电池(包)制造工艺与生产规划

发布者:admin 发布时间:2019-10-27 08:05 浏览次数:

  电池(包)制造工艺与生产规划介绍 概述 ? 目前,主流的锂电池封装形式主要有三种,即圆柱、软包和方形,不同的封装结构意味着 不同的特性,它们各有优缺点。 2 圆柱电池简介 ? 圆柱形锂电池一般采用钢壳或铝壳封装,有诸多型号,比如18650、21700、26500等。 圆柱型锂电池采用相当成熟的卷绕工艺,自动化程度高,产品传品质稳定,成本相对较低。 目前,特斯拉已经启动了21700电池的规模化生产,或将在世界范围内引领一股“21700 风潮”。 NO PART 1 2 3 4 Cap-up 顶壳 PTC 热敏电阻 CID 电流阻断器 Vent 防爆阀 5 6 7 8 9 10 Gasket 密封圈 Top Insulator 顶部绝缘圈 Can 钢/铝壳 Bottom Insulator 顶部绝缘圈 Jelly Roll 卷芯 Tab 极耳 3 圆柱电池国内状态 ? 在白名单中筛选圆柱动力电池单体生产企业共23家: 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 厂家名称 深圳市比克动力电池有限公司 惠州亿纬锂能股份有限公司 浙江超威创元实业有限公司 深圳沃特玛电池有限公司 天津力神电池股份有限公司 远东福斯特新能源有限公司 浙江天能能源科技有限公司 东莞市迈科新能源有限公司 东莞市振华新能源科技有限公司 江苏天鹏电源有限公司 苏州宇量电池有限公司 江苏海四达电源股份有限公司 上海德朗能动力电池有限公司 江苏智航新能源有限公司 中天储能科技有限公司 东莞市创明电池技术有限公司 广东天劲新能源科技股份有限公司 山西皇城相府中道能源有限公司 广西卓能新能源科技有限公司 孚能科技(赣州)有限公司 广州鹏辉能源科技股份有限公司 珠海市鹏辉电池有限公司 河南新太行电源有限公司 现有合作伙伴 一汽、众泰、奇瑞、大巴 南京东宇、欧鹏巴赫、物流车 南京金龙、国宏汽车、重庆中力 东风、一汽 北汽、大众、一汽、江淮、广汽、康迪、华泰 众泰、北汽、江淮、大巴 奇瑞 公交、物流车、特种车 未找到合作伙伴资料 东风、众泰 未找到合作伙伴资料 有起火事故 未找到合作伙伴资料 成立于2012年7月,以前主要是数码产品 南京金龙、绿地方舟 康迪、力帆、金龙、吉利 未找到合作伙伴资料 公交、物流车、特种车 未找到合作伙伴资料 未找到合作伙伴资料 主要为数码产品 未找到合作伙伴资料 大巴、日产、东南、新大洋 4 圆柱电池国内状态 1、圆柱电池国 内外差距较大。 2、国内比克、 力神在产品能量 密度方面占据第 一梯队。 5 软包电池简介 ? 软包锂电池所用的关键材料—正极材料、负极材料及隔膜—与传统的钢壳、铝壳锂电池之 间的区别不大,最大的不同之处在于软包装材料(铝塑复合膜)。软包装材料通常分为三层, 即外阻层(一般为尼龙BOPA或PET构成的外层保护层)、阻透层(中间层铝箔)和内层(多功 能高阻隔层)。软包电池一般采用叠片工艺。 6 软包电池国内状态 ? 在国家白名单中筛选出13家做软包电池单体的供应商,增加北京国联,共14家企业: 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 厂家名称 上海卡耐新能源有限公司 万向A123系统有限公司 微宏动力系统有限公司 湖州天丰电源有限公司 浙江超威创元实业有限公司 珠海银隆新能源有限公司 中航锂电(洛阳)有限公司 中信国安盟固利 北京国能电池科技有限公司 天津力神电池股份有限公司 天津市捷威动力 骆驼集团新能源有限公司 妙盛动力科技有限公司 北京国联 现有合作伙伴 阿尔特,江淮,东风悦达起亚 海马、东风、广汽 公交大巴,金龙、福田、恒通、中通 吉利、知豆 南京金龙、国宏汽车、重庆中力 自主品牌 江南众泰、东风大巴、物流车 大巴、北汽、上汽 郑州日产、大巴、环卫车 北汽、大众、一汽、江淮、广汽 长安、东风、众泰、奇瑞 未找到合作伙伴资料 大巴 未找到合作伙伴资料 7 软包电池国内状态 1、软包电池国 内外差距较大。 2、国内力神、 妙盛、盟固利、 超威、捷威、万 向在产品能量密 度方面占据第一 梯队。 8 方形电池简介 ? 