[乾貨] | 動力電池系統設計電連接技術路線——2017中國新能源汽車動力電池系統先進電連接技術論壇...

12.2號，2017中國新能源汽車動力電池系統先進電連接技術論壇在上海成功舉辦，吸引了400餘名行業精英參與，60 動力電池/pack企業、30 新能源汽車整車企業、150餘名電連接技術專家；8個精選電連接主題以及一場6位行業電連接專家同台對話沙龍，這是一場知識盛宴，更是一次思維的碰撞一次行業的進步。

首位分享嘉賓是來自杭州捷能科技的陳敏陳老師，做 「動力電池系統設計電連接技術路線」 主題分享。

以下是分享內容：

各位業界的專家、同仁大家上午好，非常感謝咱們大家這麼早來參加這個論壇。我是來自杭州捷能科技有限公司的陳敏，我今天跟大家一起分享交流的內容是關於動力電車系統的電連接技術路線，討論這個題目比較大，但是我會在後面縮小一點。我今天的一個方向內容主要分為四個部分，上面三個部分是技術相關的，最後一個部分大概介紹一下我們公司的情況，我們直接進入正題。

我們來看看動力電池系統電連接的概念，什麼是動力電池電連接，包含了哪些內容，在設計的時候需要關注哪些？從廣義上來講，電連接不是一個新東西，只是前面加了一個前綴，所以它就變成了一個看起來比較專業的東西。電連接從廣義上來講是電器產品中所有電器迴路的集合。從狹義來講，是指產品內部不同導體連接起來的連接方式；在動力電池系統中，從廣義上來講包含的內容比較多，今天介紹的話，我會討論比較多是狹義上的這一塊。

在設計的時候我們關注哪些地方？既然是電連接，肯定對過電流能力是一個基本的要求，而電連接是動力電池系統中很重要的一環，需要高安全、高可靠性的，所以我們對它的可靠性和安全性是比較關注的；我們再來看一下電連接在動力電池系統有什麼樣的定位，這頁PPT借鑒了一位老領導的圖片。電連接在動力電池系統中有一個什麼樣的地位？我們要做一個安全、可靠、耐用的動力電池系統，其中一塊就是硬體基礎，硬體基礎是我們設計出來的，首先我們要有一個健壯體魄，要有一個長壽基因，還有一個智慧的大腦。在前面的成組中，電連接在健壯的體魄裡面發揮的作用相當於一個人體的神經網路和血管網路的作用，這是一個非常重要的部件。這是從技術層面來講，我們所說的重要性沒有必要用一些事故多危險來說明；我們說一些高興，一個是技術層面很重要。還有一個從成本層面的佔比，電連接在動力系統中，從設計端、工藝端、設備投入端成本佔比很大。物料成本將近佔了50%，當然我們把電芯除外；從工藝難度和節拍來講，電連接佔比非常高，將近佔到50%，而在設備投入是一個非常大的一塊。如果是動力電池企業或者PACK企業做這一快，優先要做的就是電連接關鍵工位，在設備投入佔了80%。

咱們剛才講了電連接在動力電池系統的重要性，再來看看它的表現形式是什麼樣？表現在哪些地方？它其實貫穿了PACK中非常多內容，以多箱PACK系統來看，在PACK層級，有高壓和低壓，還有一些電器件。在高壓箱的層級就更多，這塊涉及到一個安規，電氣件的選型等。所以在整個系統中它是無處不在，是一種很關鍵的連接方式。單個電箱的系統呢？相對來說比多箱系統簡單一點點，但是也是比較多的內容，它有兩條路線-高壓連接和低壓連接；，有模組級別、模組和模組之間、模組和系統之間。

我們剛才講了動力電池系統電連接的表示形式，我今天主要介紹電連接的概念和技術路線；在設計的時候第一要滿足過流能力，第二怎麼做到安全、可靠。當然涉及到安全可靠的就比較多，我就不一一介紹。介紹下狹義上的電連接設計安全要素，，我們知道在電連接設計的時候，在做安全可靠性設計時，一個很關注的就是怎麼去保護電池，在電連接位置我們怎麼去做到保護電池，因為電連接之後是要連接可靠，同時它是一些機械連接，在裝配的過程中很可能對一些器件產生損害，在這個過程中我們要怎麼保護電池，是一個很重要的點。舉個例子，大家可以看一下，這是一個方型模組輸出的設計方案，兩種設計其實單純從過流來講都可以滿足，但是從安全性、可靠性來講是有區別的。就前面來講，前面這個對電芯受傷的損害較小，後面一個比較大。這是安全的一些設計要素

