圓柱形動力電池模組，設計及實例

在動力電池的3個主要類型中，圓柱電芯雖然不是佔有市場份額最大的，但由於其在消費品市場的廣泛用途，使得它的商業化標準化卻是最為成熟的。其工藝經過多年的沉澱，穩定且一致性最好。三元材料的圓柱電芯，能量密度能做到210~250Wh/kg。大規模標準化的電芯，使得模組也具備了自動化生產的前提。

圓柱電池體積小，非常適用於空間不規則的電池包箱體內，可以充分利用邊角空間。雖然當前18650面臨被21700替代的問題，但小規模形狀複雜動力要求不高成本又比較敏感的車輛上，18650還是會在一段時間內保有自己的一方天地的。

模組基本結構

在圓柱電芯模組設計中，模組結構是多種多樣的，主要根據客戶和車型的需求來確定，最終導致模組的製造工藝也不一樣。模組一般由電芯、上下支架、匯流排（有的也稱連接片）、採樣線束、絕緣板等主要部件組成，如下圖所示。

結構設計

圓柱電池模組的結構設計，其目的是將多個圓柱電池固定在指定位置上，保證合理振動衝擊條件下，不要發生過大位移。電芯位置由電芯支架確定，如果遇到極端情況，電芯支架可能會變形，為了保持電芯之間的距離，一般都會單獨設計耐高溫、質量小的電信間距保持件。下圖中江淮iEV5模組中間的黑色部分應該就是這個類型的設計意圖。

圓柱電池模組內部，並聯比較容易實現，只要一塊母排將電芯的一極接入即可，但要做到電流密度分布均勻，熱場均勻，則是考驗工程師水平的地方。一般都盡量設計成較為對稱的結構，但模組進出線位置附近總歸與其他電芯均勻布置的位置不太一樣，因此是設計模擬的關鍵點。像特斯拉那樣，做出奇異形狀的並聯母排設計，應該是經過熱量和電流分布測算之後的結果（特斯拉模組在文章後半部分里找）。

動力電池模組散熱方式介紹

當前被探討比較多的就是液冷和相變材料冷卻。圓柱電芯液冷模組的典型就是特斯拉，在後面的實例中將做介紹。單純的液冷系統是將導熱良好的器件緊貼電芯放置，儘可能均勻且高效的將電芯工作過程中產生的多餘熱量帶走。

液冷可以像特斯拉那樣完全獨立運行，也可以與其他冷卻方式相結合。其中的一個重要形式就是與導熱硅膠結合，如下圖所示。導熱硅膠可以獲得比金屬接觸金屬更加緊密的貼合，進而獲得更好的傳熱性能。

電芯工作時產生的熱量通過導熱硅膠墊片傳遞至液冷管，由冷卻液熱脹冷縮自由循環流動將熱量帶走，使整個電池包的溫度均衡統一，冷卻液強大的比熱容吸收電芯工作時產生的熱量，使整個電池包在安全溫度內運作。導熱硅膠良好的絕緣性能和高回彈韌性，能有效避免電芯之間的震動摩擦破損問題，和電芯之間的短路隱患，是水冷方案的最佳輔助材料。

此液冷方案採用S型導熱鋁管、在鋁管上貼附異型導熱硅膠帶(在導熱硅膠帶與電芯接觸面增加凸起條紋),讓電芯與導熱管之間接觸面更大,導熱效果和減震效果更好。

圓柱形電池的電池模組PCM散熱結構，相變材料的應用，可以與液冷配合，也可以獨立使用。獨立應用則可以有多種排列方式。可以將PCM板材貼合在電池模組外部，輔助散熱，如下圖所示。據該實驗結果顯示，相變材料的存在也可以起到一定冷卻作用。

效率最高的方式，自然是電芯與PCM接觸面積最大的方式，範例如下。

相變材料用於熱管理電池組，首先計算出所需 PCM 的質量，再根據電池的形狀確定相變材料基體的幾何尺寸，製作相變材料基體，並在基體上均勻挖出與單體電池尺寸相同的洞，洞的數量由電池模組中能夠容納的單體電池數量決定。

這個形式的相變材料的應用在客觀上阻止了熱失控單體能量的傳播，被認為是一種比較理想的熱管理形式。

動力電池應用場景對相變材料的基本要求：

相變溫度低，需要適應鋰電池的最佳工作溫度區間15℃-35℃；

材料相變溫度小範圍內可以調節，不同類型電芯的最佳工作溫度區間並不完全一致；

材料定型形態，相變前後，最好不要出現液態氣態相；

材料潛熱大，則系統恆溫能力強；

傳熱係數要高，才能保持溫度均勻；

材料絕緣性好，避免高壓系統出現絕緣漏電風險。

相變材料質量密度低，減小對電池包能量密度的影響。

即使滿足了上述條件，相變材料的應用依然存在局限性。當環境極其惡劣的時候，比如溫度過高。相變材料吸收熱量的能力是有限的，當相變完成時，系統溫度自然上升。而當溫度過低且長時間過低，車輛的冷啟動必須吸收外部能量加熱才行。

