第三章電池電芯0102第3章

動力電池結(jié)構(gòu)電池模組03

電池箱體傳動系統(tǒng)布置形式電池電氣系統(tǒng)04PART1電池電芯電池電芯一個單體電池的電壓只有幾伏，但電動汽車驅(qū)動電機的電壓往往是幾百伏，因此電動汽車的動力電池系統(tǒng)由成百上千個單體電池構(gòu)成，再加上保護電路和保護殼才能使用；將若干個電池模組與BMS、熱管理系統(tǒng)等組成在一起形成電池包(Pack)。單體電池是基本的電化學單位，是將化學能與電能進行相互轉(zhuǎn)換的基本單元裝置，通常包括電極、隔膜、電解質(zhì)、外殼和端子，并被設(shè)計成可充電，單體電池也稱為電芯。電芯是不能直接使用的，只有加上保護電路和保護殼，再通過組合形成電池模組，才能夠直接使用。目前，電芯與電池包的生產(chǎn)已經(jīng)實現(xiàn)高度自動化?！半娦疽荒＝M一電池包”是從里到外的排序，如圖3.1所示。電芯一致性好，組成的模組才安全好用，用該模組集成的電池包也才安全好用。圖3.1汽車動力電池的電芯、模組和電池包電池電芯——電芯構(gòu)造鋰離子單體電池主要由正極、負極、隔膜、內(nèi)部的電解液和外殼等組成圖3.2鋰離子單體電池的基本結(jié)構(gòu)電池電芯——電芯構(gòu)造正極材料是鋰離子電池的重要組成部分，能直接影響鋰離子電池的能量密度、安全性、循環(huán)壽命等各項核心性能指標。目前，被廣泛采用的正極材料主要有磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鈷酸鋰和三元材料等。特斯拉Model3的動力電池使用的正極材料是鎳鈷鋁三元材料；比亞迪e6的動力電池使用的正極材料是磷酸鐵鋰材料。鎳(Ni)可提高、增加材料的體積能量密度；鈷(Co)可穩(wěn)定材料的層狀結(jié)構(gòu)，同時提高材料的循環(huán)和倍率性能；錳(Mn)可降低材料成本、提高材料安全性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；鋁(AI)可抑制材料在高脫鋰狀態(tài)下出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)塌陷問題。NCM是三元鋰正極材料中Ni、Co和Mn的英文縮寫，NCA是三元鋰正極材料中Ni、Co和Al的英文縮寫。錳酸鋰的分子式為LiMn,O4，理論比容量為148mA·h/g，其特點是充放電的倍率性能非常好，但比容量偏低，多與NCA/NCM混合使用。磷酸鐵鋰的分子式為LiFePO4，理論比容量為170mA·h/g，其特點是安全性好、循環(huán)壽命長、放電電壓平穩(wěn)、原料豐富、價格低廉，已成為電動汽車動力電池重要的正極材料。三元材料的分子式為LiNi，Co,Mn.O4，理論比容量為

調(diào)節(jié)Ni、Co、Mn三種元素的比例可以衍生出不同的氧化鎳鈷錳鋰材料。正極：電池電芯——電芯構(gòu)造鋰離子蓄電池中，理想的正極材料需要具備以下特征：I）正極材料有較大的吉布斯自由能，從而保證蓄電池有較高的輸出電壓。2）

鋰離子在正極材料中脫嵌的吉布斯自由能變化量要小，即電極電位對鋰離子嵌入量的依賴性要小，保證蓄電池的輸出電壓穩(wěn)定。3）正極材料能夠容納相當數(shù)量的鋰離子脫出和嵌入，保證蓄電池有較高的比容量。4）正極材料的摩爾體積和分子量較小，保證蓄電池擁有較高的體積能量密度和質(zhì)量能量密度。5）

正極材料中存在通暢的鋰離子遷移通道，進而保證材料具有較高的鋰離子擴散系數(shù)。此外，正極材料還要有良好的電子導(dǎo)電性，保證蓄電池良好的大倍率性能。6）

充放電過程中，正極材料的結(jié)構(gòu)改變小，保證電化學反應(yīng)的可逆進行和蓄電池的良好循環(huán)性能。7）在充放電電壓范圍內(nèi)，正極材料不與電解液發(fā)生化學或物理反應(yīng)。8）原料豐富，制備工藝簡單，成本低，環(huán)境友好。電池電芯——電芯構(gòu)造負極材料影響鋰離子蓄電池的安全性，負極材料有硬碳材料、石墨材料和鈦酸鋰等。目前，廣泛應(yīng)用的碳基負極材料，將鋰離子在負極表面的沉積/溶解轉(zhuǎn)變?yōu)樵谔疾牧现械那度?脫出，從而大幅度地減少鋰枝晶的形成，提高鋰離子蓄電池的壽命和安全性。特斯拉Model3的動力電池使用的負極材料是石墨+硅；比亞迪e6的動力電池使用的負極材料是石墨。負極：電池電芯——電芯構(gòu)造動力理想的鋰離子蓄電池負極材料應(yīng)具備以下特征：1）鋰離子嵌入/脫出電位盡可能低，使蓄電池有較高的輸出電壓，以提高蓄電池的能量密度。2）鋰離子能夠盡可能多地在材料中可逆脫嵌，保證蓄電池的比容量值。3）在蓄電池的循環(huán)過程中，材料的結(jié)構(gòu)沒有或很少發(fā)生改變，以確保蓄電池的循環(huán)性能。4)具有較高的電子和離子電導(dǎo)率，保證電子和鋰離子在材料中的快速傳輸，以提高蓄電池的功率密度。5）氧化還原電位變化小，可保持蓄電池較平穩(wěn)地進行充電和放電。6）材料在電解液中穩(wěn)定，不溶解，且具有良好的表面結(jié)構(gòu)，能夠與電解質(zhì)形成穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面膜。7)價格低，資源豐富，環(huán)境友好。電池電芯——電芯構(gòu)造隔膜：隔膜是夾在蓄電池正極片和負極片之間，起電子絕緣作用并提供鋰離子遷移微通道的薄膜，是影響蓄電池性能的重要組件。隔膜起著分離正極和負極的功能，避免蓄電池正極和負極直接接觸短路，又能起著鋰離子傳導(dǎo)的功能。目前，應(yīng)用比較廣泛的隔膜主要有聚乙烯(PolyEthylene，PE)隔膜、聚丙烯(PolyPropylene，PP)隔膜、PP-PE-PP三層隔膜、無紡布隔膜、凝膠隔膜、表面涂覆的復(fù)合隔膜等。沒有哪種隔膜能適用于所有的蓄電池材料體系和蓄電池型號。為使動力電池發(fā)揮最佳的性能，需要根據(jù)具體的蓄電池設(shè)計及蓄電池制造的工藝和設(shè)備水平選配適合的隔膜。為保證動力電池的安全性，隔膜的孔隙率不能太高，通常以35%~60%為宜。單體容量較高的能量型蓄電池不宜使用過薄的隔膜；而功率型蓄電池可以考慮孔隙率較高、較薄的隔膜。電池電芯——電芯構(gòu)造電解質(zhì)：電解質(zhì)是鋰離子蓄電池中鋰離子傳輸?shù)妮d體。一般由鋰鹽和有機溶劑組成。電解液在鋰電池正、負極之間起到傳導(dǎo)鋰離子的作用。溶有電解質(zhì)鋰鹽的有機溶劑提供鋰離子，電解質(zhì)鋰鹽有LiPF6、LiClOg、LiBF_等，有機溶劑主要由碳酸二乙酯(DiethylCarbonate，DEC)、碳酸丙烯酯(PropyleneCarbonate，PC)、碳酸乙烯酯(EthyleneCarbonate，EC)、碳酸二甲酯(DimethylCarbonate,DMC)等中的一種或幾種混合組成。優(yōu)良的鋰離子蓄電池電解液應(yīng)滿足以下要求：1)液態(tài)溫度范圍寬，在-30~80℃范圍內(nèi)為液體。2)有較高的離子電導(dǎo)率，室溫下應(yīng)大于6mS/cm。3）對電極、隔膜的潤濕性好。4)電化學穩(wěn)定性好，電化學窗口較寬。5）與正、負極材料兼容性好，能形成穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面膜。6）熱穩(wěn)定性較好。7)安全性好，不易燃。8)對環(huán)境友好。電池電芯——電芯構(gòu)造外殼：外殼用于蓄電池封裝，主要包括鋁殼、鋁塑膜、蓋板、極耳、絕緣片等。在鋰離子蓄電池成本構(gòu)成中，正極材料約占

