鉅大LARGE | 點擊量：1375次 | 2018年07月18日
新能源汽車的發展階段和圓柱電芯模組結構及工藝流程
電動汽車產品要走入千家萬戶，在運營市場和個人市場占據非常重要的地位，必然要在續航里程、環境適應性、使用壽命、購置成本等方面能夠追趕甚至超越傳統的燃油車，這也給電池包的技術發展帶來了更高的挑戰。
1.我國新能源汽車的發展階段
我國新能源汽車的發展階段，從2009年開始算起，到2020年，可以大致劃分為4個階段：
第一個階段：2009年~2013年。這個階段，是技術、產品、用戶、市場的積累期，這個階段的特點是核心技術、產品形態、用戶使用習慣等基本上都是空白，到底該怎么搞，大家都不知道。但是有一點是毋庸置疑的，就是一定要發展節能與新能源汽車這個產業，這涉及我國能源安全，事關我國汽車產業能否做強，也是我國制造業轉型升級的必由之路。
第二個階段：2014年~2015年。經過第一個階段的探索，核心技術有了一定的突破，產品形態呈現多種多樣的局面，用戶也慢慢的接受了新能源汽車這個新鮮事物，最重要的是，由于中央財政補貼和地方財政補貼的雙重刺激，吸引了眾多的企業和資本進入了這個產業，從而造成了2014年和2015年的井噴式發展。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
第三個階段：2016年~2017年（進行中）。我們把這個階段叫做窗口期，或者搖擺期，是因為這個階段是政策逐步讓位于市場的階段，但是由于政府對于監管的加強，以及消化前期政策所遺留的額問題需要一定的時間，客觀上加劇了產業發展的波動，使得行業的發展在一年當中會出現大起大落的情況。
第四個階段：2018年~2020年（預測）。我們把這個階段稱作突破期，政府建立新能源汽車產業發展的長效機制，補貼政策逐步退出，技術和產品取得重大突破，新能源汽車的市場化運作機制初步建立，從而一舉奠定我國新能源汽車產業在全球的領先地位。
2.2020年的關鍵技術目標
不同的國家，對于新能源汽車的發展有各自的考慮，選擇了適合自己的技術路線。我國新能源汽車產業的發展，在產業目標、市場目標、技術路線等方面都有非常明確的規劃，對整個產業的發展起到了非常好的促進作用。這其中有三份比較重要的文件，對動力電池及Pack的技術路線會有很大影響，值得我們關注。
2012年6月28日，國務院下達關于印發《節能與新能源汽車產業發展規劃（2012—2020年）》的通知。這是我國新能源汽車產業發展過程中最重要的一份綱領性文件，將節能與新能源汽車產業提高了國家戰略的高度，對市場、產品、技術都做出了明確的規劃。
2016年10月26日，受國家制造強國建設戰略咨詢委員會、工業和信息化部委托，中國汽車工程學會組織逾500位行業專家歷時一年研究編制的《節能與新能源汽車技術路線圖》正式發布，本項技術路線圖描繪了我國汽車產業技術未來15年發展藍圖，對新能源汽車產業的技術路線做出了更加詳細的規劃。
2017年3月1日，工業和信息化部、發展改革委、科技部以及財政部四部委公布了《促進汽車動力電池產業發展行動方案》，以加快提升我國汽車動力電池產業發展能力和水平，推動新能源汽車產業健康可持續發展。
這三份文件中，與動力電池及Pack相關的2020年技術指標，如上圖所示。要達到上述要求，未來幾年在工程技術方面需要有比較大的創新。
3.技術挑戰及發展趨勢
以純電動乘用車為例，2020年的典型技術參數如下：
450km的綜合工況續航里程，已經完全可以滿足運營市場的需求，達到每天只充一次電的目標，也可以滿足個人用戶長途駕駛的需要，接近傳統燃油車的滿油續航里程。車輛使用溫度范圍廣泛，可以適應我國90%以上的國土區域。在快充狀態下，可以做到15分鐘充滿80%的電量，大大縮短充電時間。整車的整備質量小于1.5噸，百公里能耗在15度電以下，進一步提升電動汽車的能量轉換效率。
為了達到上述技術指標，充分滿足市場對于插電式混動汽車和純電動汽車的需求，Pack技術必須在以下幾個方面取得明顯的進步。
（一）系統集成效率的大幅度提升
按照電芯能量密度300Wh/kg和Pack能量密度260Wh/kg的目標來計算，Pack系統的集成效率要做到85%，而當前乘用車Pack的集成效率普遍在65%左右，這意味著集成效率需要大幅度提升，才能達成目標。