圓柱電芯模組製造藝

1）電芯分選，模組工藝設計時，需要考慮模組電性能的一致性，確保 Pack 整體性能達到或滿足整車的要求。為了保證模組電性能的一致性，需要對電芯來料進行嚴格的要求。電芯廠家一般在電芯出貨前，也會按電芯的電壓、內阻和容量規格進行分組，但是電芯廠家與 Pack 廠家的最終需求是不同的，考慮到製造工藝、成本、電芯性能等因素，Pack 廠家一般會按自己的標準重新對電芯進行分選。電芯分選需要考慮分選標準的問題，標準制定得合理，會減少剩餘閑置的電芯，提升生產效率，降低生產成本。在實際生產過程中，還需要對電芯的外觀進行檢查，比如檢查電芯有無絕緣膜破損、絕緣膜起翹、電芯漏液、正負極端面污漬等不良品。

典型圓柱電芯模組工藝流程圖

2）電芯入下支架，電芯入下支架是指把電芯插入下支架的電芯定位孔中。難點在於電芯與下支架孔之間的配合公差，孔太大，方便電芯插入，但是電芯固定不好，影響焊接效果；孔太小，電芯插入下支架定位孔比較困難，嚴重的可能導致電芯插不進去，影響生產效率。為了便於電芯插入，又能固定好電芯，可以把下支架孔前端開成喇叭口。

下支架開喇叭口示意圖

3）電芯極性判斷，電芯極性判斷是指檢查電芯的極性是否符合文件要求，屬於安全檢查。假如沒有極性檢查，而電芯極性又裝反了，在裝入第二面的匯流排時模組就會產生短路，導致產品毀壞，嚴重的可能導致人員受傷。

4）蓋上支架，蓋上支架是指把上支架蓋到電芯上，並把電芯固定在支架內。一般情況下，蓋上支架比電芯入下支架困難，一是與圓柱電芯的生產工藝有關，工藝裡面有個滾槽工序，假如控制不好，會導致電芯尺寸的一致性差，影響蓋上支架，嚴重的會蓋不上去；二是電芯與下支架固定不好，導致電芯有一定的歪斜，導致上支架不好蓋或者蓋不上。

5）模組間距檢測，模組間距檢測是指檢測電芯極柱端面與支架表面的間距檢測，目的是檢查電芯極柱端面與支架的配合程度，用於判斷電芯是否固定到位，為是否滿足焊提前判斷是否滿足焊接條件。

6）清洗，等離子清洗是一種干法清洗， 主要是依靠等離子中活性離子的「活化作用」達到去除物體表面污漬的目的。這種方式可以有效地去除電芯極柱端面的污物、粉塵等，為電阻焊接提前做準備，以減少焊接的不良品。

7）匯流排安裝，匯流排安裝是指把匯流排安裝固定到模組上，以便電阻點焊。設計時需要考慮匯流排與電芯的位置精度，特別是定位基準的問題，目的是使匯流排位置處於電芯極柱面的中心，便於焊接。在進行上下支架設計時，要考慮對匯流排的隔離；假如不好做隔離設計，在工序設計時需要考慮增加防短路工裝的使用，可以避免在異常情況下發生短路。

8）電阻焊接，電阻焊接是指通過電阻焊的方式把匯流排與電芯極柱面熔接在一起。目前國內一般採用電阻點焊，在進行電阻點焊工藝設計時，需要考慮以下 4點：

（1）匯流排的材質、結構和厚度；

（2）電極（也稱焊針）的材質、形狀、前端直徑和修磨頻次；

（3）工藝參數優化，如焊接電流、焊接電壓、焊接時間、加壓力等；

（4）焊接面的清潔度和平整度。

在實際生產中，失效因素非常多，需要技術人員根據實際情況來分析處理。

9）焊接檢查，在電阻焊接過程中，設備一般對焊接的參數都有監控，假如監測到參數異常，設備都會自動報警。由於影響焊接質量的因素很多，只通過參數監測來判斷焊接失效，目前結果還不是特別理想。在實際的生產控制中，一般還會通過人工檢查外觀和人工挑撥匯流排的方式，再次檢查和確認焊接效果。

