锂离子动力电池成组技术及其连接方法

锂离子动力电池成组技术及其连接方法

发表时间：2016-08-26T11:16:09.417Z 来源：《电力设备》2016年第12期作者：杨明[导读] 在混合动力汽车领域，动力电池技术将发展成我国乃至全世界的发展中心。

杨明

（上汽万向新能源客车有限公司）摘要：本文笔者结合工作经验分析了锂离子动力电池成组技术和连接方法进行分析，可供参考。关键词：锂离子；动力电池；连接工艺在未来几年时间内，新能源汽车领域的发展中心和发展方向为：在纯电动汽车领域，我国和世界的技术发展步伐将差不多保持同步，电池材料问题将成为以后发展过程中务必要解决的重点问题；在混合动力汽车领域，动力电池技术将发展成我国乃至全世界的发展中心。大家都知道，锂离子动力电池是以电池包的形式被广泛地运用到新能源电动车内，动力电池模组是依靠多种单体电芯串联并联组装构成的，单体电芯间的加固和连接要求连接电池和片的极柱的接触电阻小、稳固、能成功抵御振动。实际上，锂离子动力电池的质量比能量密度、体积功率密度以及体积能量密度都和动力电池系统内部单体电池间的连接工艺和结构存在着巨大关联性，本文将简单地介绍锂离子动力电池的连接方法和成组方法。

一、不同极柱类型电池的连接工艺动力电池系统在成组的过程中，单体电芯间连接片的连接通常需借助电阻焊、激光焊、螺栓机械紧固。每一颗电芯间连接的紧实性与统一性都会对整车安全以及整体电池模组能量的发挥起到重大的影响。

1.外螺纹极柱型电池

外螺纹极柱型电池一般选取螺栓螺母进行机械紧固，单体电池间一般运用机械锁紧的连接技术。如此，能增加组装的灵便性，但也会导致外螺纹极柱的组装空间远远超过其他极柱，从某种意义上讲其会影响到体积能量密度。螺母或者螺栓机械锁紧是指依靠螺母把带螺纹极柱和连接片拧紧固定，以免出现松动。在连接防松设计方面，其涵盖了机械防松、摩擦防松以及永久防松三种。

通常而言，机械防松可选取销子防松、槽形螺母防松以及止动垫片防松等；摩擦防松可选取自锁螺母防松以及弹簧垫片防松等；永久防松可采取螺纹紧固胶防松等。在实践过程中，若想便于后期更换或者拆卸电池，则应运用机械防松方式。在验证其抗震动性等性能后，确认符合标准才可投用。对于外螺纹极柱型电池，新型结构的大容量圆柱型电池，其极柱留有用于激光焊接的平台的同时，平台上方又有外螺纹极柱，用激光焊接连接片的同时，又用螺母通过螺纹极柱对连接片拧紧固定，再用特别设计的保护支架对电池固定。其组装工艺如下:一种圆柱动力锂离子电池的成组组装工装，包括设置在多个排列在一起的单个电池极柱之间的保护支架。保护支架整体为上表面为方形平面，且四周均匀设置有4根支柱，该保护支架的方形平面正中间设置有长方形固定卡槽，任意对称的2边设置有卡座且个数相同，剩余对称的另外2边设置有卡扣个数也相等。该工艺具有结构简单、稳定耐用、生产能力强、原料易于加工的优点，有效克服了市场上电池组连接容易松动、结构不稳定、连接易脱落、制作成本高、生产效率低的缺点。以上这种利用圆柱锂离子电池成组组装的方法。3个排列在一起的单个电池组装成电池组后，将保护支架正中间设置的长方形固定卡槽分别直接卡入电池的正、负极柱上，保护支架卡槽和电池极柱嵌合在一起，保护支架之间通过卡座与“工”型拼装卡扣连接;最后可以将多个排列在一起的单个电池组装成电池组。锂离子电池的成组组装的方法，连接简单，而且连接后能一直保持电池固定状态，连接片与极柱的接触紧配，能保证电路一直处于低内阻状态。

