第七章動力電池制造技術(shù)01動力電池概述CONTENTS02電芯的原理以及制備技術(shù)模組構(gòu)成及裝配0304電池包關(guān)鍵組件特點05電池包構(gòu)成及裝配技術(shù)動力電池新技術(shù)路線0607氫燃料電池及組件技術(shù)動力電池概述01動力電池的定義定義：為新能源汽車等提供動力的儲能裝置，需滿足高能量密度、功率密度、安全性以及長壽命重要性：新能源汽車核心部件，決定整車性能與續(xù)航鋰離子電池主導(dǎo)——高能量密度（200-300Wh/kg）、長循環(huán)壽命（1000-3500次）、無記憶效應(yīng)鎳鎘/鎳氫電池——性能提升但存在環(huán)保問題（鎘毒性）鉛酸蓄電池階段——資源豐富但能量密度低（30-50Wh/kg）、污染環(huán)境20世紀(jì)70-90年代19世紀(jì)末20世紀(jì)90年代至今動力電池的發(fā)展歷程鋰離子電池的主要技術(shù)指標(biāo)目前商業(yè)化鋰離子電池都是采用含鋰正極材料與石墨匹配的電化學(xué)體系，正極材料如鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元材料電力電池與分類純電動汽車用動力電池的主要路線有磷酸鐵鋰電池、鈷酸鋰電池、三元鋰電池等當(dāng)前使用動力電池的汽車主要有純電動汽車（BEV）、插電式混合動力汽車（PHEV）、增程式混合動力汽車（REEV）、油電混合動力汽車（HEV）、燃料電池汽車（FCEV），其中前三種的發(fā)展最為迅速磷酸鐵鋰電池因其安全性高、長壽命、低成本等特點，成為當(dāng)前眾多車企的主要選擇；鈷酸鋰電池則具備高能量密度以及快速充電的優(yōu)勢，適用于高速純電動車市場，但是鈷酸鋰電池材料中含有較多昂貴的金屬元素鈷，因此成本相對較高，并且在極端條件下可能存在安全隱患；三元鋰電池相對于鈷酸鋰電池的能量密度更高，低溫時電池性能更加穩(wěn)定，適合低溫天氣，但高溫時的安全性仍然比磷酸鐵鋰電池差。電力電池與分類混合動力汽車的動力電池路線當(dāng)前使用動力電池的汽車主要有純電動汽車（BEV）、插電式混合動力汽車（PHEV）、增程式混合動力汽車（REEV）、油電混合動力汽車（HEV）、燃料電池汽車（FCEV），其中前三種的發(fā)展最為迅速HEV采用的主要是鎳氫電池，隨著技術(shù)發(fā)展部分可由三元鋰電池替代；PHEV和REEV采用的主要是磷酸鐵鋰電池或三元鋰電池。產(chǎn)生上述差異的主要原因：1）混合動力系統(tǒng)的工作方式必須不停地對電池進行快速充放電，而鎳氫電池具有良好的快速充放電性能，鋰電池這一特點相對不足，所以在這種工況下，應(yīng)用鎳氫電池比鋰電池更有優(yōu)勢。2）鎳氫電池的成本也遠(yuǎn)低于鋰電池豐田為代表的車企采用了鎳氫電池作為HEV車型的動力電池。電力電池與分類典型電池對比當(dāng)前使用動力電池的汽車主要有純電動汽車（BEV）、插電式混合動力汽車（PHEV）、增程式混合動力汽車（REEV）、油電混合動力汽車（HEV）、燃料電池汽車（FCEV），其中前三種的發(fā)展最為迅速磷酸鐵鋰電池的安全性和成本較為優(yōu)秀，但能量密度較低；鈷酸鋰電池的能量密度較高，由于成本因素不適合特大規(guī)模應(yīng)用；三元鋰電池在能量密度和循環(huán)壽命方面表現(xiàn)較好，但安全性能有待提高。綜合安全、成本、使用壽命等因素，磷酸鐵鋰和三元鋰電池占據(jù)了電動汽車市場動力電池的主要份額。