今天主要介紹狹義上，廣義上我只是大概介紹一下，在看看部件的設計，我們設計Busbar，如果在座有比較多做PACK的話比較了解，在做Busbar設計的時候，首要一個關鍵的因素就是過流能力，我們怎麼去判斷？它很重要的一個點就是溫升，如果我們單純是說寬多少，厚多少一層，截面積多少，再查一個表，一個電流值出來了，這是比較簡單的一種方式。實際在運用的過程中不是單獨存在的問題，這是在設計過程中需要關注的。

當然，我們剛才說的機械方面可靠性、安全性我們在設計的時候怎麼去避免對薄弱結構的損害，在Busbar的設計時候就需要考慮這些東西，還有一些我們的焊接區域。其實焊接區域很重要，我們可以看到這張圖，電流密度跟磁場很類似，我們連接的部位在哪個地方，這也是比較有講究的地方。再有就是零件級，我們對高低壓線束有什麼要求？在選型過程中，導體的過流有相應的依據可尋，這相對來說簡單些，另外溫度對過流能力是有很大影響的。在溫度不同的時候，有一個降額的因素在裡面。我們在製造裡面，對加工過程有一些加工的要求，例如：壓接的方式和可接受度。

動力電池系統的裡面高低壓連接器也有一些要求，其實在座也有很多上下游的企業，我們對低壓有了一些要求，我們對高壓也有比較多的要求。因為這一塊高壓、低壓連接器做得還是成熟，我們關注點當然有一些安全性，從機械方面的結構，例如：二次鎖緊結構等，但這些都已經做得比較成熟，我們主要關注還是連接器溫升情況。其實這個判定點，溫升多少合適？這是大家比較關注的點，當然這是有相應的標準，現在一些測試報告上面基本體現比較多就是一個範圍值。

還有一個就是在高壓箱層級，對電氣選型是一個比較關鍵的部位，我們怎麼去選型？我們布置的時候有一些合理的布置，當然在我們的兩本書裡面有相應的介紹，我在這裡就不講得比較詳細。

從上面來講，我們主要是講動力電池系統，電連接的一些組成，動力電池裡面有哪些內容，這都講得比較廣泛。下面講動力電池系統電連接路線，我們看一個發展趨勢，從2007年第一輛商用的尼桑開始，到現在正好10年，它的發展趨勢很明顯，咱們可以看一下，在電芯層級就是材料更新比較快，但是從連接方式和組成方式還是比較接近的，當然也有一些發展，比如多極卷繞。PACK其實曾經也是，原來的連接方式可能是快插，鎖螺栓等，現在也是類似的；而一些跨界技術的應用，主要集中在模組這個層級以前，咱們看到的一些技術基本都是擰螺栓（我們對焊接技術和一些擰螺栓快拆技術的分析，在下面會有一個實例）。現在比較多的是一些高安全性，低內阻的焊接連接方式應用比較多，它的一些形式和連接方式發展得比較快，這是在頭幾年的。其實現在咱們來看，原來都是高壓連接發展比較快，其實在今年、去年這兩年，在低壓連接這一塊，現在的發展趨勢也是非常快的，今天我就沒有具體地講這一塊，新型的低壓連接方式可能對後面的成組方式會產生很大的影響。

我們剛才看到模組級別的變化是最大的，在哪些變化最大？主要在連接。不光是電連接，還是機械連接，它的發展趨勢和發展的方向是最大的，我們所說的技術路線也是針對模組層級，因為現在在國內來講，還是全球來講，現在能實現自動化或者全自動化，集中在模組層級，在系統層級現在還是半自動居多，所以基本上從這一塊的發展是比較關注的重點。不管是動力電池企業還是PACK企業，如果想做這一塊，怎麼去考慮技術路線，這是一個很關鍵的因素。咱們先看一下方型電芯的連接路線，主要有三種，從焊接形式來講主要就是兩種，可能接觸比較多就是激光焊接，各位用得熟比較多，但是激光焊接也有兩種，一種是穿透焊，一種是縫焊，這張圖片看到的是激光焊接，其實在高壓連接的時候，現在也有一些超聲波連接的應用。