2.平头型极柱电池

平头型极柱的电池一般选取电阻焊焊接的方式，电阻焊是借助工件组合的方式，以电级施加压力，运用接头的接触面与附近范围形成的热，加热焊接接触点，直至其达到熔化或者塑性状态，再把工件组合焊接至一块的焊接工艺。电阻焊的优势在于其在组装动力电池模组的过程中，以连接片并联或者串联单体电池，再借助电阻焊使连接片被焊接至电池极端上面，组装工序较为便捷。在焊接过程无需加入辅助性焊接材料，通过批量生产的方式促使机械自动化的目的得以实现，其设备本成本要少于激光焊机。动力电池模组的电芯间选取电阻焊焊接加固的方式，待该项工作完成后，会大大提高电池模组的体积能量密度以及质量能量密度。其缺陷在于电池间的连接片材料需受限，铝焊接作用达不到预期效果、后期更换拆卸单个电池难度大等。平头型极柱的电池也可采用激光焊接连接。激光焊是利用高能量的激光脉冲对工件需要加工区域进行局部加热。激光辐射的能量通过热传导向材料内部扩散，将材料熔化后形成特定熔池来完成焊接的目的。该工艺主要具有以下一些优点:①在组装动力电池模组时，激光焊接的焊接精度高、强度高、焊接效率高;②在大批量组装生产时，更易于实现自动化生产，保证产品的一致性和质量;③凭借激光焊焊接的优势，电芯之间串联或并联的连接片都可用铝材质代替铜连接片，如此可以提高焊接效率，焊接强度，减少生产材料成本，减轻电芯模组质量，进一步提高整车电芯模组的能量密度。而缺点主要为:①连接片与电池焊接处的平整度要求高，焊接夹具需高精度满足焊接精度要求;②设备比较昂贵。

3.条型极耳的聚合物电池(电芯)目前聚合物电芯的连接工艺，主要有焊接与不焊接(机械压紧接触式)的2种方式。

(1)悍接

焊接涵盖了锡焊与激光焊两类。因动力电池组面积大，超声波焊头位置不易碰触，因此很少运用超声波焊接，相较而言，激光焊接更为妥当。锡焊的高温工艺的运用在某种程度上会使聚合物电芯极耳处的密封增加风险，因锡的比重大导致电池组的质量的进一步提升。总之，不管是采取锡焊还是激光焊成组工艺，均对单体电池的更换不利。

(2)不焊接(机械压紧接触式)

不焊接即可拆卸替换聚合物电芯模组的连接结构与方法，把每个电芯当成独立单元，串并联好每个单元，同时可有效确保每颗电池可替换、可拆卸。此技术的优势在于支持单颗电池可拆卸替换。

聚合物电芯模组成组方法，解决了成组后单体电池不易更换的问题，提高了电池组的安全性。此外，电池组更换单体电池时只要卸下金属板和金属网卷绕体，将极耳弄直就可以快速取下需要更换的单体电池，避免了以往传统的极耳被锡焊接在镀锡区所存在的缺陷，电池的质量也更轻，避免了传统焊锡工艺高温对聚合物电池芯极耳处密封的损坏和焊接不良导致的虚焊，提高了组装效率。在单体电池与外壳之间的缝隙中填满低粘度液体胶并将其固化成具有弹性的胶体，该胶体介质具有阻燃、导热的特性，有利于单体电池之间的温度一致，同时具有隔绝单体电池与空气接触，防止热失控的发生，提高电池组的安全性。

二、对锂离子动力电池成组的加热或降温方式

在北方温度偏低的季节内运用电池组，在成组时添加聚酞亚胺加热膜等加热膜。在给电池组充电的过程中，应率先针对内部电池加热，结合环境变化调节电池系统，运用嵌入的热传导装置与管理线路模块进行自动加热。在南方温度偏高的季节内运用电池组的话，可考虑通过空调风或者其他途径在电池组附近对其实施降温处理，同时在电池组中加入导热硅胶等诸多材料，向电池包的外壳中进行热传导，从而实现电池组内部降温的目的。针对全极耳结构的大容量圆柱形电池，因集流体铝箔具有较强的导热作用，故电池芯中的热可借助全极耳结构传输至电池芯的端盖或者外壳，然后通过导热硅胶等诸多材料传输到电池包的外壳上。从性能上看，材质为硅胶的且配备发热丝的复合膜的性能是最佳的，其大约有1.5mm厚，富有弹性，和电池表层加热的均匀性佳、贴合性好、导热作用明显。而聚酞亚胺加热膜具有薄的优势，且配备了聚醋材质的加热膜。

三、结语

锂离子动力电池成组过程中会用到激光焊接极柱和连接片，并选用螺母将连接片的位置固定，其有着防震动、可靠性强、冲击作用显著、牢固的优势。同时，采用特殊设计的保护支架固定电池，使其具备紧固、组装效率高、简便的优势，从而促使电池成组加工成本高、工序复杂程度高等问题得到妥善地处理。另外，拆卸替换聚合物电芯模组的连接结构与方法具有操作简单、后期维护成本低、便捷等优势。此外，还指出了动力电池包散热问题的应对策略。

参考文献

[1] 刘永泽.锂离子动力电池发展现状及应用前景[J].黑龙江科技信息. 2016(09)

[2] 张俊英,张娜,邹玉峰,刘萍,袁树明.大容量锂离子动力电池的研制[J].电源技术. 2013(12)