摘要:本文在概述了汽車動力電池包組成的基礎(chǔ)上，重點探討了動力電池成組對電芯高能量密度、輕量化、結(jié)構(gòu)設(shè)、安全、熱管理、電氣、標準化設(shè)計要求的要點，并對動力電池成組效率進行比較。

1.汽車動力電池包的組成

在純電動汽車中，動力電池包作為汽車唯一的動力來源，動力電池包電能的高低決定了電動汽車的行駛里程。提高動力電池包電能的方法有兩種：采用高容量的電芯，使用更多的電芯。一般電芯容量越高，成本也越高。因此優(yōu)化動力電池包的結(jié)構(gòu)，盡量使用更多的電芯成為動力電池設(shè)計過程需要考慮的重要因素。

動力電池系統(tǒng)

1）動力電池模組

動力電池模組是動力電池包的“心臟”，負責儲存和釋放能量，為電動汽車提供動力。動力電池模組可以理解為動力電池單體經(jīng)由串并聯(lián)方式組合成的多個PACK， PACK是單個組件，是包裝、封裝、裝配的意思，其工序分為加工、組裝、包裝三大部分。

動力電池模組通過結(jié)構(gòu)設(shè)計，再加上動力電池管理系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)就可組成一個較完整的動力電池包。動力電池包通過工藝、結(jié)構(gòu)固定在設(shè)計位置，協(xié)同發(fā)揮電能充放存儲的功能。可以說模組的基本作用就是連接、固定和安全防護。

動力電池單體即電芯按正極材料來分，主要包括鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰以及鎳鈷錳酸鋰三元材料等。動力電池模組的結(jié)構(gòu)必須對電芯起到支撐、固定和保護作用，可以概括成3個大項：機械強度，電性能，熱性能和故障處理能力。

動力電池模組按電芯的結(jié)構(gòu)形狀可分為：圓柱電芯和方形電芯以及軟包這三種，其各自的優(yōu)缺點也十分明顯。在一定程度上，電芯的性能決定了動力電池模組的性能進而影響整個動力電池包的性能。因此在進行動力電池包設(shè)計時一定要根據(jù)整車的設(shè)計要求去選擇電芯的材料及形狀。

動力電池模組是否能夠完好固定電芯位置，并保護其不發(fā)生有損性能的形變，如何滿足載流性能要求，如何滿足對電芯溫度的控制，遇到嚴重異常時能否斷電，能否避免熱失控的傳播等，都將是評判動力電池模組優(yōu)劣的標準。

2）結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主要由動力電池PACK上蓋、托盤、各種金屬支架、端板和螺栓組成，可以看作是動力電池PACK的“骨骼”，起到支撐、抗機械沖擊、機械振動和環(huán)境保護（防水防塵）作用。動力電池包裝載在汽車上，首先得考慮和滿足機械方面的特征，產(chǎn)品需要具有足夠的強度和剛度，在振動、沖擊等機械載荷下不發(fā)生形變和功能異常，在碰撞、擠壓、翻滾、跌落等事故狀態(tài)下有足夠的安全防護。

3）電氣系統(tǒng)

電氣系統(tǒng)主要由高壓跨接片或高壓線束、低壓線束和繼電器組成，高壓線束可以看作是動力電池PACK的“大動脈血管”，將動力電池包心臟的動力不斷輸送到各個需要的部件中，低壓線束則可以看作動力電池PACK的“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”，實時傳輸檢測信號和控制信號。

4）熱管理系統(tǒng)

熱管理系統(tǒng)相當于是給動力電池PACK裝了“空調(diào)”，因為動力電池充放電的過程實際上就是化學反應(yīng)的過程，化學反應(yīng)會釋放大量的熱量，需要將熱量帶走，讓動力電池處于一個合理的工作溫度范圍內(nèi)，以提高動力電池的壽命和可靠性。熱管理系統(tǒng)主要有4類：風冷、水冷、液冷、相變材料。以水冷系統(tǒng)為例，熱管理系統(tǒng)主要由冷卻板，冷卻水管、隔熱墊和導熱墊組成。