圓柱形鋰離子電池具有外形上的首發(fā)優(yōu)勢，最早商業(yè)化的鋰離子電池便是圓柱形，其形狀在應(yīng)用場景方面比較靈活。然而，它的局限性在于重量相對較高和能量密度相對較低

方形鋰離子電池可塑性更強，可根據(jù)產(chǎn)品需求進行定制化設(shè)計，制造工藝上不受圓柱電池標(biāo)準(zhǔn)的多種限制。缺點是電芯尺寸較大時內(nèi)部溫度可能較高；極片邊緣部分活性可能較差

軟包電池同樣可以像方形電池一樣進行定制，質(zhì)量更輕的鋁塑膜搭配疊片制造工藝，能量密度進一步得到提升。機械強度較弱，封口工藝較難，特別是成組困難電力電池與分類：根據(jù)外形電芯的原理及制備技術(shù)02電芯的構(gòu)造與基本原理負(fù)極：石墨材料涂布于銅箔集流體隔膜：聚烯烴多孔膜（如聚丙烯微孔膜）正極：含鋰過渡金屬氧化物涂布于鋁箔集流體電解質(zhì)：含鋰鹽（LiPF?、LiFSI等）的酯類/醚類溶劑結(jié)構(gòu)件：頂蓋（含安全閥）、Mylar膜、殼體（鋁殼/鋁塑膜）、絕緣貼片等工作原理：鋰離子通過電解質(zhì)在正負(fù)極間遷移實現(xiàn)充放電；多個電芯串并聯(lián)成模組，再組成電池包提升能量與功率性能前段制片段：極片制備（勻漿→涂布→干燥→輥壓）01中段裝配段：電芯組裝（卷繞/疊片→入殼→封裝→注液）02制造工藝流程020302后段測試段：電芯激活與檢測（化成→分容→老化→分選）極片的制備工段在極片制備工段主要為勻漿、涂覆（布）、干燥、滾壓，如圖所示。前期的物料勻漿、涂覆（布）、干燥3道工序直接決定了漿料的品質(zhì)涂覆：是將分散均勻的漿料涂覆在集流體上，再經(jīng)過烘道加熱將溶劑除去，得到極片。涂覆機可選擇刮刀式、轉(zhuǎn)移式或擠壓式輥壓：目的是讓涂覆材料與集流體的結(jié)合更緊密，極片厚度更均勻。進入輥壓工序的極片必須進行干燥，否則，在輥壓過程中容易出現(xiàn)掉粉、脫落現(xiàn)象烘干：涂覆工藝結(jié)束后，需要將涂布好的正負(fù)極片以一定的烘干速度去除濕涂層中的溶劑，使液態(tài)漿料經(jīng)烘干后表面固化形成多孔、多組分涂層結(jié)構(gòu)，這部分一般被稱為烘干工藝電芯裝配工段真空-加壓注液機注入電解液，確保浸潤充分注液03方形電池入鋁殼焊接，軟包電池用鋁塑膜封裝入殼封裝02卷繞：極片與隔膜卷成電芯疊片：極片與隔膜層疊，提升空間利用率卷繞/疊片01注液、化成后工段注液后的工段工序煩瑣，但最核心的工序是活化、化成、老化活化：電池活化的目的是讓電解液充分浸潤極片和隔膜，防止因電解液浸潤不充分、不均勻而引起的析鋰現(xiàn)象?；罨枰O(shè)置合理的擱置時間和溫度，通過研究發(fā)現(xiàn)，與常溫活化相比，85℃活化8h可使電極的界面充分反應(yīng)化成：化成的充電方法包括恒流、恒壓充電等，不同充電方法各有優(yōu)劣。實際應(yīng)用中主要采用恒流恒壓相結(jié)合的充電方式，先恒流充電到一定的電壓，再恒壓充至滿電，化成工序最關(guān)鍵的控制參數(shù)是充電電流、化成溫度和截止電壓老化：老化是將化成后某一荷電狀態(tài)的電芯在一定溫度環(huán)境下擱置一段時間，并測試擱置前后電池的電壓，根據(jù)電壓下降情況篩選、分類，排除外界因素的影響0105040203極耳焊接：激光焊接/電阻焊，確保極耳與匯流排連接牢固（拉力測試驗證）注液口焊接：焊接質(zhì)量關(guān)系電池密封程度，焊接不良會導(dǎo)致電池漏液，析鋰，電池外觀不良注液與預(yù)化完成：真空注液（露點＜-40℃）+預(yù)充（0.2C，SOC20%）形成穩(wěn)定SEI膜包裹絕緣膜與入殼:在激光焊接和入殼工序之間需要包裹絕緣膜頂蓋激光焊接：激光焊接實現(xiàn)鋁殼與頂蓋無縫連接，控制氣孔率＜0.5%關(guān)鍵工序與主要設(shè)備模組構(gòu)成及裝配03模組的構(gòu)造動力電池模組是由多個電芯通過串并聯(lián)組合，并集成輔助組件形成的中間能量單元。