主要制造流程進行分析，不僅闡明了電池單體的精選與預處理的重要性，還突出了電池模塊的精密組裝工藝和系統(tǒng)集成的復雜性。展望未來，隨著技術的不斷進步和創(chuàng)新，新能源電池PACK的制造工藝有望實現(xiàn)更高的生產效率和更低的成本，從而更好地服務能源轉型。

參考文獻：

[1]陽如坤。電池制造的八大特征及制造水平的八大指標[J]. 汽車工藝師， 2022 （10）： 12-15.

[2]張洪明、張卓。鋰電池工程設計探討與思考[J]. 機械與電子控制工程， 2023， 5（3）： 197-199.

[3]黃持偉、陽如坤、劉阿密。鋰電池智能制造裝備標準體系研究[J]. 中國標準化， 2021.

[4]張思仁。鋰電池芯及PACK的一些常見問題[J]. 電氣工程應用， 2019 （1）： 27-30.

[5]寧水根、張慶永、黃經元等。電動汽車電池系統(tǒng)安全設計與制造的思考[J]. 電源技術， 2019， 43（5）： 896-899.