因為動力電池的內(nèi)阻及電氣連接部件阻抗的存在，在充放電條件下，動力電池包內(nèi)部會發(fā)熱，電流越大，發(fā)熱量越大，如果不能及時把內(nèi)部熱量散出去，輕則影響動力電池壽命，導致使用壽命快速衰減，重則引起熱失控，帶來安全問題。動力電池包產(chǎn)品的熱管理系統(tǒng)是非常復雜的，要解決加熱、散熱、保溫、熱均衡等幾方面問題。

首先是針對外部環(huán)境的熱管理要求，在北半球的高緯度地區(qū)，冬季的室外溫度會達到-30℃，甚至更低，而在低緯度地區(qū)，夏季的地面溫度可以達到50℃以上，電動汽車必須面對嚴寒和酷暑這兩個極端的使用環(huán)境溫度要求。

目前的動力電池技術(shù)，還無法應(yīng)對這種挑戰(zhàn)，為延長動力電池的使用壽命，也不能讓動力電池工作在如此寬廣的環(huán)境溫度下，所以必須在設(shè)計動力電池包時，為動力電池裝配“空調(diào)”系統(tǒng)，夏季能夠降溫，冬季能夠加熱，從而解決大范圍變化的環(huán)境溫度所帶來的挑戰(zhàn)。

5）動力電池管理系統(tǒng)

電動汽車依靠電能驅(qū)動車輛行駛，瞬時功率可能高達幾百千瓦，電壓范圍從幾十伏特到幾百伏特，電流也可以達到正負幾百安培，大電流的充電和放電，以及高電壓的輸出，意味著動力電池包有很高的電氣載荷要求。

BMS系統(tǒng)

此外，整個動力電池包由非常多動力電池單體構(gòu)成，為了有效地管理這些動力電池，控制動力電池包的充放電，以及響應(yīng)整車層面的功能需求，動力電池包還有一套非常復雜的動力電池管理系統(tǒng)(BMS)，由傳感器、執(zhí)行器、控制器(電控單元)等組件構(gòu)成，采集系統(tǒng)的電壓、電流、溫度等數(shù)據(jù)，進行復雜的計算，與整車其他部件進行通信，完成特定的功能，實施判定系統(tǒng)的運行邊界，控制系統(tǒng)的異常狀態(tài)等。

動力電池管理系統(tǒng)可以看作是動力電池的“大腦”，主要由單體監(jiān)控單元和動力電池管理單元組成。首先單體監(jiān)控單元負責測量動力電池的電壓、電流和溫度等參數(shù)，同時還有均衡等功能。當單體監(jiān)控單元測量到這些數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)通過前面講到的動力電池“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”傳送給動力電池管理單元。

其次動力電池管理單元負責評估單體監(jiān)控單元傳送的數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)異常，則對動力電池進行保護，發(fā)出降低電流的要求，或者切斷充放電通路，避免動力電池超出許可的使用條件，同時還對動力電池的電量、溫度進行管理。根據(jù)先前設(shè)計的控制策略，判斷需要警示的參數(shù)和狀態(tài)，并且將警示發(fā)給整車控制器，最終傳達給駕駛?cè)藛T。

動力電池管理系統(tǒng)在硬件上可以分為主控模塊和從控模塊，主要由數(shù)據(jù)采集單元（采集模塊）、中央處理單元（主控模塊）、顯示單元、均衡單元檢測模塊（電流傳感器、電壓傳感器、溫度傳感器、漏電檢測）、控制部件（熔斷裝置、繼電器）等組成。中央處理單元由高壓控制回路、主控板等組成，數(shù)據(jù)采集單元有溫度采集模塊、電壓采集模塊等組成。一般采用CAN現(xiàn)場總線技術(shù)實現(xiàn)相互間的信息通訊。

在動力電池管理系統(tǒng)中的軟件設(shè)計功能一般包括電壓檢測、溫度采集、電流檢測、絕緣檢測、SOC 估算、CAN 通訊、放電均衡功能、系統(tǒng)自檢功能、系統(tǒng)檢測功能、充電管理、熱管理等。整體的設(shè)計指標包括最高可測量總電壓、最大可測量電流、SOC估算誤差、單體電壓測量精度、電流測量精度、溫度測量精度、工作溫度范圍、CAN通訊、故障診斷、故障記憶功能、在線監(jiān)測與調(diào)試功能等。