30%~40%，負極材料約占25%~30%，隔膜約占10%~15%。電池電芯——電芯構(gòu)型根據(jù)鋰離子蓄電池的形狀，可以分為圓柱形鋰離子蓄電池、方形鋰離子蓄電池和軟包鋰離子蓄電池。

圓柱形鋰離子蓄電池電池電芯——電芯構(gòu)型圓柱形鋰離子蓄電池是指具有圓柱形外殼的蓄電池，如圖3.3所示。特斯拉電動汽車使用的就是圓柱形鋰離子蓄電池。比較典型的圓柱形鋰離子蓄電池有18650、21700和4680等型號。18650蓄電池是日本索尼公司最早生產(chǎn)的一種標準的鋰離子蓄電池型號，其中18表示直徑為18mm，65表示長度為65mm，O表示為圓柱形蓄電池；18650單體蓄電池容量為1.8~3.6A·h，單體蓄電池質(zhì)量為45~48g；蓄電池系統(tǒng)能量密度達250W·h/kg。

圖3.3圓柱形鋰離子蓄電池21700蓄電池由特斯拉與松下聯(lián)合研發(fā)，21表示蓄電池直徑為21mm，70表示長度為70mm，0表示圓柱形蓄電池；21700單體蓄電池容量為3.0~4.8A·h，單體蓄電池質(zhì)量為60~65g。據(jù)特斯拉披露的數(shù)據(jù)顯示，21700電池系統(tǒng)的能量密度可達300W·h/kg左右。圓柱形鋰離子蓄電池采用非常成熟的卷繞工藝，生產(chǎn)自動化水平高，批量化生產(chǎn)成本較低，同時保持較好的良品率和成組一致性。小型圓柱電池具有很強的適配性，可根據(jù)搭載車型需求進行定制開發(fā)，設(shè)計相對靈活。在應(yīng)用層面，圓柱形鋰離子蓄電池由于其結(jié)構(gòu)特性，成組后單體蓄電池之間保留有一定的孔隙，其單體體積較小，適用于空間不規(guī)則的電池組箱體內(nèi)，可以充分利用邊角空間。但是實現(xiàn)長續(xù)駛里程目標，相應(yīng)的蓄電池總能量需求更多，與其他類型的鋰離子蓄電池相比，圓柱形鋰離子蓄電池系統(tǒng)的連接及管控難度較大。另外，圓柱形鋰離子蓄電池的能量密度提高空間很小。電池電芯——電芯構(gòu)型方形鋰離子蓄電池是指具有長方形外殼的蓄電池，如圖3.4a所示。方形鋰離子蓄電池封裝可靠度高、系統(tǒng)能量效率高、相對重量輕、能量密度較高，且結(jié)構(gòu)較為簡單、擴容相對方便，是當前通過提高單體容量來提高能量密度的重要選項。方形鋰離子蓄電池單體的容量大，系統(tǒng)構(gòu)成相對簡單，電池系統(tǒng)的穩(wěn)定性相對較高。方形鋰離子蓄電池軟包鋰離子蓄電池電池電芯——電芯構(gòu)型軟包鋰離子蓄電池是指使用鋁塑復(fù)合薄膜制成外殼的蓄電池，如圖3.4b所示。軟包鋰離子蓄電池采用重量輕且韌度高的鋁塑膜材料，同時單體蓄電池內(nèi)部裝配有疊片式或卷繞式極芯，其規(guī)格尺寸目前也以定制化開發(fā)為主。軟包鋰離子蓄電池具有以下優(yōu)勢：1）單體安全性好。軟包鋰離子蓄電池鼓氣嚴重時會裂開，可以降低因內(nèi)壓過大而導(dǎo)致爆炸的風險。2）重量輕。與鋼殼方形鋰離子蓄電池和鋁殼方形鋰離子蓄電池相比，軟包鋰離子蓄電池的重量較輕。3)單位體積電能容量大。與同等規(guī)格尺寸的鋼殼鋰離子蓄電池和鋁殼鋰離子蓄電池相比，軟包鋰離子蓄電池的可容納電能較大。4)設(shè)計靈活?？筛鶕?jù)客戶需求定制外形。軟包鋰離子蓄電池也有缺點，主要包括外殼無剛性、成組固定困難；聚合物長時間會老化斷鏈，導(dǎo)致密封失效漏電解液；單體厚度、極耳厚度因工藝受限，從而影響容量和過電流能力；側(cè)面導(dǎo)熱困難，為電池熱管理帶來了挑戰(zhàn)。電池電芯——電芯性能動力電池作為電動汽車的儲能動力源，主要采用電池的性能指標對其進行評價。電池種類不同，其性能指標也存在差異。電壓電池電壓是指端電壓，包括標稱電壓、開路電壓、工作電壓、充電終止電壓和放電終止電壓等。1）端電壓。端電壓是指電池正極與負極之間的電位差。2）標稱電壓。標稱電壓也稱額定電壓，是指電池在標準規(guī)定條件下工作時應(yīng)達到的電壓。標稱電壓主要由正、負極板材料的電極電位差和規(guī)定條件下的電池內(nèi)阻決定。磷酸鐵鋰離子蓄電池的標稱電壓一般為3.2V，錳酸鋰離子電池的標稱電壓一般為3.7V。3）開路電壓。電池在開路條件下（沒有負載）的端電壓稱為開路電壓。4）工作電壓。工作電壓是指電池接通充電或負載后處于充放電狀態(tài)下的端電壓。5）充電終止電壓。充電終止電壓是指動力電池正常充電時允許達到的最高電壓，單節(jié)鋰離子電池的最高充電終止電壓多為4.25V。6）放電終止電壓。放電終止電壓是指電池在一定標準規(guī)定的放電條件下放電時，電池的電壓逐漸降低，電池不宜繼續(xù)放電時的最低工作電壓。如果電壓低于放電終止電壓后，電池繼續(xù)放電，則電池兩端電壓迅速下降，形成深度放電。放電終止電壓與放電倍率有關(guān)，放電電流直接影響放電終止電壓。在規(guī)定的放電終止電壓下，放電電流越大，電池放出的容量越小。鋰離子蓄電池的放電終止電壓一般為2.0~3.0V。電池電芯——電芯性能容量容量是指完全充電的蓄電池在規(guī)定條件下釋放的總電量，其單位為A·h或mA·h，其值等于放電電流與放電時間的積分。1A·h可簡單解釋為在供電電流強度為1A的電流下能持續(xù)放電1h，也可解釋為在供電電流強度為0.5A的電流下能持續(xù)放電2h。單體電池內(nèi)活性物質(zhì)較少一側(cè)的可脫嵌鋰離子的總數(shù)量決定單體電池含有的電荷量，而活性物質(zhì)的含量由電池的材料和總量（相同的體積，也會有不同的壓實密度）決定。電池容量可以分為額定容量n、小時率容量、理論容量、實際容量、剩余容量。電池電芯——電芯性能1）額定容量。據(jù)GB38031—2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》顯示，額定容量是指以制造商規(guī)定的條件測得的并由制造商申明的電池單體、模塊、電池包或系統(tǒng)的容量值。2）n小時率容量。n小時率容量是指完全充電的蓄電池以n小時率放電電流(n小時放完電對應(yīng)的電流)放電，達到規(guī)定終止電壓時所釋放的電量。3）理論容量。理論容量指的是活性物質(zhì)全部參加電池反應(yīng)所給出的電量。為了比較不同系列的電池，常用“比容量”的概念，即單位體積或單位質(zhì)量電池所能釋放的理論電量，單位為A·h/L或A·h/kg。4）