其作用是整合電芯能量，為新能源汽車提供穩(wěn)定電力輸出，同時實現(xiàn)對電芯的保護、管理和熱控制。模組性能直接影響續(xù)航里程、安全性和使用壽命。方形電池模組產(chǎn)品結(jié)構(gòu)裝配工藝流程02通過機械手或者工業(yè)機器人抓取合格電池，按裝配工藝順序依次將電池、輔料、緩沖材料等經(jīng)處理后組合為電池模組模組組裝段模組焊接與裝配段焊接時采用CCD拍照定位技術(shù)，確保焊接位置的精確性0304下線測試段下線測試段是模組完成焊接后進行的下線測試，即模組的EOL測試01電池通過自動化物流從倉庫傳輸至上料口，由機器人自動抓取電池上料電芯上料及處理段05模組總裝段模組組裝、模組焊接與裝配、模組總裝及下線測試統(tǒng)稱為模組組裝段方形電池模組裝配工藝流程圖BYYUSHENBYYUSHENBYYUSHEN電池包關(guān)鍵組件特點04放電控制故障診斷與保護功能數(shù)據(jù)采集狀態(tài)評估BMS技術(shù)特征：主要功能BMS具備數(shù)據(jù)采集功能。它可以實時采集電芯的各項參數(shù)數(shù)據(jù)，包括每個電芯的電壓、電流、溫度等信息。通過對采集到的數(shù)據(jù)進行分析和處理，BMS可以估算出電芯的剩余容量（SOC）和健康狀況（SOH）。根據(jù)電芯的狀態(tài)和整車需求，BMS可以控制充電機和逆變器的功率輸出，實現(xiàn)對電芯的充放電管理。當(dāng)電芯出現(xiàn)異常情況時，如過電壓、過電流、短路等，BMS能夠及時進行故障診斷，并采取相應(yīng)的保護措施。主從式BMS將整個電芯組劃分為若干個子電芯組，每個子電芯組由一個從控制器進行管理01集中式BMS采用一個集中控制器來管理整個電芯組。集中式BMS具有較高的集成度和處理能力，適用于大型電芯組02分布式BMS將電芯組劃分為多個區(qū)域，每個區(qū)域由一個獨立的控制器進行管理。每個控制器負(fù)責(zé)監(jiān)測和管理其所在區(qū)域的電芯或模塊03混合式BMS結(jié)合了主從式和集中式的特點，它采用一個主控制器和多個從控制器的結(jié)構(gòu)04BMS技術(shù)特征：結(jié)構(gòu)類型主從式集中式分布式混合式電池箱體應(yīng)具備足夠的結(jié)構(gòu)強度，能夠承受外部沖擊和振動，并能有效防止水分、灰塵等對電池的影響電池箱體需要具備良好的散熱性能，可以通過設(shè)置散熱孔、散熱器等方式提高散熱效果電池箱體的設(shè)計應(yīng)充分考慮空間的利用率，盡量減少占用空間，提高能量密度。電池箱體應(yīng)具備便于維護和檢修的特點，方便更換電池、連接線等部件電池箱體應(yīng)與整個系統(tǒng)集成良好，方便與其他組件進行連接和通信結(jié)構(gòu)強度和防護性能散熱性能空間利用率維護和檢修方便性系統(tǒng)集成性箱體技術(shù)及設(shè)計特點安全性能