因為出於時間的考慮，我就沒有一一地講。在這個裡面大概可以講解一下，我們做模組的焊接，我們在設計端怎麼考慮？我們考慮到後期的工藝難度和設備的，你激光焊接的功率越大，你的投入就越大。在一塊的時候，我們需要在設計端、工藝端、設備投資端都需要考慮。低壓的話，因為不管是方型模組還是別的類型都有點類似，我就沒有一一列出來。其實方型模組有一個很重要的原因，輸出極相對比較簡單，就是雙鋁極柱的應用，當然還有少量銅鋁的，在外面模組層級的連接要更多地考慮。

軟包電芯能量比較高，還有一個就是靈活性比較大，把一部分PACK轉移到模組層級，我們看軟包電芯的模組是比較複雜的方式，我們要考慮我們銅鋁怎麼轉接？你是在電芯級別轉接還是在Busbar轉接？現在一般用的金屬轉接，大部分用得還是超聲焊接，是一個冷連接。他焊接的時候其實沒有達到金屬材料的熔點，所以可靠性怎麼樣，這塊其實現在沒有非常權威的數據。大家都是這麼干，特別是這種國外的，甚至在電芯級別，也有使用；上次跟一位老前輩聊天的時候，他們也提到，這種方式如果在大電流的情況下，一定時間會產生一些變化的，是比較明顯的。但是也沒有數據支持現在這塊不靠譜，大家還是這麼用。到底怎麼樣？這應該是後面探討的方式，如果在座有一些這方面的專家，我們歡迎大家一起來交流這塊的內容。

我們在向下面介紹。激光焊接也有不同，有折彎平焊、頂縫焊、豎直平焊。你頂縫焊的時候Busbar一定是很薄，在生產焊接的時候，這個地方可能焊接對設備要求會弱一點，但是工藝難度是非常高的，每一條技術路線都有從設計端、工藝端、設備端有一些需要去考慮的，當然工藝路線沒有好壞之分，只有我們適不適合，就跟特斯拉一樣，它選擇一條全新的路線，如果它吃透了也是一個全新的亮點。

圓柱電芯的電連接方式，大家看得比較多，一個就是比較傳統的，應用得很成熟的電阻焊，它有兩種方式：一種是尖針焊，一種是凸點焊，現在也有比較多的應用，還有一種是新型的鋁絲健合焊接，這三種都有應用。他們之間不同的焊接方式，也有比較多的不同，比如說尖針焊對設備的要求高，它需要去磨針，而對匯流排的設計要求相對來說低些；凸點焊接對設備要求低些，但對匯流排的設計又會高些，需要有凸點的設計。

我們看上面的幾種路線，這是現有的，不排除一些新技術的應用。低壓這一塊其實比較多的，下面這個是比較傳統的，從剛開始也不能說傳統的，其實在前幾年的時候，他們還是擰螺栓的方式居多，但是就這兩塊來講，這是應用比較成熟，但是這上面的應用其實很多挑戰，現在FPC的應用，我們在連接的時候需要注意什麼？實際上現在FPC因為比較薄，沒有辦法用軟線，所以對它提出很多要求，特別是在溫度採樣，我們比較常見的軟線相連的很難適應，這就需要一些新技術的應用，這塊我也是借用了上次一個專家講的一些圖片。這塊和這一塊，這上面的應用可能對我們未來兩三年的影響非常大。