10）打膠，膠水在模組應用上，一般有兩種用途：一種用途是固定電芯，主要強調膠水的黏接力、抗剪強度、耐老化、壽命等性能指標；另一種用途是把電芯和模組的熱量通過導熱膠傳遞出去，主要強調膠水的導熱係數、耐老化、電氣絕緣性、阻燃性等性能指標。由於膠水的用途不同，膠水的性能和配方也不同，實現打膠工藝的方法和設備就不同。在膠水選擇和打膠工藝方面，需要考慮以下 3 點：

a膠水的安全環保性能：盡量選擇無毒無異味的膠水，不但可以保護操作者，也可以保護使用者，還能更好地保護環境，也是新能源發展的目標。

b膠水的表干時間：為了提高生產效率，一般希望膠水的表干時間越短越好。在實際生產過程中，假如膠水表干時間過短，由於待料、設備異常等因素，會導致膠水的大量浪費；也可能由於操作員處理不及時，因膠水固化時間短而導致設備堵塞，嚴重時導致停拉線。按經驗，盡量把表干時間控制到15～30 min比較合理。

c膠水的用量： 膠水用量主要由產品和工藝來確定， 目的是滿足產品的要求。目前常用打膠工藝有點膠、塗膠、噴膠和灌膠，每種工藝所需要的設備也是不同的。在打膠時需要注意膠量的控制，避免產生溢膠而影響其他工序。

11）蓋絕緣板，蓋絕緣板是指把模組的匯流排進行絕緣保護。在工藝設計時，需要注意絕緣板不能高出支架的上邊緣，同時絕緣板與支架邊框之間的間隙最好小於1 mm。

12）模組 EOL 測試，EOL測試（end of line）（一般也稱下線測試）是生產過程中質量控制的關鍵環節，主要針對模組的特殊特性進行測試，主要測試項目有：

a絕緣耐壓測試；

b內阻測試；

c電壓採樣測試；

d尺寸檢測；

e外觀檢查。

測試項目一般根據客戶和產品的要求來增減，其中安全檢測項目是必不可少的。

13）轉入 Pack組裝或入庫，經 EOL 測試合格的模組按規定轉入Pack 組裝工序或入庫，轉運過程中需要對模組進行絕緣保護和防止模組跌落。

通過圓柱電芯模組生產工藝流程的介紹，針對不同的客戶和產品，工藝流程的設計是不同的，目的都是為了快速地響應客戶和市場的需求。

在進行模組工藝流程設計時，一般需要考慮以下幾點：

1）安全性：產品安全和安全生產；

2）電性能：容量、電壓、內阻、性能的一致性；

3）生產節拍：節拍越高，表示產能越大；

4）尺寸：外形尺寸和固定尺寸；

5）工藝路線：指關鍵工藝的選擇和確定；

6）成本：產品設計和工藝設計時都需要考慮的要素。

通過上面的分析，僅僅把模組工藝流程設計好是不夠的，還需要有完善的生產體系來支撐，才能製造出讓客戶滿意的產品。

作為一名研發設計人員，如果能夠詳細了解所在體系的生產能力，將事半功倍。

知名車型動力電池模組案例

Tesla Model S，使用圓柱形18650鋰電池的車型，首先想到的當然是風頭無兩的Tesla，雖然最近Tesla 過得好像不太好。Roadster，Model S，Model X幾款都是18650電池包驅動，到了Model 3升級到了21700。

以 Model S為例，一起看看18650模組，可能大家在網上看的不少，這裡也是整理自網上的資料，就大概說一下。

電池包

模組

上面第一幅圖中標示的紅線，是一個模組內6隻小模組的分界線，分界線上安裝有隔板將6個部分分割開來，避免其中一個部分發生熱失控時，其餘部分過快的受到波及，造成短時間劇烈的發熱甚至爆炸，隔板如下圖所示。

Model S 85 一共有 16 塊電池組，每個模組包含有 444 節電池，每 74 節並聯成一組，整塊電池板由 6 組電池串聯而成。可以算出在這款 Tesla Model S 85 車型上一共有 7104 節 18650 鋰電。

每顆電芯都有一極通過保險絲與並聯母排連接，如下圖中纖細的銀線就是每顆電芯的保險絲。

沒有看到模組內部每個小模組之間的連接方式。

每一隻模組側面安裝有模組控制器線路板，如下圖。

線路板特寫

下面一幅圖中顯示的電池包爆炸圖，其中棕黃色部分的顯示了水冷管道的整體形狀。據說，網上流傳的被拆解了的特斯拉電池包，都是只有水冷管道，而冷卻系統中並沒有泵的存在。冷卻液依靠熱脹冷縮在小範圍內流動。如果初始狀態電芯一致性非常好，電池組內部的熱量不均衡差異很小，只在小局部內相互均溫就可以達到消除溫差的作用。但如果需要啟動加熱功能，則這種局部流動就無法達成快速大量傳熱的目的了。

江淮iEV5，國內使用圓柱電池的車型不多，比較著名的應該算江淮iEV5，盜圖來看一看。電池包總體32並92串，共2944顆電芯，合計23kWh電量。冷卻方式為主動風冷。

電池包整體

模組

力神2200mAh三元電芯，一個模組32顆電芯全部並聯。沒有找到顯示電氣連接和信號採集線的圖片。

每顆電芯上的熔絲結構與特斯拉不同。

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