電池箱體應(yīng)具備一定的安全性能，能夠防止電池過充電、過放電、短路等異常情況的發(fā)生水冷板設(shè)計選型通過將電池直接放置在充有冷卻液的水冷板上，能夠快速將熱量傳導(dǎo)到冷卻液中，實現(xiàn)高效散熱高效散熱相比傳統(tǒng)的風(fēng)冷系統(tǒng)，水冷板技術(shù)更加緊湊輕巧緊湊輕巧水冷板可以結(jié)合溫度傳感器和控制系統(tǒng)，實時監(jiān)測和調(diào)節(jié)電池的溫度精確溫度控制水冷板使得冷卻液的更換和維護變得更加簡單方便可維護性而水冷板采用液體流動代替風(fēng)扇，大大降低了噪聲水平，提供更加安靜的使用環(huán)境低噪聲設(shè)計BYYUSHENBYYUSHENBYYUSHEN電池包構(gòu)成及裝配技術(shù)05PACK構(gòu)造及組成如果把PACK比作一個人體，那么該模塊就是“心臟”，負(fù)責(zé)儲存和釋放能量，為汽車提供動力防護模塊PACK的“骨骼”，起到支撐、抗機械沖擊、抗機械振動和環(huán)境保護的作用電氣模塊熱管理模塊主要有4類，包括風(fēng)冷、水冷、液冷、相變材料電池模塊主要由高壓跨接片或高壓線束、低壓線束和繼電器組成制造工藝流程主要包括模組入箱體、模組緊固、絕緣耐壓測試、低壓/高壓連接、線束通斷測試/安裝上蓋、EOL測試、成品下線關(guān)鍵工序說明

分選配組電芯裝夾具上自動電焊機鋰電池組焊接PCM/BMS半成品絕緣半成品測試電池分選是指選取合適的變量，將電池分類，將電池參數(shù)一致性較好的電池分為同一類電芯裝夾具時，需要按照PE工程師SOP中的電芯正負(fù)極順序進行裝配。PCM或PCB（保護電路模塊或電路板）是電池組的核心。對電壓采集線、導(dǎo)線、正負(fù)極輸出線進行必要的固定與絕緣電池組加上BMS后，可以進行一次半成品測試BYYUSHENBYYUSHENBYYUSHEN動力電池新技術(shù)路線06電芯新技術(shù)鋰硫電池鋰硫電池基于硫和鋰兩種輕元素的電子轉(zhuǎn)化反應(yīng)，具有極高的理論質(zhì)量能量密度（2600W·h/kg）和體積能量密度鋰空氣電池鋰空氣電池是另一類具有超高能量密度的二次電池體系，它基于鋰與空氣中的氧氣發(fā)生可逆電化學(xué)反應(yīng)來釋放或存儲電能鈉離子電池隨著鋰離子電池的廣泛應(yīng)用，鋰資源的儲量將成為一大瓶頸電芯新技術(shù)采用高鋰離子電導(dǎo)率的固態(tài)電解質(zhì)取代傳統(tǒng)非水系有機溶劑的固態(tài)鋰電池被認(rèn)為是一種很有潛力的技術(shù)方案固態(tài)電池鎂離子電池作為動力電池的一種，具有多方面的優(yōu)勢。鎂資源儲量豐富，這為鎂離子電池的大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用提供了可能。金屬鎂具有提純工藝簡單、成本更低廉等優(yōu)點。鎂離子電池電池集成新技術(shù)CTP集成技術(shù)電池?zé)o模組（CTP）是將典型式集成電池成組方式中的模組環(huán)節(jié)取消，直接將電芯集成在電池包內(nèi)所形成的創(chuàng)新式方案，其顯著特征是大幅度減少電池包內(nèi)結(jié)構(gòu)件數(shù)量CTB集成技術(shù)電池車身一體化（CTB）在CTP電池或刀片電池基礎(chǔ)上優(yōu)化電池包上蓋結(jié)構(gòu)，使電池包上蓋替代車輛乘員艙地板，從而實現(xiàn)電池包與車身的一體化集成CTC集成技術(shù)電池底盤一體化（CTC）是將動力電池與車輛進行高度集成形成的一體化電動智能底盤技術(shù)，電池包取消了自身下箱體主要承載電芯的部件，其電芯直接在車體邊梁與橫梁之間進行布置與集成BYYUSHENBYYUSHENBYYUSHEN氫燃料電池及組件技術(shù)07概述：氫能與氫燃料電池氫燃料電池是以氫為燃料，通過電化學(xué)反應(yīng)，將氫燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。