電池管理系統(tǒng)通過通訊接口與整車控制器、電機控制器、能量管理系統(tǒng)、車載顯示系統(tǒng)等進行通訊，整個工作過程大致為：首先利用數(shù)據(jù)采集模塊采取動力電池的電流、電壓和溫度等數(shù)據(jù)→然后采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給主控模塊→主控模塊對數(shù)據(jù)進行分析和處理后，發(fā)出對應(yīng)的程序控制和變更指令→最后對應(yīng)的模塊做出處理措施，對動力電池包或動力電池進行調(diào)控，同時將實時數(shù)據(jù)發(fā)送到顯示單元模塊。

2.動力電池成組技術(shù)

深化動力電池模組的系統(tǒng)化、集成化設(shè)計，提升現(xiàn)有成組生產(chǎn)工藝，進而提高成組動力電池的安全可靠性，動力電池成組技術(shù)要求如下。

1）高能量密度

提高動力電池包能量密度，以滿足電動汽車行駛里程。提高動力電池包能量密度的方法有，一是提高成組效率，二是采用更高能量密度的電芯。目前，方形電芯將主推能量密度230～240Wh/kg的產(chǎn)品，軟包主推240～260Wh/kg產(chǎn)品，18650電芯將推出3.2～3.4Ah的產(chǎn)品、21700電芯將推出4.8～5.0Ah的產(chǎn)品。

能量密度

目前，提高動力電池包能量密度的方法不是太多，無外乎從提高單體能量密度和模組優(yōu)化以及殼體的輕量化這幾個方面著手?？傊?，在動力電池包帶電量一定的情況下，盡量提高其成組效率。

2）輕量化設(shè)計

相對于新能源汽車的其他部件而言，動力電池包殼體對防撞、防水、防火、防塵等方面的要求尤為嚴苛。除保障、容納動力電池包外，動力電池殼體還要有效隔絕操作人員、乘客與動力電池的接觸，所以，動力電池箱體防護等級較高。因此，動力電池殼體的輕量化有一定的難度，既要保障動力電池和乘客的安全，也要切實做到輕量化。

當前，通過動力電池包的輕量化來大幅度提升能量密度已經(jīng)成為行業(yè)內(nèi)的主流方向，但在輕量化的設(shè)計過程中，一定要注意嚴格把控動力電池包的性能變化。輕量化設(shè)計的最主要目的是追求續(xù)航里程，減少或減掉所有多余負擔，并要與降低成本相結(jié)合。輕量化的道路很多，比如提高電芯能量密度；在細節(jié)設(shè)計中，確保強度的情況下追求結(jié)構(gòu)件的輕?。ū热邕x更薄的材質(zhì)，在板材上挖更大的孔）；用鋁材替換鈑金件，使用密度更低的新材料打造殼體等。

如果將動力電池鈑金殼體換為全鋁殼體，重量可減輕30％左右。此外碳纖維材料也被視為比較有潛力的殼體材料。碳纖維材料密度小、重量輕，抗拉強度在3400MPa以上，且耐腐蝕、耐高溫，在吸收沖擊力上也有很大的優(yōu)勢，是實現(xiàn)電動汽車動力電池包輕量化的上佳材料。然而，由于存在技術(shù)難度等原因，碳纖維動力電池箱價格高于普通材料，普及尚需時日。隨著碳纖維生產(chǎn)技術(shù)的不斷成熟，以及新能源汽車的快速發(fā)展，碳纖維動力電池箱需求量也會進一步加大。

3）結(jié)構(gòu)設(shè)計

在不同的動力電池包設(shè)計需求里，其體積能量密度、質(zhì)量比能量密度以及體積功率密度等都會與動力電池包中單體動力電池之間連接結(jié)構(gòu)與工藝相關(guān)。動力電池模組由多個單體電芯串并聯(lián)組裝而成，單體電芯之間連接要緊固、連接片與動力電池單體極柱的接觸電阻小、抗振動、牢靠程度高。無論是用激光焊焊接、電阻焊焊接還是螺栓機械鎖緊，都必須保證成組后的動力電池包在電動車輛實際行駛過程中的可靠性和耐久度。動力電池模組能承受電動汽車行駛過程中的碰撞、振動而不會導致動力電池發(fā)生位移或變形。