方形锂电池通常是指铝壳或钢壳方形电池,普及率在国内很高。方型电池有采用卷绕和叠 片两种不同的工艺。 9 方形电池简介 ? 叠片式是将正负极极片、隔膜裁成规定尺寸的大小,随后将正极极片、隔膜、负极极片叠 合成小电芯单体,然后将小电芯单体叠放并联起来组成一个大电芯。 模切 堆叠 焊接 封装和注液体 ? 叠片式工艺生产的电芯优点: ? 相当于多个小极片并联,降低了内阻,内阻较低,且因为内阻低极化小,放电平台高; ? 电芯极片隔膜之间受力面积一致,无明显应力集中点; ? 内部空间利用的较为充分,体积比容量和能量密度更高; ? 叠片式工艺相当于多极片并联,更容易在短时间内完成大电流的放电,倍率性能佳; ? 叠片式工艺生产的电芯缺点: ? 操作要求高,生产控制繁琐,次品率高; 10 方形电池简介 ? 卷绕式是将分条后的极片固定在卷针上随着卷针转动将正极极片、负极极片以及隔膜卷成 电芯的工艺方式。 NO 1 2 3 4 5 6 PART 正极片送料机构 隔膜放卷机构 负极片送料机构 轧压辊 卷绕机构 封贴及切断机构 ? 卷绕式工艺生产的电芯虽然在电化学性能上略差于叠片式电芯,但优势在于生产自动化程 度高,制成容易,适合大规模生产。因此市场上的方形电池一般都为卷绕式工艺生产。 11 方形电池国内状态 ? 在白名单中筛选方形动力电池单体生产企业共16家: 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 厂家名称 惠州比亚迪电池有限公司 宁德时代新能源科技有限公司 合肥国轩高科动力能源有限公司 力神动力电池系统有限公司 中航锂电(洛阳)有限公司 江苏春兰清洁能源研究院有限公司 哈尔滨光宇电源股份有限公司 骆驼集团新能源电池有限公司 山东威能环保电源科技股份有限公司 山东衡远新能源科技有限公司 天津中聚新能源科技有限公司 芜湖天弋能源科技有限公司 河南锂动电源有限公司 东莞市迈科新能源有限公司 星恒电源股份有限公司 山东恒宇新能源有限公司 现有合作伙伴 自主品牌 大巴、上汽、吉利 大巴、北汽、上汽、江淮、众泰、新大洋 北汽、大众、一汽、江淮、广汽、康迪 江南众泰、东风大巴、物流车 一汽、东风等大巴示范车 大巴 未找到合作伙伴资料 大巴、众泰、一汽、福田、沂星 吉利、康迪 五洲龙、长江 比亚迪 大巴和物流车 公交、物流车、特种车 物流车、特种车 力帆、金华 12 方形电池国内状态 1、方形电池国 内外基本没有差 距。 2、国内CATL在 产品能量密度方 面一枝独秀。 13 圆柱、软包、方形电芯比较 圆柱电芯 软包电芯 ◎ ○ ○ ◎ ○ - 一般; 方形电芯 ○ ◎ - 好; 一致性 散热能力 倍率特性 组装难度 - 较好; ○ ◎ - 一般 - 较好; - 较好; - 一般 - 容易; - 较好; - 容易; - 一般; ◎ ◎ ○ - 较好; ◎ ○ - 较难; 回收再利用 优点 - 难; - 容易;; ◎ - 1、生产工艺最成熟,一致性好; - 形状可以多样化,占空间化比例小, - 1、容易模块化,标准化; - 2、成本低; 质量比能量和体积比能量好; - 2、易于固定,且热管理简单; - 1、内阻大,电芯内部不容易散热, - 1、不容易固定,容易鼓包; 寿命低; - 2、成本较高; - 2、Pack管理系统复杂, - 3、热管理复杂; - 1、安全防爆阀的设计要求高,一般 不能侧放或倒立; - 2、能量密度相对低; 缺点 △Unsatisfactory ○: Good ○ : Better ◎: Superior 14 圆柱、软包、方形电芯比较 Consistency 9.0 9.00 Thermal Removal 8.00 8.0 8.50 7.50 9.00 Energy Density 8.00 7.0 8.00 8.00 7.00 6.0 Life 9.00 8.50 8.00 6.00 5.0 7.00 9.00 Energy Cost Cylindrical 6.00 7.00 8.50 9.00 Safety 8.00 6.00 Stack in Pouch 8.00 8.00 Power Cost Jelly roll in Prismatic Can 9.00 Weight ?软包电芯单体能量密度最高,寿命可靠性较高,但工艺设备不够成 熟,成本较高。 ?圆柱电池工艺设备最成熟稳定,因此成本较低,但大功率充放电和寿 命较差。 ?方形电池各方性能居于圆柱电池和软包电池之间。 15 圆柱、软包、方形模块比较 圆柱电池模块 软包电池模块 方形电池模块 集成效率 - 圆柱型几何结构的局限性, 考虑到散热和安全需要预留 空间,模块集成效率较低; - 虽然NCA体系18650圆柱电 池能量密度高,但由于集成 效率较低,空间利用率较 差,导致能量密度不是很理 想; - 圆柱结构导流散热能力 差,不适宜高功率快充/快 放; - 其圆柱结构散热导流能力 差,且连接点和焊点较多, 导致模块寿命可靠性一般; △ - 软包方形结构利于集成,模 块集成效率较高; ◎ - 外壳为机械强度较高钢或铝 壳,且方形结构利于集成,模 块集成度较高; ◎ 能量密度 ○ - NCM体系软包电池能量密 度高,且集成效率高,空间 利用率较高,能量密度高; - NCM体系方形电池能量密 度高,且集成效率高,空间 ◎ 利用率较高,能量密度高; ○ 快充 / 快放 能力 △ - 其较强的散热导流能力,可 以进行高功率快充/快放; ○ - 其较强的散热导流能力,可 以进行高功率快充/快放; ◎ 寿命可靠性 ○ - 导流散热能力强,但软包结 构需要机械固定,电芯连接 可激光焊或超声焊; - 导流散热能力强,钢或铝壳机 械强度高 ,可超声波焊接,寿 ◎ 命可靠性高 ○ 成本 - 单体较多,因此为了保证温 度均一性和模块安全性,需 要增加额外成本; ○ - 软包结构需机械固定,增加 了额外成本; ○ - 集成效率高,机械性能好,且 易进行热管理,因此成本最 低; ◎ △Unsatisfactory ○: Good ○ : Better ◎: Superior 16 圆柱、软包、方形模块比较 成本 9.0 8.50 8.0 8.00 7.50 7.0 集成效率 8.00 8.00 7.00 6.0 7.50 7.50 9.00 能量密度 5.0 Cylindrical 7.00 7.00 Stack in Pouch Jelly roll in Prismatic Can 8.00 8.00 寿命可靠性 8.00 快充/快放能力 8.00 ?软包电池模块能量密度最高,集成效率较高,寿命可靠性较高, 但成本较高。 ?方形电池模块可以同时满足低成本,快充及集成效率,但能量密 度最低。 ?圆柱电池模块成本较低,但其他特性较弱。 17 圆柱、软包、方形电池包比较 圆柱电池包 软包电池包 方形电池包 组合性 能量密度 管理系统 - 电芯容量小,其模组组合性 更高; - 由于模块能量密度低,导致 系统能量密度不是很理想; ◎ - 电芯容量大,其模组组合 性能一般; - 由于模块可以集成很高能量 密度,且空间利用率较高, 因此系统具有较高能量密 度; - 大容量电池,管理系统 (尤其是热管理系统)相 对简单; - 导流散热能力强,但软包 结构需要机械固定; ○ - 电芯容量大,其模组组合性能 一般; ○ ○ ◎ - 由于模块可以集成很高能量 密度,且空间利用率较高, 因此系统具有较高能量密 度; - 大容量电池,管理系统 (尤其是热管理系统)相 对简单; ○ - 小容量的18650电池,管 理系统(尤其是热管理系 统)的复杂度是大大增加 了; - 其圆柱结构散热导流能力差 些,导致模块寿命可靠性一 般; - 管理系统和结构较复杂,成 本较高; △ ○ ◎ 寿命可靠性 ○ ◎ - 导流散热能力强,钢或铝壳机 械强度高 ,寿命可靠性高 ○ 成本 ○ - 模组结构较复杂,高性能液 冷系统较复杂,成本较 高; ○ - 模组结构简单,且易进行热管 理,因此成本最低; ◎ △Unsatisfactory ○: Good ○ : Better ◎: Superior 18 圆柱、软包、方形电池包比较 成本 9.0 8.50 8.0 8.00 7.0 7.50 8.50 管理系统 8.50 8.00 7.00 5.0 6.0 能量密度 7.50 8.00 Cylindrical 7.00 Stack in Pouch 7.00 7.00 Jelly roll in Prismatic Can 8.00 8.00 寿命可靠性 8.00 组合性 ?