要提高Pack的集成效率，有兩個可行的途徑，一是優化Pack內部的結構設計，大幅度減少Pack內部的組件數量，將更多的組件和功能集成在模組和箱體上，從而減輕重量；另一個是采用輕量化的材料，如采用鋁型材或復合材料代替高強度鋼，采用塑膠件代替金屬件等，也可以減輕重量。
（二）廣泛的溫度適應性
冬天可以在零下20℃，甚至零下30℃的低溫下工作，夏天可以經受50℃的地面高溫而不趴窩，同時還要承受3~4C的快充，這是電動汽車大范圍推廣的必要條件。要滿足這一要求，高換熱系數和快速熱交換的液冷/液熱系統將成為Pack的標配。
液冷/液熱系統的設計目標是在-30~50℃環境溫度和4C快充工況下，將電池單體的工作溫度控制在15~45℃、電池單體間的溫差控制在5℃以內。
綜合運用仿真分析和測試驗證等手段，達到液冷/液熱系統的最優化設計，才能做到-30~50℃的使用溫度范圍，以及大倍率和長壽命使用。
液冷/液熱系統的設計，必須與整車的冷卻循環系統相互匹配，必須與Pack的結構設計高度集成，必須達到極高的熱交換效率。
（三）3~4C的快充將成為標配
想象一下，我們開著電動汽車出門，在充電站需要花費1個小時的時間進行充電，如果碰上充電排隊，可能需要花費2個小時，甚至更長的時間，沒有比這更糟糕的體驗了。家用慢充和充電站快充相結合，是電動汽車普及的關鍵因素之一，對于出租、公交、物流等領域的營運車輛來說，快充的重要性甚至要大于續航里程，因為充電的時間是無法載客或載貨的，充電時間越長，意味著運營效率越低，損失越大。
比較合理的快充要求，是在15分鐘內，充滿80%左右的電量，這要求Pack達到3C以上的充電能力，在電芯的設計、電連接設計、熱設計、安全設計、以及BMS的能量管理方面，都要做出非常大的技術突破。
（四）與車同壽命的Pack產品
因為電池包的成本很高，如果做不到與車同壽命，車輛的維護成本將非常高昂，用戶顯然不會愿意為這額外的成本買單。
以乘用車為例，如果是個人用戶購買，通常需要達到8年/12萬公里的壽命要求，如果用于營運，壽命可能要達到5年/40萬公里。
要達到如此嚴格的壽命要求，除了需要電子、電氣、機械組件也達到8年以上的使用壽命，電芯的成組技術、系統的熱管理和能量管理、以及Pack的售后維護等方面，也都有非常高的要求。
圓柱電芯模組結構和工藝介紹
1.圓柱電芯模組結構簡介
在圓柱電芯模組設計中，模組結構是多種多樣的，主要根據客戶和車型的需求來確定，最終導致模組的制造工藝也不一樣。模組一般由電芯、上下支架、匯流排（有的也稱連接片）、采樣線束、絕緣板等主要部件組成，圖2-2是較為典型的一種圓柱電芯模組結構，下面以圖2-3所示的模組常用工藝流程來進行介紹。
圖2-2圓柱電芯模組結構示意圖
2.圓柱電芯模組裝配工藝流程介紹
（1）電芯分選
模組工藝設計時，需要考慮模組電性能的一致性，確保Pack整體性能達到或滿足整車的要求。為了保證模組電性能的一致性，需要對電芯來料進行嚴格的要求。電芯廠家一般在電芯出貨前，也會按電芯的電壓、內阻和容量規格進行分組，但是電芯廠家與Pack廠家的最終需求是不同的，考慮到制造工藝、成本、電芯性能等因素，Pack廠家一般會按自己的標準重新對電芯進行分選。電芯分選需要考慮分選標準的問題，標準制定得合理，會減少剩余閑置的電芯，提升生產效率，降低生產成本。在實際生產過程中，還需要對電芯的外觀進行檢查，比如檢查電芯有無絕緣膜破損、絕緣膜起翹、電芯漏液、正負極端面污漬等不良品。
圖2-3典型圓柱電芯模組工藝流程圖
（2）電芯入下支架
電芯入下支架是指把電芯插入下支架的電芯定位孔中。難點在于電芯與下支架孔之間的配合公差，假如孔太大，方便電芯插入，但是電芯固定不好，影響焊接效果；假如孔太小，電芯插入下支架定位孔比較困難，嚴重的可能導致電芯插不進去，影響生產效率。為了便于電芯插入，又能固定好電芯，可以把下支架孔前端開成喇叭口（圖2-4）。裝配時需要防止電芯極性裝反，若是手動裝配，需要對電芯極性進行快速檢查，以免不良品流入后工序。
圖2-4下支架開喇叭口示意圖
（3）電芯極性判斷
電芯極性判斷是指檢查電芯的極性是否符合文件要求，屬于安全檢查。假如沒有極性檢查，而電芯極性又裝反了，在裝入第二面的匯流排時模組就會產生短路，導致產品毀壞，嚴重的可能導致人員受傷。注意，在每班開班前，都需要檢測設備處于良好的工作狀態，否則需要停機維修。
（4）蓋上支架