實際容量。據(jù)GB38031—2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》顯示，實際容量是指以制造商規(guī)定的條件，從完全充電的電池單體、模塊、電池包或系統(tǒng)中釋放的容量值。5）

荷電狀態(tài)(SOC)。荷電狀態(tài)是指蓄電池在一定放電倍率下，剩余電量與相同條件下額定容量的比值，反映蓄電池電量變化的特性。SOC=1表示蓄電池充滿狀態(tài)。隨著蓄電池的放電，蓄電池的電荷逐漸減少，可以用SOC值百分數(shù)的相對量表示蓄電池中電荷的變化狀態(tài)。對蓄電池SOC值的估算已成為蓄電池管理的重要環(huán)節(jié)。電池電芯——電芯性能.內(nèi)阻電池的內(nèi)阻是指電流通過電池內(nèi)部時受到的阻力，包括歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻。1）歐姆內(nèi)阻。歐姆內(nèi)阻主要由電極材料、電解液、隔膜的內(nèi)阻及各組件的接觸電阻組成。此外，電池的歐姆內(nèi)阻還與電池的尺寸、結(jié)構(gòu)、裝配等因素有關(guān)，如果結(jié)構(gòu)合理、裝配緊湊，則電極間距小，歐姆內(nèi)阻也小。2）極化內(nèi)阻。電池極化是指在電池工作過程中，由于電流的流動導(dǎo)致電極電位偏離平衡電極電位的現(xiàn)象。極化內(nèi)阻是指電池的正極和負極在進行電化學反應(yīng)時由極化引起的內(nèi)阻，包括由電化學極化和濃差極化引起的電阻。極化內(nèi)阻與電極和電解液界面的電化學反應(yīng)速度及反應(yīng)離子的遷移速度有關(guān)。特別是與電池的工作條件密切相關(guān)，放電電流和溫度的影響很大。放電電流不相等，產(chǎn)生的電化學極化和濃差極化均增大，使得極化內(nèi)阻增大。在低溫下，極化內(nèi)阻也會增大，因此，極化內(nèi)阻不是一個常數(shù)，而是隨放電制度、放電溫度等的變化而變化。內(nèi)阻是決定電池性能的一個重要指標，直接影響電池的工作電壓、工作電流、輸出的能量和功率等，希望電池的內(nèi)阻越小越好。電池電芯——電芯性能能量動力電池的能量是指在一定放電制度下電池所輸出的電能，單位為

它影響電動汽車的續(xù)駛里程。電池的能量分為總能量、理論能量、實際能量、比能量、充電能量、放電能量等。1）總能量。總能量是指電池在壽命周期內(nèi)輸出電能的總和。2）理論能量。理論能量是指在一定標準規(guī)定的放電條件下，電池輸出的能量，其值等于電池的理論容量與額定電壓的乘積。3）實際能量。實際能量是指在一定條件下，電池所能輸出的能量，其值等于電池實際容量與平均工作電壓的乘積。4）

比能量。比能量是指單位質(zhì)量或者單位體積的電池所給出的能量，稱為質(zhì)量比能量（單位為W·h/kg）或者體積比能量（單位為W·h/L）。電池的比能量是綜合性指標。5）充電能量。充電能量是指通過充電機輸入電池的電能。6）放電能量。放電能量是指電池放電時輸出的電能。電池電芯——電芯性能功率電池的功率是指在一定放電制度下，單位時間內(nèi)電池所輸出的能量，單位為W或kW。電池的功率決定了電動汽車的加速性能和爬坡能力。比功率是指從單位質(zhì)量或單位體積電池獲取的輸出功率，也稱為功率密度，單位為W/KG或W/LO電池電芯——電芯性能.輸出效率動力電池作為能量儲存器，充電時把電能轉(zhuǎn)換為化學能并儲存起來，放電時釋放電能。在這個可逆的電化學反應(yīng)過程中，有一定的能量損耗，通常用電池的容量效率和能量效率表示。電池電芯——電芯性能電池電芯——電芯性能.自放電率電池電芯——電芯性能.放電倍率

電池電芯——電芯性能.使用壽命使用壽命是指電池在規(guī)定條件下的有效壽命期限。電池發(fā)生內(nèi)部短路或損壞而不能使用以及容量達不到規(guī)范要求時，電池的使用壽命終止。電池的使用壽命包括日歷壽命和循環(huán)壽命。日歷壽命是指電池可供使用的時間，包括電池的存放時間。循環(huán)壽命是指電池可供重復(fù)使用的次數(shù)。除此之外，成本也是一個重要指標。電動汽車發(fā)展的瓶頸之一就是電池價格太高。電池電芯——電芯制造技術(shù)以磷酸鐵鋰電池為例，將電池各種原材料進行加工，并組合形成電池產(chǎn)品，必須建立一系列生產(chǎn)工藝來對其質(zhì)量加以保證，同時制定合理的生產(chǎn)工序以保證生產(chǎn)過程合理。鋰電池生產(chǎn)工藝復(fù)雜、工序繁多，而且不同的電池類型、不同的生產(chǎn)廠家，鋰電池的生產(chǎn)工藝流程都有一定的差異，每一項工序都對電池性能有影響。總體來說，鋰電池的基本生產(chǎn)工藝流程分為前、中、后三個階段，前段工序的目的是將原材料加工成為極片，核心工序為涂布；中段工序的目的是將極片加工成為未激活電芯；后段工序是檢測封裝，核心工序是化成、分容，如圖3.5所示。圖3.5單體鋰電池生產(chǎn)的基本工藝流程