软包电池包能量密度最高,寿命可靠性较高,且热管理简单,并有 提高的空间,系统成本居中。 ?方形电池包可以同时满足低成本,热管理简单,且能量密度较高, 安全可靠性好。 ?圆柱电池包组合性好,但其他方面一般。 19 圆柱、软包、方形电池国内应用状态 供应商 LGC SDI CATL 比克 力神 盟固利 妙胜 万向 捷威 超威 类型 软包、圆柱 方形、圆柱 方形 圆柱 软包、圆柱 软包 软包 软包 软包 软包 质量能量密度 (Wh/kg) 254、267 210、260 210 218 212、200 200 200 187 191 193 体积能量密度 (Wh/L) 535、752 520、705 520 631 370、594 414 467 374 381 386 合作企业(乘用车) 通用、大众、上汽 宝马、大众、吉利 上汽、蔚来 一汽、众泰、捷新 东风、江淮、华晨 / / 上汽、奇瑞 长安、众泰 知豆 综合评价 (第一梯队)* (第一梯队)* 第一梯队 第二梯队 第二梯队 第三梯队 第三梯队 第三梯队 第三梯队 第三梯队 注:LGC、SDI目前尚未进入《行业规范条件》白名单。 20 圆柱电池模块构造 ? 在圆柱电池模组设计中,模组结构是多种多样的,主要根据客户和车型的需求来确定, 最终导致模组的制造工艺也不一样。 ? 圆柱电池模组一般由电芯、上下支架、汇流排(有的也称连接片)、采样线束、绝缘板 等主要部件组成。如果PCB采样板为分布式,则采样板布置在模块上。 21 圆柱电池模块制造工艺 1 2 3 4 5 6 下支架上料 电芯分选、扫码 电芯入下支架 电芯极性检测 上支架上料 螺杆固定上下支架 22 圆柱电池模块制造工艺 7 8 9 10 11 12 正极极柱清洗 汇流排清洗、上料 放置正极汇流排 正极焊接 焊点检测 安装正极绝缘板 23 圆柱电池模块制造工艺 13 14 模块翻转清洗 负极极柱清洗 15 16 17 18 19 18 放置负极汇流排 负极焊接 焊点检测 模组打码、贴标 模组下线 圆柱电池模块制造工艺说明 关键工序说明: 第二步 电芯分选、扫码 ? 电芯分选,一般按电芯的电压、内阻和容量规格进行分组; 电芯分选需要考虑分选标准的问题,标准制定得合理,会减 少剩余闲置的电芯,提升生产效率,降低生产成本。 ? 在实际生产过程中,还需要对电芯的外观进行检查,比如检 查电芯有无绝缘膜破损、绝缘膜起翘、电芯漏液、正负极端 面污渍等不良品。 ? 同时通过滚槽,将不满足电池尺寸一致性标准的电芯提前挑 出。 ? 有的供应商会将电芯分选放在整个工艺的第一步。 ? 电芯扫码的作用是建立档案,便于追溯。 第三步 电芯入下支架 ? 电芯入下支架是指把电芯插入下支架的电芯定位孔中。需要控制电芯与下支架孔之间的 配合公差。 ? 需要避免孔太大,导致电芯固定不好,影响焊接效果。 ? 同时要避免孔太小,导致电芯插入下支架定位孔比较困难,影响生产效率。 ? 一般可以把下支架孔的前端开成喇叭口,既便于电芯插入,又能固定好电芯。 25 圆柱电池模块制造工艺说明 第四步 电芯极性检测 ? 电芯极性判断属于必须的安全检查。 ? 可靠的电芯极性检测,能够避免电芯极性装反,以防在装入 第二面的汇流排时模组产生短路,导致产品毁坏,甚至导致 人员受伤。 第五步 上支架上料 ? 上支架上料包含盖上支架这步工序,是指把上支架盖到电芯上,并把电芯固定在支架 内。 ? 为顺利完成这一步工序,须要在前段电芯分选时控制好电芯尺寸的一致性,避免由于电 芯高低不一致而导致上支架不好盖或者盖不上。 ? 同时须保证电芯与下支架固定良好,电芯没有歪斜,不会造成上支架不好盖或者盖不 上。 26 圆柱电池模块制造工艺说明 第七步 正极极柱清洗 ? 无论是正极极柱清洗,负极极柱清洗,还是正负极汇流排的清 洗,都是利用等离子清洗法。主要是依靠等离子中活性离子的 “活化作用”达到去除物体表面污渍的目的,可以有效地去除 电芯极柱端面的污物、粉尘等,为电芯焊接提前做准备,以减 少焊接的不良品。 第九步 放置正极汇流排 ? 无论是正极汇流排安装,还是负极汇流排安装,都需要考虑汇 流排与电芯的位置精度,特别是定位基准的问题,目的是使汇 流排位置处于电芯极柱面的中心,便于焊接。 ? 进行汇流排安装时,需要增加防短路工装,避免在异常情况下 发生短路。或是通过上下支架设计,对正汇流排进行隔离。 