對結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求有：

※結(jié)構(gòu)可靠：抗震動抗疲勞。

※工藝可控：無過焊、虛焊，確保電芯100%無損傷。

※成本低廉：PACK產(chǎn)線自動化成本低，包括生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)損耗。

※易分拆：動力電池包易于維護、維修，低成本，電芯可梯次利用性好。

※做到必要的熱傳遞隔離，避免熱失控過快蔓延，也可以把這一步放到pack設(shè)計再考慮。

提升空間利用率也是優(yōu)化模組的一個重要途徑，可以通過改進模組和熱管理系統(tǒng)設(shè)計，縮小電芯間距，從而提升動力電池箱體內(nèi)空間的利用率。還有一種解決方案，即使用新材料。比如，動力電池包內(nèi)的匯流排（并聯(lián)電路中的總線，一般用銅板做成）由銅替換成鋁，模組固定件由鈑金材料替換為高強鋼和鋁，這樣也能減輕動力電池重量。

4）安全設(shè)計

動力電池包安全防護的根本原則是：阻止電能和化學能在系統(tǒng)正常運行狀態(tài)和某些非正常狀態(tài)下(法律法規(guī)、標準所規(guī)定的情況，以及典型的失效情況)以不可控的方式釋放，或減輕其不可控釋放所帶來的危害。安全的防護設(shè)計是一個系統(tǒng)工程，切勿從局部入手，僅根據(jù)某些典型的失效案例，采取有限的應(yīng)對措施，或者僅根據(jù)國外和國內(nèi)標準的要求，簡單通過相關(guān)的測試和認證。

動力電池包的安全設(shè)計可以分為：

※良好的設(shè)計，確保不要發(fā)生事故。要求合理布局，良好的冷卻系統(tǒng)，可靠的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

※在事故發(fā)生前提前預警，給人以反映時間。需要傳感器更加廣泛的分布到每一個可能的故障點，全面檢測電壓和溫度，最好監(jiān)測每一個電芯的內(nèi)阻。

※已發(fā)生故障，阻止事故過快蔓延，可以通過電芯和動力電池模組設(shè)置熔斷器，動力電池模組之間設(shè)置防火墻，設(shè)計強度冗余應(yīng)對災(zāi)害發(fā)生后可能的結(jié)構(gòu)坍塌。這都是高性能動力電池模組方向，保證在遇到極端情況（如撞擊、漏液、高溫、短路等）下動力電池包不會發(fā)生危害人身安全的事故。

5）熱管理設(shè)計

動力電池模組應(yīng)能適應(yīng)不同氣候下的正常運行，如在高溫時開啟制冷系統(tǒng)降低動力電池包溫度，低溫時開啟加熱系統(tǒng)保證動力電池包的正常充放電。軟包電芯的物理結(jié)構(gòu)決定了其不易爆炸，一般只有外殼能承受的壓力足夠高，才有可能炸，而軟包電芯內(nèi)部壓力一大，便會從鋁塑膜邊緣開始泄壓、漏液。同時軟包電芯也是幾種電芯結(jié)構(gòu)中，散熱最好的。

熱管理系統(tǒng)

當前主流的冷卻方式，已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐豪湟约跋嘧儾牧侠鋮s。相變材料冷卻可以配合液冷一起使用，或者單獨在環(huán)境不太惡劣的條件下使用。另外還有一種當前國內(nèi)仍然較多應(yīng)用的工藝，灌膠。這里灌得是導熱系數(shù)遠大于空氣的導熱膠。由導熱膠將電芯散發(fā)的熱量傳遞到模組殼體上，再進一步散發(fā)到環(huán)境中。這種方式，電芯再次單獨替換不太可能但也在一定程度上阻止了熱失控的傳播。

對于液冷，冷板與液冷水管正是液冷系統(tǒng)的組成部件。動力電池模組由電芯層疊而成，而電芯間有間隔排布的冷板，其保證每個電芯都有一個大面接觸到冷板。在液冷技術(shù)應(yīng)用中，必須考慮液冷板的固定，密封性，絕緣性等。