電池電芯——電芯制造技術(shù).極片制作(1)配料極片的制作步驟如圖3.6所示。首先對采購來的正負極活性材料、導(dǎo)電劑、黏結(jié)劑等原材料進行嚴格的檢驗。檢查好鋰電池的制作材料后，將不同比例粉末狀的正負極活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑、黏結(jié)劑等材料按照一定順序倒入真空攪拌罐，經(jīng)過一定時間的高速攪拌后混合均勻，調(diào)制成漿狀的正負極材料。攪拌過程中要盡量保證沒有氣泡產(chǎn)生，正負極活性物質(zhì)顆粒間靠黏結(jié)劑黏結(jié)在一起，攪拌效果直接影響電池性能。在配料過程中，活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑和黏結(jié)劑的配比對電池的各項性能（如電池的比容量電壓、內(nèi)阻、循環(huán)壽命等）有很大的影響，正負極材料的配比也是目前國內(nèi)外相關(guān)機構(gòu)的研究熱點。電池電芯——電芯制造技術(shù)制漿注意事項如下：1）攪拌時間的長短要考慮設(shè)備性能、材料配方和加入量。2）在攪拌的間歇過程中注意刮邊和刮底，確保分散均勻。3)漿料應(yīng)從高往低逐步調(diào)整固體含量。4)出料前對漿料進行過篩，除去大顆粒以防涂布時造成斷帶。5）漿料不宜長時間擱置，以免其沉淀或均勻性下降。負極制漿時可適當升高攪拌溫度，降低攪拌濃度，提高流動性和分散性，降低分散難度。此外，石墨與黏結(jié)劑溶液的極性不同，不易分散，可先用醇(乙醇、異丙醇)水溶液初步潤濕，再與黏結(jié)劑溶液混合。圖3.7所示為真空行星攪拌機電池電芯——電芯制造技術(shù)涂布涂布階段是將制成的漿料均勾涂覆在金屬箔的表面并烘干，分別制成正、負極極片。涂布的主要目的是將穩(wěn)定性好、黏度好、流動性好的漿料，均勻地涂覆在正負極表面上。其對鋰電池的重要意義主要體現(xiàn)在一致性、循環(huán)壽命、安全性三方面。在涂布過程中，若極片前中、后三段位置正負極漿料涂層厚度不一致，或者極片前后參數(shù)不一致，則容易引起電池容量過低或過高，且可能在電池循環(huán)過程中形成析鋰，影響電池壽命。涂布過程要嚴格確保沒有顆粒、雜物、粉塵等混入極片中，如果混入雜物會引起電池內(nèi)部微短路，嚴重時導(dǎo)致電池起火爆炸。因此，為使中段的卷繞工藝盡可能粗細均勻、緊密，要求正負極的涂布誤差盡可能小。涂布機的先進程度會直接影響電池化學性能的優(yōu)劣，以及最終產(chǎn)品的良品率(電池廠家通常要求在99%以上)。輥涂工作原理如圖3.8a所示，其中輥涂機由涂布輥、背輥、刮刀輥及其驅(qū)動系統(tǒng)組成。將漿液加入料槽中，涂輥和背輥同時轉(zhuǎn)動，背輥上的漿液就會轉(zhuǎn)移到有片的涂布輥上，從而把漿液均勻涂覆在電極板上，通過調(diào)整刮刀與背輥之間的間隙可以調(diào)節(jié)漿液轉(zhuǎn)移量的多少。箔片運行速度、箔片的張力、涂布輥的制造精度、轉(zhuǎn)動速度和平穩(wěn)性、烘于的溫度等參數(shù)將會直接影響涂布的質(zhì)量，進而影響鋰電池的各項性能。電池電芯——電芯制造技術(shù)極片制作工藝是制造鋰離子動力電池的基礎(chǔ)工藝，對設(shè)備的精度、智能化水平、生產(chǎn)性能的可靠性等要求非常高。目前，鋰離子動力電池行業(yè)已經(jīng)普遍采用狹縫式擠壓涂布技術(shù)。狹縫式擠壓涂布是一種先進的預(yù)計量涂布技術(shù)，送入擠壓模頭的流體全部在基材上形成涂層，對于給定的上料速度、涂層寬度、基材速度，可以較精確地預(yù)估涂層涂布量，而與漿料流體的流變特性無關(guān)。狹縫式擠壓涂布是一種預(yù)定量涂布方法，其工作原理如圖3.8b所示。通過螺桿泵將一定流量的漿料從進料口泵入模頭內(nèi)部流道并形成穩(wěn)定的壓力，最后將漿料從狹縫出口擠出，涂覆在移動的箔材（由涂布輥帶動）上，形成厚度均勻的濕涂層。電池電芯——電芯制造技術(shù)圖3.9為一臺涂布機，對漿料的涂布厚度可以精確到3μm以下，以80m/min的速度均勻涂抹到銅箔的正反兩面，而涂布前的銅箔厚度只有6μm，可以用“薄如蟬翼”來形容。較高質(zhì)量極片的特征為極片表面平整、光滑，敷料均勻、附著力好、干燥，不脫料、掉料和缺料，無積塵、劃痕和氣泡等。電池電芯——電芯制造技術(shù)輥壓涂布完成且對極片烘干后，需要通過輥壓機對極片進行輥壓，使極片上的活性物質(zhì)與箔片變得更加致密、緊湊并將極片壓實到合適的密度和厚度。在輥壓過程中，輥縫間隙的調(diào)整直接影響成型后的電池活性顆粒間距?；钚灶w粒間距過小，活性物質(zhì)粒子之間距離太過于緊密，電子導(dǎo)電性更強，但是離子移動通道變窄，不利于電荷容量的發(fā)揮，也會影響后續(xù)的疊片或卷繞工藝的質(zhì)量?；钚灶w粒間距過大，活性物質(zhì)與箔片之間的黏附性將大幅下降，極片在電解液中浸泡一段時間后黏附性將進一步下降，并將導(dǎo)致活性顆粒間距增大，有利于鋰離子移動，但不利于電子導(dǎo)電，放電極化增大?；钚灶w粒間距合適時，活性物質(zhì)與電解液將充分接觸，有利于活性物質(zhì)參與電化學反應(yīng)，宏觀表現(xiàn)為電池內(nèi)阻減小。輥壓機示意圖如圖3.10所示。電池電芯——電芯制造技術(shù)分切需將輥壓好的電極帶按照不同電池型號，切成裝配電池所需的長度和寬度。電池是分正負極的，極耳就是從電芯中將正負極引出來的金屬導(dǎo)電體，通俗地說，就是電池正負兩極的耳朵，是在進行充放電時的接觸點。極片分切設(shè)備如圖3.11所示。最后采用分切機將極片裁剪成合適的大小和形狀（也稱為分條），并充分管控毛刺（這里的毛刺只能在顯微鏡下看清楚）的產(chǎn)生，這樣做的目的是避免毛刺扎穿隔膜，產(chǎn)生嚴重的安全隱患。涂膜膜片經(jīng)冷壓分條后，極片邊緣容易出現(xiàn)波浪邊，如圖3.12所示。對應(yīng)圖3.12中的六種波浪邊的類型和機理簡述見表3.1。電池電芯——電芯制造技術(shù)電池電芯——電芯制造技術(shù)圖3.13所示為兩種壓實密度出現(xiàn)的分條收卷波浪現(xiàn)象，圖中左側(cè)的壓實密度是3.606g/cm’-128.5μm，右側(cè)的壓實密度是3.952g/cm’-118μm，可見密度越大，收卷波浪越明顯。電池電芯——電芯性能圖3.14為軋制過程中受力變形情況，軋制極片越到邊緣應(yīng)力越大，極片邊緣也變薄，導(dǎo)致邊緣延展不均勻，出現(xiàn)波浪。電池電芯——電芯制造技術(shù)電芯裝配(1)卷繞/疊片電芯裝配有疊片和卷繞兩種不同的工藝，采用疊片機或卷繞機將正、負極和隔膜制成電芯對的過程是電池生產(chǎn)過程的關(guān)鍵工序。疊片式電芯如圖