27 圆柱电池模块制造工艺说明 第十步 正极焊接 ? 圆柱电池模块电芯与汇流排的焊接,一般采用电阻点焊的方 式。 ? 汇流排的材质、结构和厚度,电极(也称焊针)的材质、形 状、前端直径和修磨频次,工艺参数如焊接电流、焊接电压、 焊接时间、加压力等,以及焊接面的清洁度和平整度,这四个 方面都会影响到电芯焊接质量。 第十一步 焊点检测 ? 若焊接采用电阻焊方法,在焊接过程中,设备一般对焊接的参 数都有监控,假如监测到参数异常,设备都会自动报警。 ? 由于影响焊接质量的因素很多,在实际的生产控制中,一般还 会通过人工检查外观和人工挑拨汇流排的方式,再次检查和确 认焊接效果。 28 圆柱电池模块制造工艺说明 第十步 正极焊接 ? 圆柱电池模块电芯与汇流排的焊接,一般采用电阻点焊的方 式。 ? 汇流排的材质、结构和厚度,电极(也称焊针)的材质、形 状、前端直径和修磨频次,工艺参数如焊接电流、焊接电压、 焊接时间、加压力等,以及焊接面的清洁度和平整度,这四个 方面都会影响到电芯焊接质量。 第十一步 焊点检测 ? 若焊接采用电阻焊方法,在焊接过程中,设备一般对焊接的参 数都有监控,假如监测到参数异常,设备都会自动报警。 ? 由于影响焊接质量的因素很多,在实际的生产控制中,一般还 会通过人工检查外观和人工挑拨汇流排的方式,再次检查和确 认焊接效果。 29 软包电池模块构造 ? 软包电池模组一般由电芯、导热胶垫、铝框架+内框架(或直接L型铝框)、两侧端板(有 的也称外部框架)、固定拉杆(或绑带)、汇流排、汇流排托架、采样线束等主要部件组 成。 ? 软包电池模组的PCB采样板若为分布式,则采样板较多布置在模块两侧端板上。 30 软包电池模块制造工艺 31 软包电池模块制造工艺说明 ? 软包电池模组汇流排一般有两种方式,一种为波浪式,波浪形的铝质汇流排与铜质汇流排 在上料前已通过超声波焊(可外包)连接成完整一片汇流排。 ? 运用波浪式汇流排生产时,将汇流排置于电芯极耳和汇流排托架的上方,电芯极耳垂 直插入汇流排下方,正极极耳与铝质汇流排,负极极耳与铜质汇流排一一对应,并通 过激光焊接紧密连接。 ? 该方式具有连接内阻极小,串并联方式灵活的优点,同时焊接时不需要额外的夹具。 ? 该方式缺点是激光焊接对电芯极耳缝隙以及电芯极耳高度一致性要求很高,须保证电 芯极耳与汇流排充分接触,避免虚焊。 ? 用该方式生产效率较低。 ? 目前铜铝汇流排除了通过超声波焊接的方式连接之外,还出现了铜铝复合材料汇流排 (Cu/Al Clad Busbar)的应用。复合材料汇流排的连接强度较超声焊高,但是成本也 比较高。 32 软包电池模块制造工艺说明 汇流排 超声波 焊接 Busbar Fuse 两并波浪形汇流排 三并波浪形汇流排安装 33 极耳与波浪形汇流排间隙 波浪形汇流排(复检)压紧 软包电池模块制造工艺说明 ? 软包电池模组汇流排另一种为日字形: ? 运用日字形汇流排生产时,将日字形正极(铝质)汇流排,与日字形负极(铜质)汇 流排分别置于正负极电芯极耳与汇流排托架上方,电芯极耳向下进行折弯,使正极极 耳与铝质汇流排,负极极耳与铜质汇流排一一对应并紧贴,并通过激光焊接紧密连接。 ? 该方式工艺简单,易于控制。 ? 该方式缺点为激光焊接时需要增加夹具,以确保极耳和汇流排紧密贴连。 ? 使用该方式汇流排的模组,串并联灵活性较差。 34 软包电池模块制造工艺说明 日字形汇流排照片示意 35 软包电池模块制造工艺说明 ? 目前还有一种趋势,是将软包电池模组所有汇流排、汇流排支架、采样线集成在一起,成 为ICB(Inter Connection Board)。其中采样线一般用柔性电路板(FPCB)代替。 FPCB照片 ICB爆炸图 36 软包电池模块制造工艺说明 两头出极耳软包电芯模块应用ICB示例 37 软包电池模块制造工艺说明 一头出极耳软包电芯模块应用ICB示例 38 软包电池模块制造工艺说明 ? 使用ICB时,对汇流排支架设计必须特别注意。 ? 如果支架开口过小,由于集成度高,会导致ICB难于安装。 ? 如果支架开口过大,会造成焊接时,焊渣通过支架开口掉落到电芯上,导致电芯铝塑 复合膜熔穿,进而漏液。 汇流排支架开口 焊渣掉落熔穿铝塑膜后 电芯漏液照片 39 方形电池模块构造 ? 