上面主要是這幾塊的內容，幾種技術路線，裡面具體有什麼內容？由於時間的關係，我就不一一去分析，時間太長。我就分析一種軟包電芯，我們做技術路線怎麼選擇？軟包剛才看到也有四種連接路線，我們在這裡跟大家分享兩種。其實從過流來講，兩種都是沒有問題了，但是我們從設計來講，我們高壓連接和低壓連接，因為折彎平焊的轉接如果放在Busbar做轉接，它是要求比較高。因為這一種連接方式，要求Busbar比較厚，如果它去做轉接，普通的超聲焊接機根本做不了，會要求比較高。現在應用比較多的兩種方式，一種是用銅鋁複合，但應用比較少，為什麼？現在基本上沒幾個人抗得住，價格太貴。另外一種方式是電芯極耳轉接，這種方式現在開始慢慢使用，但是裡面有什麼問題，或者說有什麼困難點在裡面，是一個比較模糊，需要去研究的方向。當然還有採樣，這是一個比較傳統的方式，這也是比較傳統的方式，如果用FPC和PCB的話，連接方式截然不一樣。頂峰焊做的時候，Busbar的設計可能相對來說比較薄一點，可以到Busbar去轉接，因為它沒有空隙，而折彎平焊一般都是需要有一些穿孔。從工藝端來講，折彎平焊設計比較簡單，而且比較好控制，特別是精度要求不高，但是不高不代表沒有，只是做了轉移，它轉移到了後面的工藝端，而頂峰焊在設計端要求很高，在工藝端的時候要求相對低一點，就是在這個地方不一樣。但在激光焊接的時候，有一個很重要的原因，如果中間有間隙或怎麼樣，激光焊接會產生很大的問題。因為連接方式的困難我們就選擇另外一種嗎？其實每一條路線有很多坑，用折彎平焊去做的時候，我們要壓緊工裝，做得很精密。而適應頂峰焊去設計，有一些結構件可以替代部分工裝的功能，我們看起來工裝要求低了，但是其實是轉移到後面去了，它對設備的要求就高了，一個功率要求比它大，還有很重要的因素，要麼在折彎平焊做很精密的工裝，要麼在頂峰焊上視覺跟蹤系統，是很貴的一個東西。在這個技術路線對比的時候，是從技術層面來講，過流、安全可靠這一塊其實他們都是激光焊接，所以一個可靠性和過流都是毋庸置疑的，都是可以滿足的。

但是在這個地方怎麼去選擇哪一個路線？最後達成什麼樣的效果？我們不可能說只是設計出來，不製造出來，所以這個技術路線選擇的時候，不僅僅是對技術人員的要求，還是對公司、企業的一個方向的選擇思考。在前面講的就是特斯拉，可能大家都很了解，說特斯拉大家都比較興奮，但其實我們印象很深刻特斯拉系統有幾塊，一個很關鍵就是模組層級的連接方式，還有液能系統和BMS。其中一個跨界技術的應用-鋁絲健合，是很有特點的，我不知道特斯拉做過多少研究；但在這電阻焊這一塊的方式我們摸索得比較全，做得比較成熟。它要求一個，我們焊接的時候平整度要求比較高，但是特斯拉的工藝在應用的時候有一個很關鍵的點，因為是超聲焊接，零件需要固定得很牢靠，特斯拉電芯安裝的時候是有一個很重要的部件，就是需要把電芯固定起來。如果單從工藝來講，這種工藝相對來說比較簡單；還有最後一個就是焊接機，雖然說在二極體行業應用得很成熟，但是在電芯行業，國內來講現在還沒有非常成熟的一些技術，大家在說就是進口的，其實進口做得到底怎麼樣？我們也只是看到他們用，在國內的研究還是比較少。當然我們除了這一塊的話，主要是技術路線的問題。跨界應用對我們的PACK重組可能會產生一些顛覆性的應用。

我們再看一下，剛才講了那麼多的連接方式，安全維護性好，維修性也好，甚至在後面的梯次利用的時候也很方便，就是這種非焊接類的，不管是軟連接也好，還是鎖螺栓連接也好。咱們可以看，如果是鎖螺栓，基本上都是以扭矩法來控制，但是旋轉角度對預緊力的影響也是很大的，需要角度和扭力都達到才能正好在中間；螺栓表面有一些防鏽的土層，對螺栓的預緊力影響也是很大的，當然這些都可以通過設備來搞定，即使搞定這些還有一個。這是一個實驗，同一個螺栓，這個裡面我沒有寫清楚。這四個組的連接內阻很不一樣，根本沒有規律可尋，而我們的焊接技術的一致性和規律性還是比較強的，還有一個你在應用的過程中，不動的情況下其實還是挺平穩的，大家可以看得到。但其實後面兩個圖，如果是一個法向螺栓的方向振動，相對來說比較穩定，但是如果是同軸的時候，咱們可以看得到（現在有一些用膠的方式去加固，但是畢竟不是一個融合的連接，是靠壓緊力去做的方式）在生命周期的末端，它的波動性是很大的。在一些不能用焊接的地方，現在也有一些另外的設計，比如說雙緊固去彌補。非焊接類在設計端，在工藝端和設備投入端都是比較少，我也聽過可以當過笑話來講的東西，某家企業做PACK的時候投入非常低，最貴的也就是扭力扳手；但是我們設計要回歸根本，就是要滿足性能。我們的動力電池系統價值很大，70%的價值應該發揮在車上，為了後面30%損害前面70%的利益，這是捨本逐末的。這個上面就是今天我主要的分享內容，當然可能沒有太多東西，因為時間有限，我也沒有講得很透。如果有興趣的話，我們可以進行交流。