蓋上支架是指把上支架蓋到電芯上，并把電芯固定在支架內。一般情況下，蓋上支架比電芯入下支架困難，一是與圓柱電芯的生產工藝有關，工藝里面有個滾槽的工序，假如控制不好，會導致電芯尺寸的一致性差，影響蓋上支架，嚴重的會蓋不上去；二是電芯與下支架固定不好，導致電芯有一定的歪斜，導致上支架不好蓋或者蓋不上。
（5）模組間距檢測
模組間距檢測是指檢測電芯極柱端面與支架表面的間距檢測，目的是檢查電芯極柱端面與支架的配合程度，用于判斷電芯是否固定到位，為是否滿足焊接條件進行提前預判。
（6）清洗
等離子清洗是一種干法清洗，主要是依靠等離子中活性離子的“活化作用”達到去除物體表面污漬的目的。這種方式可以有效地去除電芯極柱端面的污物、粉塵等，為電阻焊接提前做準備，以減少焊接的不良品。
（7）匯流排安裝
匯流排安裝是指把匯流排安裝固定到模組上，以便電阻點焊。設計時需要考慮匯流排與電芯的位置精度，特別是定位基準的問題，目的是使匯流排位置處于電芯極柱面的中心，便于焊接。在進行上下支架設計時，要考慮對匯流排的隔離；假如不好做隔離設計，在工序設計時需要考慮增加防短路工裝的使用，可以避免在異常情況下發生短路。
（8）電阻焊接
電阻焊接是指通過電阻焊的方式把匯流排與電芯極柱面熔接在一起。目前國內一般采用電阻點焊，在進行電阻點焊工藝設計時，需要考慮以下4點：
1）匯流排的材質、結構和厚度；
2）電極（也稱焊針）的材質、形狀、前端直徑和修磨頻次；
3）工藝參數優化，如焊接電流、焊接電壓、焊接時間、加壓力等；
4）焊接面的清潔度和平整度。
在實際生產中，失效因素非常多，需要技術人員根據實際情況來分析處理。
（9）焊接檢查
在電阻焊接過程中，設備一般對焊接的參數都有監控，假如監測到參數異常，設備都會自動報警。由于影響焊接質量的因素很多，只通過參數監測來判斷焊接失效，目前結果還不是特別理想。在實際的生產控制中，一般還會通過人工檢查外觀和人工挑撥匯流排的方式，再次檢查和確認焊接效果。
（10）打膠
膠水在模組應用上，一般有兩種用途：一種用途是固定電芯，主要強調膠水的黏接力、抗剪強度、耐老化、壽命等性能指標；另一種用途是把電芯和模組的熱量通過導熱膠傳遞出去，主要強調膠水的導熱系數、耐老化、電氣絕緣性、阻燃性等性能指標。由于膠水的用途不同，膠水的性能和配方也不同，實現打膠工藝的方法和設備就不同。在膠水選擇和打膠工藝方面，需要考慮以下3點：
1）膠水的安全環保性能：盡量選擇無毒無異味的膠水，不但可以保護操作者，也可以保護使用者，還能更好地保護環境，也是新能源發展的目標。
2）膠水的表干時間：為了提高生產效率，一般希望膠水的表干時間越短越好。在實際生產過程中，假如膠水表干時間過短，由于待料、設備異常等因素，會導致膠水的大量浪費；也可能由于操作員處理不及時，因膠水固化時間短而導致設備堵塞，嚴重時導致停拉線。按經驗，盡量把表干時間控制到15～30min比較合理。
3）膠水的用量：膠水用量主要由產品和工藝來確定，目的是滿足產品的要求。目前常用打膠工藝有點膠、涂膠、噴膠和灌膠，每種工藝所需要的設備也是不同的。在打膠時需要注意膠量的控制，避免產生溢膠而影響其他工序。
（11）蓋絕緣板
蓋絕緣板是指把模組的匯流排進行絕緣保護起來。在工藝設計時，需要注意絕緣板不能高出支架的上邊緣，同時絕緣板與支架邊框之間的間隙最好小于1mm。
（12）模組EOL測試
EOL測試（endofline）（一般也稱下線測試）是生產過程中質量控制的關鍵環節，主要針對模組的特殊特性進行測試，主要測試項目有：
1）絕緣耐壓測試；
2）內阻測試；
3）電壓采樣測試；
4）尺寸檢測；
5）外觀檢查。
測試項目一般根據客戶和產品的要求來增減，其中安全檢測項目是必不可少的。
（13）轉入Pack組裝或入庫
經EOL測試合格的模組按規定轉入Pack組裝工序或入庫，轉運過程中需要對模組進行絕緣保護和防止模組跌落。
通過圓柱電芯模組生產工藝流程的介紹，針對不同的客戶和產品，工藝流程的設計是不同的，目的都是為了快速地響應客戶和市場的需求。
在進行模組工藝流程設計時，一般需要考慮以下幾點：
1）安全性：產品安全和安全生產；
2）電性能：容量、電壓、內阻、性能的一致性；
3）生產節拍：節拍越高，表示產能越大；
4）尺寸：外形尺寸和固定尺寸；
5）工藝路線：指關鍵工藝的選擇和確定；
6）成本：產品設計和工藝設計時都需要考慮的要素。
通過上面的分析，僅僅把模組工藝流程設計好是不夠的，還需要有完善的生產體系來支撐，才能制造出讓客戶滿意的產品。