方形电池模组一般由电芯、内框架、钢/铝外壳、固定拉杆、汇流排、采样线束等主要部件 组成。 ? 方形电池模组的PCB采样板若为分布式,则采样板较多布置在模块上电芯正负极耳之间的 通道上。 40 方形电池模块制造工艺 41 方形电池模块制造工艺说明 ? 方形电池模组外壳侧缝焊接一般有两种方式,一种为激光焊: ? 激光焊具有焊缝宽度小,热影响区小,易实现自动化等优点,不会对电池产生不利的 影响。 ? 激光焊的主要缺点是对焊接位置要求非常精确,必须在激光束的聚焦范围内,必须使 用高精度夹具,保证焊件的焊接位置与激光束将冲击焊点对齐。 ? 我们利用激光焊来连接模组外壳时,一般采用穿透焊,而不是搭接焊,以避免外壳与 外壳搭边之间有缝隙而造成的虚焊。 ? 另一种焊接方式为冷焊CMT: ? CMT焊接,包容性强,对材料精度要求不高。 方形电芯堆叠 42 模组外壳激光焊接 电池模块焊接工艺分析 ? 电池激光焊接设备一般由激光发生器、保护气瓶、激光头、工作台(伺服系统)、控制台等 组成,有些还配有视觉跟踪系统(CCD)。国内领先的激光焊接设备供应商为深圳联赢和深 圳光大。 ? 电池极耳与汇流排完成激光焊接后,需要进行焊接质量测试。 ? 测试方法为1C放电测压降,测量位置为探针一头放在电芯极耳上,探针另一头放在极耳 和汇流排的焊缝连接处。 ? 若压降过大,则说明是虚焊。若压降远小于正常值,则也需要进行复查。 43 电池模块焊接工艺分析 ? 铝丝超声焊(Wire bonding)一般应用于IC领域,由TESLA首先应用于新能源汽车电池领域。 ? 采用铝丝,可实现重复焊接,大大提高了模块可维修性和回收率; ? 铝丝可以充当‘保险丝’,在短路时自动熔断保障电路安全; ? 铝丝满足汽车对连接处的应力要求和拉力测试要求。 ? 铝丝焊机国外领先供应商为美国库力索法和德国FNK。 铝丝焊模块 铝丝焊机 44 电池模块焊接工艺分析 ? 电阻焊优点: ? 成本低,自动化程度高; ? 电阻焊缺点: ? 焊接工艺因素波动大,焊接稳定性差; ? 接头抗拉强度和疲劳强度较低; ? 激光焊优点: ? 焊接形变小,可焊接小型且间隔近的部件,可焊接 薄件和细径线材; ? 激光焊缺点: ? 成本高,对定位准确要求高,对被焊材料的反射性 和导热性要求高,不能焊接异种材料; ? 铝丝焊优点: ? 焊机能耗低,能焊接异种材料; ? 铝丝焊缺点: ? 应用范围小,大多数情况下只适用于丝、箔、片、 条、带等薄件的接头搭接; 45 电池模块上胶工艺分析 ? 胶水在模组应用上,一般有两种用途: ? 一种用途是固定电芯,主要强调胶水的黏接力、抗剪强度、耐老化、寿命等性能指标; ? 另一种用途是把电芯和模组的热量通过导热胶传递出去,主要强调胶水的导热系数、耐 老化、电气绝缘性、阻燃性等性能指标。 ? 在胶水选择方面,需要考虑以下: ? 胶水的安全环保性能,尽量选择无毒无异味的胶水。 ? 胶水的表干时间:为了提高生产效率,一般希望胶水的表干时间越短越好。在实际生产 过程中,假如胶水表干时间过短,由于待料、设备异常等因素,会导致胶水的大量浪费; 也可能由于操作员处理不及时,因胶水固化时间短而导致设备堵塞,严重时导致停拉线。 按经验,尽量把表干时间控制到15~30 min比较合理。 46 电池模块上胶工艺分析 ? 胶水的用量主要由产品和工艺来确定, 目前常用打胶工艺有点胶、涂胶、喷胶和灌胶。 ? 圆柱电芯固定一般使用点胶方式; ? 温度传感器固定一般使用点胶方式; ? 软包电芯固定和堆叠,一般使用涂胶方式; ? 方形电芯固定和堆叠,一般也是用涂胶方式,但也有使用包胶(双面胶)方式的; ? 灌胶一般应用于模块导热胶灌注,有利于模块热管理; ? 喷胶方式由于工艺较复杂,现在应用较少。 点胶设备 47 涂胶设备 模块配组工艺 ? 模块配组是指分选设备通过电压、内阻、容量、自放电率等参数,对电芯进行筛选,使 组成同一电池包的电芯,满足同一标准,保证电池一致性。 ? 控制方法: ? 需要与供应商沟通模组及电芯的生产及出货日期,每批提供电子数据,交生产部门或 其它研发部分存档分析,并且需要供应商提供模组自放电率报告; ? 需要给出生产模组上线的使用周期,防止模组长时间不使用导致电压过低,并对模组 放置过长周期后,如何充电或者使用的方法做出规定; 48 模块配组工艺 ? 长时间搁置模块处理方式: ? 