與傳統(tǒng)的化石燃料發(fā)動機相比，氫燃料電池具有能量轉(zhuǎn)換效率高、無污染排放、噪聲很低的優(yōu)點氫能是氫與氧進行化學(xué)反應(yīng)所釋放出的化學(xué)能，是一種來源廣泛、清潔無碳、應(yīng)用場景豐富的可再生能源。作為新型能源之一，氫能拓展程度相對較低，但是環(huán)保效果極佳，具備熱值高、零碳排放等多重優(yōu)點，可用于儲能、發(fā)電、交通工具燃料驅(qū)動、家用燃料等。氫能氫燃料電池概述：氫燃料電池的發(fā)展第一階段燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展概念設(shè)計及原理性認(rèn)證階段，以概念車形式推出氫燃料電池汽車第二階段燃料電池汽車示范運行驗證、技術(shù)攻關(guān)研究階段第三階段燃料電池汽車性能提升階段，這一階段燃料電池汽車的功率密度、壽命取得進步第四階段燃料電池汽車進入商業(yè)化推廣階段氫燃料電池原理氫燃料電池發(fā)電的基本原理是電解水的逆反應(yīng)，燃料電池的產(chǎn)物是電和水氫燃料電池嚴(yán)格地說是一種發(fā)電裝置，像發(fā)電廠一樣，是把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)發(fā)電裝置具體反應(yīng)過程為：電池陽極上的氫在催化劑作用下分解為質(zhì)子和電子，帶正電荷的質(zhì)子穿過隔膜到達(dá)陰極，帶負(fù)電荷的電子則在外部電路運行，從而產(chǎn)生電能；在陰極上的氧離子在催化劑作用下和電子、質(zhì)子發(fā)生化合反應(yīng)生成水氫燃料電池的主要組件燃料電池主要由燃料電池堆和燃料電池系統(tǒng)其他部分（包括空壓機、增濕器、氫循環(huán)泵、氫瓶等多個組件）構(gòu)成燃料電池堆是發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的場所，是氫燃料電池系統(tǒng)的核心部件，由多片單電池組成，維系著整個燃料電池系統(tǒng)的能量輸出過程氫燃料電池的主要組件：膜電極膜電極（MEA）是氫燃料電池的最核心部件，直接決定了氫燃料電池的功率密度、耐久性和使用壽命。膜電極承擔(dān)燃料電池內(nèi)的多相物質(zhì)傳輸，通過電化學(xué)反應(yīng)將燃料氫氣的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能膜電極的作用其主要性能指標(biāo)包括單位表面積的輸出功率（功率密度）、貴金屬用量（單位功率輸出的鉑用量）、壽命和成本性能指標(biāo)在構(gòu)成方面，膜電極是將質(zhì)子交換膜、催化層電極、擴散層在浸潤全氟磺酸隔膜液后，在一定溫度和壓力下，熱壓而成的三合一組件，與雙極板組成燃料電池堆膜電極的組成膜電極氫燃料電池的主要組件：催化劑在氫燃料電池堆中，電極上氫的氧化反應(yīng)和氧的還原反應(yīng)過程主要受催化劑控制。催化劑是影響氫燃料電池活化極化