下面，給大家介紹一下我們公司的情況。我們公司從2016年5月份成立，我們走過的路程很多，我們從開始的華立總部，我們生產搬到一個新工廠這邊，具備一定的產能。當然大家說一些貢獻也好，技術這塊只有交流才有進步，我們都再做一些工作。這是我們的總部，我們的生產基地，我們有四條產線，應該算是一個比較有優勢的地方，軟包、圓柱和方形電芯我們都可以整合、設計、製造，而且我們都有相應的產線支持。我們從乘用車、物流車、商用車都有，還有方形電芯、軟包電芯等等，這是我們夏總和王芳博士主編的一些書籍，我們在高效熱管理系統中，我們的研究院也在做很多的工作，降溫速度、均溫性、還有流量的均勻性做了很多的工作，也取得了一些比較不錯的成效。我們在一些關鍵技術的開發，就輕量化這一塊，我們現在的乘用車，最高能做到73%以上的效率，最高能做到155左右，這是我們在做的一些工作，我們的第一本書就是安全設計與分析，安全是一條底線，所以安全、可靠也是我們的底線，感謝大家的一些交流，謝謝。

主持人：非常感謝陳敏的演講，大家有沒有問題想做探討和交流？我們有2—3個人的提問時間。要不先給大家留一個思考的問題，我有一個問題想探討一下。關於圓柱、方形、軟包都有電連接，這三種電芯在具體應用的時候有哪些不同，同時應該注意哪些問題，在具體設計的時候。

陳敏：其實這個問題都大，我也接觸了幾種路線，我們專門有做軟包的分析，其實這塊的話，我們剛才說了技術路線沒有高低之分，只是說看你吃透了哪一塊，所以你說方形電芯、軟包電芯和圓柱電芯有哪些優缺點，電阻焊工藝成熟，設備比較容易購置，但是從設計端考慮的話，還是有一些不同。那種工藝在設計端其實還沒有吃透，我電芯固定得比較緊，有沒有一些別的限制點或者缺陷，我們還是不太知道。所以這一塊的話，我們不能單純地從一方面比較，還要從一些實際情況、設計端、工藝端不同地面比較，這塊的話今天比較緊，如果大家有興趣的話，咱們可以私自下交流。

主持人：我們台下的小夥伴有沒有問題？

提問：您好，我是做售後服務。我想了解一下現在電池重組與快速充電這方面有什麼樣的影響和影響？

陳敏：快速充電是電連接必須面對的問題，從部件來講，首先電芯必須滿足，第二就是電連接。我們電連接必須要做到一個大電流，大電流我們怎麼做到連接可靠，是一個很關鍵的部件，具體說這個東西比較大，我們怎麼去做？我只能分享一個內容，我們公司現在能做到500A的過流，而且溫升非常小，這塊如果有興趣，咱們可以交流。

主持人：關於快速充電，大電流我們在下午沙龍會有幾位專家共同探討，其他的夥伴還有需要交流的嗎？

提問：我想問一下關於標準模組並聯的，比如說做12個，裡面並數有沒有什麼要求？

陳敏：這個問題是這樣的，這是大家比較頭疼的問題。如果大家看特斯拉並那麼多，我們為什麼不並那麼多，其實不是一個電連接的問題，其實涉及到一些安全性的問題，我們建議不超過4並，所以電芯容量做的更大是最好，不建議多並是在一個極限的狀況下對電芯的保護，會防止一些反衝的問題。這個問題涉及的面比較廣，主要是安全性這一塊，不是考慮到電連接，我不知道這麼解釋您滿不滿意。