进行模块HSD(High-self Discharge)测试,具体方法为在室温条件下,对模块进行 OCV测试,得到一个初始电压V1。再把模块在室温条件下放置24小时,再进行OCV 测试,得到一个24小时自放电后的电压V2。计算(V1-V2)/24得到自放电率。 49 电池包构成 ? ? ? ? 电芯组合模块,包括电芯本体、电 芯组合结构支架、电子监控板(温 度、电压采样); 高压连接系统,包括高压电线、手 动维修开关、保险丝等; 电池管理系统,包括BMS、总电流 电压采样器等; 高压电分配系统,包括多路高压继 电器,以及高压插接件; 热管理系统,包括冷却板、冷却管 路或加热器,以及隔热措施; 结构防护系统,包括外壳、安装支 架等。 ? ? 50 电池包构成 51 电池包关键零部件-外壳 ? 主要受力点使用高强度钢作为支撑,其他部件可采用复合材料,既满足了整体防水防尘的 密封效果及绝缘要求,又有效保证结构强度,减轻了总体质量。上盖:要轻、要防火(温 度隔离)、防水和电磁屏蔽;下盖:简单来说就是承重,防火烧。 52 电池包关键零部件-外壳制造工序 铝托盘系统总成制造工序: 总 体 制 造 工 序 53 FSW搅拌摩擦焊接 电池包关键零部件-外壳制造工序 54 电池包关键零部件-外壳 电池包模块叠加设计问题、风险分析: 1.200kN挤压试验、跌落试验以及整车碰撞安全试验风险分析: 1.1冷却液泄漏安全风险 a.冷却系统处于模块底层; b.高压系统避免和冷却系统Z 向叠加; 1.2碰撞保护 a.模块不能受到挤压及硬物侵入; b.高压线束不能受到金属剪伤害; c.模块系统及高压系统应处于托盘 强硬实体框架的包裹之中; 1.3线束及管路设计 a.高压线束走线和冷却管路应简 明、清晰; b.避免紧密并行和交叉设计; PS: A.GM Volt碰撞起火事件主要原因之一:碰撞后冷却液泄露并滴落在模块上部MMB板引起短路,导致模 块上部塑料件高温融化,继而下部电芯极耳短路并起火失控; B.根据LG三元模块设计水平和实际摸底试验:模块底部仅浅层浸入水和乙二醇溶液中并不一定会引起 起火失控; 55 电池包关键零部件-外壳 电池包模块叠加设计问题、风险分析: 2.冷却系统设计问题分析: 上、下两层模块在冷却系统中处于线程回路上的同一位置,但却同时处于系统流阻上的显著不同位 置,为保证冷却均匀性,两层模块冷却板流量分配设计非常困难; 56 电池包关键零部件-外壳 电池包模块叠加设计问题、风险分析: 3.结构安全设计问题分析: 3.1系统重量 a.电池后端为避让后悬刀锋臂采用风险较高的悬 臂结构;; b.电池系统总重量和能量密度压力已到极限, 总体结构件增重5+kg; 3.2结构安全 电池系统所占整车重量的比重(22%左右)和 占底盘件比重(40%以上),平板型电池所形成的 低重心特点对电池系统GB/T安全试验、整车碰撞 安全(避免Z向弹跳)以及底盘操稳等均为有利; 38 340 57 电池包关键零部件-外壳 电池包模块叠加设计问题、风险分析: 4.系统可制造性和售后维修问题分析: 4.1上盖可制造性 4.2系统可制造性和售后可维修性 a.上盖(局部高度可达165mm,整体厚度1.2~1.5mm, 5系铝合金)深冲压制造无法实现(变薄及密封起 复杂线束连接、管路连接和结构连接设计, 皱) ; 导致系统批量可装配性和售后可维护性能非常差; b.如采用复合材料注塑制造,模具设计及模具成本 不可行; 58 电池包关键零部件-外壳 电池包模块叠加设计问题、风险分析: 基于电池系统集成设计要求,适合叠加设计的模块应具备如下特点之一: 1.扁平式的结构形式和快插式 2.冷却系统模块内置; 3.采取电芯Z向平铺叠加集成且采用侧边液 的高、低压接口; 冷形式或直接风冷的模块; 59 电池包关键零部件-外壳 电池包模块叠加设计问题、风险分析: ? 电池模块叠加设计风险和问题总结如下表 60 60 电池包关键零部件-热管理(冷却系统) 电 池 模 块 冷 却 板 乘 用 舱 蒸 发 器 热交换器 动力电池 水泵 外部系统 热量计算(工况法) 冷却系统设计 内部系统 仿线 空调压缩机 冷 凝 器 电池包关键零部件-高压部件 ? 手动维修开关(MSD)是为了电池包拆装及维护去切断电池包高压输出的安全装置。