6）電氣設(shè)計

動力電池模組的電氣設(shè)計包含低壓和高壓兩個部分：

1）低壓設(shè)計。在低壓設(shè)計時一般需要考慮以下幾個方面的功能：

①通過信號采集線束，將動力電池電壓、溫度信息傳輸?shù)絼恿﹄姵啬＝M從控板或動力電池模組控制器，動力電池模組控制器設(shè)計有均衡功能（主動均衡或者被動均衡或者二者并存）。

②少量的繼電器通斷控制功能可以設(shè)計在從控板上，也可以設(shè)計在動力電池模組控制器上。

③通過CAN通訊連接動力電池模組控制器和主控板，將動力電池模組信息傳遞出去。

2）高壓設(shè)計。高壓設(shè)計主要是電芯與電芯之間的串并聯(lián)，以及動力電池模組之間的連接導電方式設(shè)計，一般模組之間只是考慮串聯(lián)方式。這些高壓連接需要達到兩個方面的要求：

①電芯之間的導電件和接觸電阻分布要均勻，否則單體電壓檢測將受到干擾。

②電阻要足夠小，避免電能在傳遞路徑上的浪費。

7）標準化設(shè)計

標準化是大工業(yè)以來的長期追求，標準化是降低成本提高互換性的基石所在。具體到動力電池模組，還多了一個梯次利用的目的。目前我國動力電池單體還沒有標準化，模組標準化還有更遠的路要探索。

3.動力電池成組效率比較

目前，行業(yè)內(nèi)圓柱電芯的模組成組效率約為87％，系統(tǒng)成組效率約為65％。對于不規(guī)則的動力電池箱體，圓柱動力電池可充分利用空間，相對方形和軟包更有優(yōu)勢。通過減小電芯間距和模組輕量化，可使模組成組效率得到較大提高。

軟包電池

軟包電芯模組成組效率約為85％，系統(tǒng)成組效率約為60％。軟包電芯的單體能量密度比圓柱和方形有更高的提升空間，但對模組設(shè)計要求較高，安全性不易把控。

在成組效率方面，相較于軟包和圓柱動力電池，方形動力電池成組效率更高。方形電芯的模組成組效率約為89％，系統(tǒng)成組效率約為70％。方型電芯更適用于規(guī)則箱體，電芯體積變大有利于提高電芯能量密度，后續(xù)模組成組效率提升空間有限，有賴于單體電芯能量密度的提升。

如果按照目前的系統(tǒng)成組效率計算，要達到《促進汽車動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動方案》提出的2020年新型鋰離子動力電池包能量密度260Wh／kg的要求，那么，圓柱單體電芯就需要達到400Wh／kg，軟包單體電芯能量密度要達到433Wh／kg，方形單體電芯能量密度需要達到371Wh／kg。顯然，2020年單體電芯能量密度要達到這個水平有難度，那么進一步提高動力電池的成組效率就變得十分必要和緊迫。

模組優(yōu)化設(shè)計可以從多個方面著手，對于圓柱來說，業(yè)內(nèi)新研發(fā)了21700電芯，相較于18650，電芯直徑變大后，動力電池支架板和集流片孔變大，相應(yīng)重量減輕，動力電池包中電芯數(shù)量減少，同時焊接配件的數(shù)量也相應(yīng)減少。

在鋰動力電池成組技術(shù)中，最重要的是電池管理系統(tǒng)，它是動力電池包的“大腦”，它像“管家”一樣，包攬所有的工作，從監(jiān)控每一級動力電池物理變量，環(huán)境溫度，到系統(tǒng)級動力電池包性能估計，在線診斷與預警，充、放電與預充控制，熱、冷管理等。大電流主動均衡技術(shù)是電池管理系統(tǒng)中最核心的技術(shù)，它需要解決的是動力電池包在使用過程中衰減的問題，也就是要確保續(xù)航里程穩(wěn)定及可預測的問題。

本文標題：淺析汽車動力電池包的組成、成組技術(shù)及成組效率對比

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