3.15所示，是通過手工或夾具將正極極片、隔膜、負極極片規(guī)則地層疊在一起，之后將多個極耳一起焊接成為裸電芯。先進的視覺檢測設(shè)備可實現(xiàn)自動檢測及自動糾偏，確保電芯極片不錯位。電池電芯——電芯制造技術(shù)卷繞是將裁剪好的正、負極片、隔膜先按順序疊放，然后按照卷繞的方式形成卷繞體。卷繞與疊片各有優(yōu)缺點，這兩種工藝支撐的電芯在電池內(nèi)阻、電阻壽命、電芯內(nèi)部受力情況等方面對比見表3.2。電池電芯——電芯制造技術(shù)從理論上講，卷繞式電芯的內(nèi)阻較高，不適合大電流充放電，倍率不如疊片電芯。但疊片式電芯的工藝更復(fù)雜，極片焊接過程也較難操作，所花費的成本也比較高，沒有卷繞式電芯的產(chǎn)品一致性高。在生產(chǎn)過程中，需要根據(jù)自身條件和電池要求來選擇合適的工藝，進而確定極片分切和后面的焊接、組裝等工藝。卷繞機如圖3.16所示。電池電芯——電芯性能(2)熱壓無論在卷繞中或者Z型疊片中，必須對隔膜施加一定的張力，以確保正極片、隔膜、負極片之間的整齊程度。然而工藝過程中的張力會使隔膜在走帶方向被拉長，隔膜在走帶方向的收縮量很大，會使得隔膜嚴重擠壓極片，從而導(dǎo)致電芯在組裝工藝（特別是卷繞工藝）后發(fā)生變形。變形后的電芯不僅外觀平整度差，內(nèi)部還會存在隔膜褶皺等缺陷，這會導(dǎo)致容量低、循環(huán)性能差及自放電快等質(zhì)量問題。尤其是卷繞較厚的電芯，卷繞后的變形問題尤為突出。另外，松散狀態(tài)的電芯厚度一致性也差，會影響電芯入殼工藝，增加入殼工藝的難度，甚至導(dǎo)致入殼時電芯損傷。電池電芯——電芯制造技術(shù)對電芯熱壓整形的主要目的包括：1）改善鋰離子電池的平整度，使電芯厚度滿足要求并具有高的一致性。2）消除隔膜褶皺，趕出電芯內(nèi)部空氣，使隔膜和正負極極片緊密貼合在一起，縮短鋰離子擴散距離，降低電池內(nèi)阻。對于方形電池，熱壓機裝置如圖3.17所示，上下模板就是平板，在壓力作用下平板合模平整電芯。而對于圓柱電池，熱壓整形裝置是固定在底座上產(chǎn)生相向運動的兩個氣缸，在氣缸活塞桿尾端帶有柱形槽的兩個半圓模，半圓模柱形槽的半徑相等且等于或小于預(yù)設(shè)卷芯半徑。利用機械手或夾具夾持卷芯放置在兩個半圓模的中心位置處，控制兩個氣缸帶動兩個半圓模合模相向運動，使得兩個半圓模對卷芯進行擠壓，從而將卷芯整形到預(yù)設(shè)的尺寸，使之能夠放入與之相匹配的外殼內(nèi)。電池電芯——電芯制造技術(shù)(3)烘焙、注液與封口首先要去除水分。水分是電池系統(tǒng)的大敵，為了減少濕度對電池性能的影響，需要對制成的電芯通過真空干燥箱進行再次干燥除水。電池烘烤工序就是為了使電池內(nèi)部水分達標，確保電池在整個壽命周期內(nèi)具有良好的性能。最后在手套箱中將電解液加入干燥后的電芯并進行靜置，使電解液充分浸潤極片，之后采用真空封口機將電芯完全封住，注液過程需要嚴格控制水分、氧氣等環(huán)境條件在規(guī)定的范圍內(nèi)，一般需要在充滿工業(yè)氮氣的手套箱中進行操作。電池電芯——電芯制造技術(shù).分容配組分容配組的流程主要包括以下四道工序。(1)電池化成在分容配組過程中，首先通過充放電方式將其內(nèi)部正負極物質(zhì)激活，同時在負極表面形成一層良好的鈍化層，即固體電解質(zhì)相界面(SEI膜)，這就是化成工藝。這實際上就是對電池進行第一次充電的過程，如圖3.18所示。電池電芯——電芯制造技術(shù)SEI電池電芯——電芯制造技術(shù)產(chǎn)氣不僅在首次充放電過程中產(chǎn)生，并且在隨后的兩次循環(huán)中還會繼續(xù)產(chǎn)生，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，產(chǎn)氣量逐漸減少?；煞磻?yīng)在首次充放電過程時進行得并不完全，在后續(xù)的充放電過程中還會持續(xù)進行，這是電池需要進行后續(xù)老化的主要原因之一。水分含量影響電池厚度，在電池封口以后，對于含水量較高的電解液，后續(xù)化成過程中產(chǎn)生大量的

Hz和CO2可能不容易溶解于電解液，會引起電池發(fā)生氣脹；而對于含水量較低的電解液，第二次循環(huán)以后產(chǎn)生少量CzHy氣體可以溶解到電解液中，不會導(dǎo)致電池發(fā)生鼓脹，同時水分過多還會導(dǎo)致電池首次不可逆容量增大。電池電芯——電芯制造技術(shù)電池電芯——電芯制造技術(shù)(2)電池分容