同时 它是高压主回路的保险丝(持续电流250A)。 ? EDM是电池包的执行机构。它包括主正、主负、快充、慢充和预充继电器去控制所有电池 包的高压电路输出。同时EDM有预充功能和电流冗余检测(LEM传感器)功能。 CSM ? 100-1000 Volts capable 适配100-1000 V BCM ?12/24 Volt Operation 12/24 V供电 ? Sets SOC / SOH and Current Limit SOC / SOH估算 ? Controls up to 7 contactors ? Voltage / Current Measurement 系统电压 / 电流测量 ? Real Time Clock 实时时钟 EDM ? Contactors and Pre-charge 接触器和预充电 ? Redundant Current Sensor 电流测量冗余设计 可控制 最大7个接触器 ? Controls Thermal System / Charger 热管理/ 车载充电 ? ISO Diagnostics compliant ?符合ISO规范的诊断设计 62 电池包关键零部件-Vent透气阀 ? 高分子膜,允许气体通过,平衡内外压力 差,阻止水通过,达到IP67要求。 63 电池包关键零部件-电器接口 Coolant OUT 出水口 High Voltage Connector (Onboard Charger) High Voltage Connector (Vehicle and Fast Charger) Low Voltage Connector to Charger (16-way) 慢充高压接插件 驱动及快充低压接插件 充电低压接插件 Low Voltage Connector to Vehicle (16-way) Coolant IN 进水口 整车低压接插件 64 电池包案例 65 电池包制造工艺 66 电池包制造工艺 67 电池包EOL工艺 ? 电池包气密性测试 ? 电池包电性能测试 ? CAN通讯 ? 继电器开闭 ? 绝缘电阻 ? 静态电流读取 ? 容量测试 ? Pulse测试 68 电池包EOL设备 电池测试设备 高低温箱 69 电池包制造生产机器人 70 电池包生产—产线形态与线体 ? 产线形态要求: ? 流畅性——各工序有效结合,相关联工序集中放置,流水化布局; ? 高效性——尽量减少搬运,流程不可交叉,直线运行,保持固定循环; ? 平衡性——工站之间资源配置和速率配置保持平衡; ? 经济性——在满足批量生产的条件下,尽可能利用空间,减少地面闲置; ? 柔韧性——对未来变化具有充分应变力,方案具有弹性; ? 放错性——首先从硬件布局上就注重预防错误,减少生产上的损失; ? 产线形态推荐: ? 逆时针排布——帮助员工实现一人完结作业和一人多机操作; ? 出入口一致——减少空手浪费,有利产线平衡; ? “U”型布置——减少步行浪费和工位数,降低操作工数量需求; 71 电池包生产—产线形态与线体 ? 线体选择: 线体类型 精益管线 皮带线 链板线 倍速链线 滚筒线 AGV线 线体优点 方便拆装 线体缺点 线体造价 最便宜 线体选型 推荐度 低 低 低 主推 低 趋势 自动化低,运输无 动力 控制简单,价格便 多适用于小型产品 宜 的取上取下生产 负重出色 不用取件,可在线 停下来进行作业 可以做长距离运输 负重出色,无人化 作业进行搬运 适用于试制 线V 较便宜 系统 适用于商用 需要在行进中作业 比皮带线贵 车电池包总 适用于组装 电气控制复杂 昂贵 线 比倍数链线 适用于线体 声音大,易磨损 稍便宜 包装端 自动化程序复杂, 适用于组装 运输距离较短,维 昂贵 线 电池包生产—信息化建设 ? 工厂需要采用MES系统,并进行再开发,用于精益生产管理: ? 工位具有触摸显示屏,包含动态指导操作,扭矩信息管理,关键零件信息追溯,电子 物料看板功能等; ? MES与各个设备通讯,能够检测设备状态,扭矩信息,OEE等,并能自动生成报表; ? 先进的条码技术,帮助快捷查到相应电池包信息; 73 电池包生产—信息化建设 74


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