形成穩(wěn)定SEI膜后還需進行電池分容，分容測試即檢測電芯容量。分容是對電池進行充電放電，檢測分容充滿時的放電容量，來確定電池的容量。只有測試的容量滿足或大于設(shè)計容量的電池才是合格的。這個通過容量測試篩選出合格電池的過程叫分容。如圖3.20所示，電池的化成和分容通常集成在一個化成分容檢測柜中完成。(3)電池檢測

化成和分容后，還需經(jīng)過X-射線檢測、絕緣檢測、焊接檢測、容量測試等一系列“體檢過程”，對電芯進行檢測（包括外觀及性能檢測、氣密性檢測、耐久度檢測等)，并得出各個電芯的各項性能參數(shù)。電池一致性檢測如圖3.21所示。(4)電池分揀及包裝

根據(jù)上一步驟獲得的性能參數(shù)，分揀出合格產(chǎn)品，并對其進行包裝；對于不合格產(chǎn)品，將其置于不合格分類區(qū)，待進一步處理。制造好后的每一個電芯都具有一個單獨的二維碼，記錄著生產(chǎn)日期、制造環(huán)境、性能參數(shù)等。強大的追溯系統(tǒng)可以將任何信息記錄在案，如果出現(xiàn)異常，可以隨時調(diào)取生產(chǎn)信息。同時，這些大數(shù)據(jù)還可以針對性地給后續(xù)改良設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持。PART2電池模組電池模組

電池模組可以理解為鋰離子電芯經(jīng)串并聯(lián)方式組合，加裝單體電池監(jiān)控與管理裝置后形成的電芯與電池包的中間產(chǎn)品。其結(jié)構(gòu)必須對電芯起到支撐、固定和保護作用。從單顆電芯到電池模組的生產(chǎn)需要多道工序，目前模組生產(chǎn)一般都已經(jīng)半自動或者全自動化生產(chǎn)。

電池模組一一電池模組構(gòu)型純電動汽車動力電池的布局主要有網(wǎng)格布局、行狀布局和適應(yīng)模塊形狀布局三種方式，如圖3.22所示。適應(yīng)模塊形狀布局可以充分利用純電動汽車的空間，縮小動力電池系統(tǒng)體積，在很多車型上得到應(yīng)用。電池模塊的尺寸與電池單元的排布關(guān)系較大，對于圓柱形鋰離子電池，電池排布包括并行排列和錯位排列。圖3.23所示為兩種排列方式的電池模塊面積。錯位排列電池模塊所占體積較小，但是錯位排列固定較為困難，且有研究表明錯位排列的電池模塊電池的溫度均勻性較差?；诠潭ê蜕岬目紤]，電池單體采用并行排列的方式。電池模組一一電池模組連接動力電池作為電動汽車的能量來源，需要根據(jù)實際輸出的電壓和容量要求，將幾百個單體電池通過串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)的形式組成蓄電池組才能使用。串聯(lián)的主要目的是增加蓄電池電壓；并聯(lián)的主要目的是增加蓄電池容量；混聯(lián)的主要目的是既增加蓄電池電壓，也增加蓄電池容量，是常用的一種組合方式。電池模組一一電池模組連接電池模組一一電池模組連接電池模組一一電池模組連接電池模組一一電池模組連接電池模組一一電池模組連接電池模組一一電池模組連接常見純電動汽車動力電池的成組方式(1)北汽EU260動力電池的成組方式EU260動力電池的實物如圖3.32所示，該動力電池的成組方式如下：電芯數(shù)量共270顆，其中3并3串(3P3S)，共6個；3并6串(3P6S)，共12個，這樣總共18個電池模組分別串聯(lián)后形成動力電池總成。也就是說，總的成組方式是3并90串(3P90S)，單體電池標稱電壓為3.65V，電池總成標稱電壓為330V。(2)比亞迪e5動力電池的成組方式

比亞迪e5采用磷酸鐵鋰電池，如圖3.33所示，2016款比亞迪e5的動力電池由13個動力電池模組串聯(lián)構(gòu)成，動力電池總電壓為653.4V,總電量為

動力電池包高壓接口分別與13號電池模組的正極、1號電池模組的負極相連接；6、7、8號電池模組分別位于5、4、9號電池模組的上方；12號電池模組位于11號電池模組的上方；13號電池模組位于1號電池模組的上方。電池模組一一電池模組連接大眾ID.4動力電池的成組方式

如圖3.34所示，大眾ID.4動力電池主要有兩個電池版本，一個版本是9個模組，另一個版本是12個模組，單體電池均為方形。9模組的動力電池容量為62kW·h，每個電池模組的成組方式為2P12S，由韓國LG公司生產(chǎn)。12模組的動力電池又分為兩種，一種是由寧德時代(CATL)生產(chǎn)的，每個電池模組采用2P8S的成組方式，主要搭載在一汽大眾生產(chǎn)的ID.4車型上；另一種是由韓國LG公司生產(chǎn)的，容量為82kW·h，每個電池模組的成組方式為3P8S，主要搭載在進口大眾ID.4車型上。一汽大眾ID.4CROZZ搭載的動力電池的容量為84.8kW·h、電壓為352V，每個模組的成組方式是2P8S(2并8串)，12個電池模組按照圖3.34中的順序依次串聯(lián)形成電池包。如圖3.35所示，每個電池模組的內(nèi)部成組方式為2P8S，共12個模組，電池包的總成組方式是2P96S。電池模組一一電池模組連接(4)吉利EV450動力電池的成組方式

吉利EV450使用的是三元鋰離子方殼電池，由95個單體電芯組成，動力電池總成內(nèi)部包括10個1P6S電池模組和7個1P5S電池模組，額定電壓為346V，電池能量為52kW·h，采用水冷方式對電池進行冷卻。如圖3.36所示，靠近高壓配電箱有2層共6個電池模組，均為1P5S，上層1個模組，下層5個模組；靠近動力電池后部有兩層共10個模組，均為1P6S，上層5個模組，下層5個模組，如圖3.37所示；動力電池中間有1個1P5S電池模組，從而形成動力電池總成1P95S的成組方式。電池模組一一電池模組制造技術(shù)從簡單的一顆電芯到電池包的生產(chǎn)過程也是相當復(fù)雜的，需要多道工序，一點不比電芯的制造過程簡單。1.工藝流程(1)上料

將電芯傳動到指定位置，機械手自動抓取送入模組裝配線，如圖3.38所示。在寧德時代的車間內(nèi)從自動搬運材料到設(shè)備喂料，100%實現(xiàn)了自動化。(2)等離子清洗

涂膠前需要對電芯表面進行清潔，去除灰塵，保證電芯表面清潔度，提高粘接強度，如圖3.39所示。電池模組一一電池模組制造技術(shù)(3)涂膠

電芯組裝前，需要進行表面涂膠。涂膠除了固定作用以外，還能達到絕緣和散熱的目的。寧德時代采用國際上最先進的高精度涂膠設(shè)備以及機械手協(xié)作，可以以設(shè)定軌跡涂膠，同時實時監(jiān)控涂膠質(zhì)量，確保涂膠品質(zhì)，進一步提升了不同電池模組的一致性，如圖3.40所示。(4)端板與側(cè)板的焊接

電池模組多采用鋁制端板和側(cè)板焊接而成，通過機器人進行層壓和端板、側(cè)板焊接處理，如圖3.41所示。電池模組一一電池模組制造技術(shù)(5)線束隔離板裝配

焊接監(jiān)測系統(tǒng)準確定位焊接位置后，綁定線束隔離板物料條碼至生產(chǎn)調(diào)度管理系統(tǒng)(MES)，生成單獨的編碼以便追溯。打碼后通過機械手將線束隔離板自動裝入模組。如圖3.42所示。(6)完成電池的串并聯(lián)——激光焊接

通過自動激光焊接，完成極柱與連接片的連接，實現(xiàn)電池串并聯(lián)，如圖3.43所示。方形電芯模組工藝如圖3.44所示，其中導(dǎo)電連接要點是鋁巴與電芯電極配合度，電芯膨脹力需要鋁巴有伸縮量設(shè)計。電池模組一一電池模組制造技術(shù)軟包電芯模組工藝（以GMVolt為例）如圖3.45所示。18650圓柱形電芯模組工藝（以Tesla為例）如圖3.46所示。電池模組一一電池模組制造技術(shù)典型案例華數(shù)錦明是華中數(shù)控(SZ300161)旗下的子公司，是一家專注于工業(yè)機器人研發(fā)和系統(tǒng)集成的科技型制造企業(yè)。該公司的動力電池全自動模組電池包生產(chǎn)線先后供給國軒高科、天津力神、寧德時代等國內(nèi)知名動力電池企業(yè)。2018年其動力電池全自動模組生產(chǎn)線出口至美國，同年12月，創(chuàng)造出國內(nèi)生產(chǎn)速度最快的21700圓柱電芯模組生產(chǎn)線，單條生產(chǎn)線電芯處理速度可達到330PPM°。該公司的方形電池模組自動化裝配生產(chǎn)線包括電芯上料、電池處理檢測、電芯堆疊、側(cè)縫焊接、Busbar激光焊接、模組測試等功能，可以實現(xiàn)基于智能機器人的柔性化、信息化制造。全程采用信息采集模塊，對整套生產(chǎn)線進行全程監(jiān)控，中央控制系統(tǒng)全程控制生產(chǎn)過程；生產(chǎn)過程采用機器人技術(shù)代替人工生產(chǎn)，極少數(shù)工位設(shè)置人工干預(yù)，自動化程度高，單線處理能力可達20~60PPM。該公司的大圓柱電芯模組生產(chǎn)線主要圍繞4680圓柱電芯模組，包括電芯掃碼、OCV測試、等離子清洗、電芯Block堆疊、Block堆疊、模涂膠、模組氣密測試、CCS焊接、FPC焊接、模組電性能測試等整套生產(chǎn)流程。單條產(chǎn)線電芯處理能力可達100PPM，產(chǎn)線具有柔性、高穩(wěn)定性、節(jié)約設(shè)備占用空間的技術(shù)特點。該公司的軟包電芯模組生產(chǎn)線包括電芯處理（上料、檢測、極耳裁切/折彎/檢查/清洗、貼膠、貼泡沫等）、電芯堆疊（電芯配組、電芯緩存、極性檢查等）、極耳焊接（匯流排安裝、FPC安裝、FPC焊接、焊后檢查等）、模組裝配模涂膠（端側(cè)板安裝焊接、上下蓋安裝焊接、焊后檢測等)、模組測試下線(EOL測試、容量測試、尺寸檢查、模組靜置、模組下線等）等生產(chǎn)流程，主要包括測試、涂膠、焊接等工藝。單條產(chǎn)線電芯處理能力可達10~30PPM，具有產(chǎn)線柔性、自動化率高、可靠性和穩(wěn)定性高的特點。為解決鋰電模組線生產(chǎn)提速提效的需求，在大制造的時代降低設(shè)備的TCO(TotalCostPPM表示每月生產(chǎn)的電池包數(shù)量ofOwnership）費用大背景下，該公司還推出了“THEONE”模組生產(chǎn)線。在“THEONE”模組生產(chǎn)線的應(yīng)用下，目前大圓柱生產(chǎn)節(jié)拍可以做到100~400PPM，方形鋁殼可以做到20~60PPM，軟包可以做到30~50PPM、生產(chǎn)效率提高3~4倍。該方案有六大優(yōu)點：①靈活組合，一次性硬件投資下降10%~15%；②多SKU生產(chǎn)；③無工裝板設(shè)計；④堆疊后段可以靈活配置工藝需求，占地面積減少15%~40%；⑤極低的換型硬件投資；⑥結(jié)構(gòu)簡單、單元化、標準化。

PART3電池箱體電池箱體動力電池箱體承擔著對電池模組及高壓電控制和電子電器的安裝和保護功能，是純電動汽車“心臟”重要的保護外衣，是電動汽車安全性與可靠性的關(guān)鍵性因素。目前汽車行業(yè)使用的儲能鋰電池對正常工作環(huán)境要求較苛刻，對溫度、濕度、酸堿度都有要求。電池包箱體必須具有足夠的機械強度，能夠抵抗殼體彎曲、抗外力沖擊和抗異物擠壓，以及抗車身底盤傳遞的振動且具有足夠耐久可靠性能。箱體具有足夠機械強度的同時，還必須考慮其重量，如果電池包箱體過重，能攜帶模組電芯的數(shù)量將會減少，從而車輛的續(xù)駛里程就會縮短。目前純電動汽車電池包仍然是傳統(tǒng)設(shè)計方法，過于保守，因而體積質(zhì)量過大，箱體過于厚重，能量密度低，續(xù)駛里程與傳統(tǒng)燃油車相差甚遠。因此，設(shè)計一個結(jié)構(gòu)合理且能滿足機械性能要求的箱體非常有必要。電池包模組都是由電芯組成，合理的模組安裝和排布形式也非常重要，汽車行駛過程中會造成電池包振動、傾斜、翻轉(zhuǎn)，在這些極限工況下，模組電芯可能會脫落甚至侵入乘員艙內(nèi)；因此在動力電池包設(shè)計階段必須對其進行仿真和實驗，尋找最佳的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。電池箱體一一電池箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計動力電池包的設(shè)計目標是滿足整車開發(fā)設(shè)定的性能和功能要求，圖3.47為動力電池包的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計流程。從中可以看出動力電池包的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計流程主要包含4部分：參數(shù)確定、初始結(jié)構(gòu)設(shè)計、優(yōu)化仿真分析和實物搭建實驗分析。電池箱體一一電池箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計動力電池包的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計主要是模組設(shè)計，將眾多單體電池用支撐結(jié)構(gòu)固定聯(lián)結(jié)于一體，通過單體電池的串聯(lián)和并聯(lián)來保證電池包的額定工作電壓和系統(tǒng)總能量。模組要求結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高，強度和剛度滿足車載環(huán)境激勵及電池包安全要求，模組尺寸要限定在電池箱體尺寸內(nèi)，并能夠安裝相關(guān)電氣元件。電池包機械結(jié)構(gòu)還有“土”字型、“1”型，如圖3.48所示。電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計受安裝位置和整車布局包絡(luò)空間尺寸的約束，其主流設(shè)計方式是結(jié)合底盤和車身的一體化集成設(shè)計，依據(jù)車型結(jié)構(gòu)適當調(diào)整，可一定程度地減輕電池包本體受擠壓沖擊力，從而減少發(fā)生碰撞事故的概率。電池箱體一一電池箱體結(jié)構(gòu)分析目前許多長續(xù)駛里程的純電動新能源汽車整備質(zhì)量已達到2000kg以上，遠超過許多傳統(tǒng)燃油車的重量。其中很大部分是電池包重量，如特斯拉Model3長續(xù)航款電池包重達480kg，占了整備質(zhì)量的30%以上。因此，輕量化設(shè)計對電池包結(jié)構(gòu)優(yōu)化來說就顯得非常重要，在保證機械安全性能的前提下讓汽車攜帶的電池包中電芯數(shù)量達到最高。輕量化主要包括結(jié)構(gòu)優(yōu)化、輕量材料和先進制造工藝。隨著有限元軟件的推廣拓撲優(yōu)化是輕量化比較好的方法，拓撲優(yōu)化(topologyoptimization)是一種基于限定優(yōu)化條件、機械性能參數(shù)及變量范圍，對設(shè)計區(qū)域內(nèi)材料重新分布的優(yōu)化算法。連續(xù)體拓撲優(yōu)化方法主要有均勻化方法、變密度法、漸進結(jié)構(gòu)優(yōu)化法、水平集方法、離散結(jié)構(gòu)超松弛拓撲優(yōu)化方法，以及拓撲遺傳算法等。結(jié)構(gòu)優(yōu)化還包括尺寸厚度參數(shù)優(yōu)化和針對外形的形貌優(yōu)化，其中尺寸優(yōu)化是一種關(guān)于板殼等單元的參數(shù)優(yōu)化，比如板厚和梁的截面寬、長、厚等數(shù)值參數(shù)；形貌優(yōu)化是在薄壁件表面改變其形狀，增加凸包狀加強筋，從而增加零部件局部剛度，提高抗變形能力。電池箱體一一電池箱體結(jié)構(gòu)分析在純電動汽車快速發(fā)展的趨勢下，電池包結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計成為許多學者研究的熱門課題，國內(nèi)很多學者對這個問題做了研究。青島大學的冷曉偉對某型動力電池箱進行有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以靜態(tài)和動態(tài)分析為多目標的方法優(yōu)化部分承載梁，在改變較小的情況下提高承載梁剛度。為解決某型電動汽車電池箱在行駛中發(fā)生共振的問題，梁中等對該動力電池箱進行有限元建模與模態(tài)分析，求解出動力電池箱的模態(tài)頻率和振型，為避免車輪不平衡激勵而產(chǎn)生的共振，運用有限元仿真方法通過靜態(tài)力學和模態(tài)分析，對電池包結(jié)構(gòu)進行了相應(yīng)改進，然后對改進后的電池包進行仿真計算，對比優(yōu)化前后分析結(jié)果顯示電池包靜、動態(tài)性能都達到設(shè)計要求。劉立邦等研究電池包結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性，運用有限元仿真的方法，基于Lanczos法求解電池包結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率，通過模態(tài)分析查找設(shè)計不合理地方，并通過形貌優(yōu)化改進電池包箱體上蓋的形狀，對比優(yōu)化前后電池包上蓋固有頻率顯著提升，減少了電池包發(fā)生共振的可能性。吉林大學的李秋明研究了電池包裝配工藝，通過在薄壁件上增加凸包結(jié)構(gòu)，改變剛度，提高電池包低階模態(tài)。電池箱體一一電池箱體結(jié)構(gòu)分析在輕量化材料方面，張曉紅等以上汽某款電動汽車電池包為研究對象，研究新型材料碳纖維設(shè)計電池包箱體以達到減重的目的，該研究通過有限元仿真分析及機械性能評估表明碳纖維作為電池包箱體的可行性，并說明了其設(shè)計與制造思路。蘭鳳崇等提出基于電池包結(jié)構(gòu)多材料選型系統(tǒng)的優(yōu)化方法，該方法基于水平分析的設(shè)計方法，同時使用極差與方差統(tǒng)計學分析選擇多材料；優(yōu)化改進后箱體剛度和模態(tài)得到提高，且達到了重量減少8.72kg的輕量化效果，驗證表明此方法的可靠性。吉林大學的王國旺依據(jù)不同的使用工況，基于多材料設(shè)計理念，將綜合性能良好、具有成本優(yōu)勢的SMC復(fù)合材料應(yīng)用到上蓋板上，并對其進行基于模態(tài)頻率的形貌優(yōu)化和尺寸優(yōu)化，確定其最優(yōu)結(jié)構(gòu)形式。電池箱體一一電池箱體結(jié)構(gòu)分析從結(jié)構(gòu)材料來看，動力電池包結(jié)構(gòu)使用的材料主要有碳鋼、合金鋼、3系/5系/6系鋁合金、高分復(fù)合材料、碳纖維等。合金鋼適合用在承載件上，對于箱體和梁等結(jié)構(gòu)，很多優(yōu)秀的熱成型合金鋼強度極限能達到1000MPa。像電池包上蓋這種覆蓋件，主要起防護密封作用，選擇密度較低、硬度適中的鋁合金，其中3系錳鋁合金用于有防腐要求的底部擋泥涉水零件；5系鋁合金的主要特點是密度相對較低抗拉強度高，但是不能做熱處理；6系鎂鋁硅合金各項性能適中，可用于對抗腐蝕性、氧化性要求高的電池包結(jié)構(gòu)件上。碳纖維強度大、密度小、抗腐蝕性強，但是其塑性變形能力較差，且加工成本和效率低，加工工序?qū)Σ牧闲阅苡绊戄^大，仿真計算時本構(gòu)關(guān)系復(fù)雜。電池箱體一一電池箱體結(jié)構(gòu)分析關(guān)于電池包中結(jié)構(gòu)各部件之間的連接方式主要有焊接、膠粘、螺栓、鉚接、化學鍵合焊等。從力學角度分析，鉚接主要承受剪力，因其接觸面主要靠兩端凸起，故其拉壓力效果差。電池包結(jié)構(gòu)上的焊接主要是“熔接”，也是常見的加工連接方式；鍵合焊主要用于電芯電極與匯流排的連接，電芯的電極不同于其他焊接可熔化的母材，電芯要避免高溫、高壓、大電流。從質(zhì)量上來說螺栓最好，可靠性最高而且可拆卸，螺栓連接能夠承受拉壓和剪力，在電池包結(jié)構(gòu)連接中也隨處可見。隨著電動汽車市場占有