電動(dòng)汽車產(chǎn)品要走入千家萬(wàn)戶，在運(yùn)營(yíng)市場(chǎng)和個(gè)人市場(chǎng)占據(jù)非常重要的地位，必然要在續(xù)航里程、環(huán)境適應(yīng)性、使用壽命、購(gòu)置成本等方面能夠追趕甚至超越傳統(tǒng)的燃油車，這也給電池包的技術(shù)發(fā)展帶來(lái)了更高的挑戰(zhàn)。

1.我國(guó)新能源汽車的發(fā)展階段

我國(guó)新能源汽車的發(fā)展階段，從2009年開(kāi)始算起，到2020年，可以大致劃分為4個(gè)階段：

第一個(gè)階段：2009年~2013年。這個(gè)階段，是技術(shù)、產(chǎn)品、用戶、市場(chǎng)的積累期，這個(gè)階段的特點(diǎn)是核心技術(shù)、產(chǎn)品形態(tài)、用戶使用習(xí)慣等基本上都是空白，到底該怎么搞，大家都不知道。但是有一點(diǎn)是毋庸置疑的，就是一定要發(fā)展節(jié)能與新能源汽車這個(gè)產(chǎn)業(yè)，這涉及我國(guó)能源安全，事關(guān)我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)能否做強(qiáng)，也是我國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的必由之路。

第二個(gè)階段：2014年~2015年。經(jīng)過(guò)第一個(gè)階段的探索，核心技術(shù)有了一定的突破，產(chǎn)品形態(tài)呈現(xiàn)多種多樣的局面，用戶也慢慢的接受了新能源汽車這個(gè)新鮮事物，最重要的是，由于中央財(cái)政補(bǔ)貼和地方財(cái)政補(bǔ)貼的雙重刺激，吸引了眾多的企業(yè)和資本進(jìn)入了這個(gè)產(chǎn)業(yè)，從而造成了2014年和2015年的井噴式發(fā)展。

第三個(gè)階段：2016年~2017年(進(jìn)行中)。我們把這個(gè)階段叫做窗口期，或者搖擺期，是因?yàn)檫@個(gè)階段是政策逐步讓位于市場(chǎng)的階段，但是由于政府對(duì)于監(jiān)管的加強(qiáng)，以及消化前期政策所遺留的額問(wèn)題需要一定的時(shí)間，客觀上加劇了產(chǎn)業(yè)發(fā)展的波動(dòng)，使得行業(yè)的發(fā)展在一年當(dāng)中會(huì)出現(xiàn)大起大落的情況。

第四個(gè)階段：2018年~2020年(預(yù)測(cè))。我們把這個(gè)階段稱作突破期，政府建立新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的長(zhǎng)效機(jī)制，補(bǔ)貼政策逐步退出，技術(shù)和產(chǎn)品取得重大突破，新能源汽車的市場(chǎng)化運(yùn)作機(jī)制初步建立，從而一舉奠定我國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)在全球的領(lǐng)先地位。

2.2020年的關(guān)鍵技術(shù)目標(biāo)

不同的國(guó)家，對(duì)于新能源汽車的發(fā)展有各自的考慮，選擇了適合自己的技術(shù)路線。我國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在產(chǎn)業(yè)目標(biāo)、市場(chǎng)目標(biāo)、技術(shù)路線等方面都有非常明確的規(guī)劃，對(duì)整個(gè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到了非常好的促進(jìn)作用。這其中有三份比較重要的文件，對(duì)動(dòng)力電池及Pack的技術(shù)路線會(huì)有很大影響，值得我們關(guān)注。

2012年6月28日，國(guó)務(wù)院下達(dá)關(guān)于印發(fā)《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012—2020年)》的通知。這是我國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展過(guò)程中最重要的一份綱領(lǐng)性文件，將節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)提高了國(guó)家戰(zhàn)略的高度，對(duì)市場(chǎng)、產(chǎn)品、技術(shù)都做出了明確的規(guī)劃。

2016年10月26日，受國(guó)家制造強(qiáng)國(guó)建設(shè)戰(zhàn)略咨詢委員會(huì)、工業(yè)和信息化部委托，中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)組織逾500位行業(yè)專家歷時(shí)一年研究編制的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》正式發(fā)布，本項(xiàng)技術(shù)路線圖描繪了我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)未來(lái)15年發(fā)展藍(lán)圖，對(duì)新能源汽車產(chǎn)業(yè)的技術(shù)路線做出了更加詳細(xì)的規(guī)劃。

2017年3月1日，工業(yè)和信息化部、發(fā)展改革委、科技部以及財(cái)政部四部委公布了《促進(jìn)汽車動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)方案》，以加快提升我國(guó)汽車動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展能力和水平，推動(dòng)新能源汽車產(chǎn)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展。

這三份文件中，與動(dòng)力電池及Pack相關(guān)的2020年技術(shù)指標(biāo)，如上圖所示。要達(dá)到上述要求，未來(lái)幾年在工程技術(shù)方面需要有比較大的創(chuàng)新。

3.技術(shù)挑戰(zhàn)及發(fā)展趨勢(shì)

以純電動(dòng)乘用車為例，2020年的典型技術(shù)參數(shù)如下：

450km的綜合工況續(xù)航里程，已經(jīng)完全可以滿足運(yùn)營(yíng)市場(chǎng)的需求，達(dá)到每天只充一次電的目標(biāo)，也可以滿足個(gè)人用戶長(zhǎng)途駕駛的需要，接近傳統(tǒng)燃油車的滿油續(xù)航里程。車輛使用溫度范圍廣泛，可以適應(yīng)我國(guó)90%以上的國(guó)土區(qū)域。在快充狀態(tài)下，可以做到15分鐘充滿80%的電量，大大縮短充電時(shí)間。整車的整備質(zhì)量小于1.5噸，百公里能耗在15度電以下，進(jìn)一步提升電動(dòng)汽車的能量轉(zhuǎn)換效率。

為了達(dá)到上述技術(shù)指標(biāo)，充分滿足市場(chǎng)對(duì)于插電式混動(dòng)汽車和純電動(dòng)汽車的需求，Pack技術(shù)必須在以下幾個(gè)方面取得明顯的進(jìn)步。

(一)系統(tǒng)集成效率的大幅度提升

按照電芯能量密度300Wh/kg和Pack能量密度260Wh/kg的目標(biāo)來(lái)計(jì)算，Pack系統(tǒng)的集成效率要做到85%，而當(dāng)前乘用車Pack的集成效率普遍在65%左右，這意味著集成效率需要大幅度提升，才能達(dá)成目標(biāo)。

要提高Pack的集成效率，有兩個(gè)可行的途徑，一是優(yōu)化Pack內(nèi)部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，大幅度減少Pack內(nèi)部的組件數(shù)量，將更多的組件和功能集成在模組和箱體上，從而減輕重量;另一個(gè)是采用輕量化的材料，如采用鋁型材或復(fù)合材料代替高強(qiáng)度鋼，采用塑膠件代替金屬件等，也可以減輕重量。

(二)廣泛的溫度適應(yīng)性

冬天可以在零下20℃，甚至零下30℃的低溫下工作，夏天可以經(jīng)受50℃的地面高溫而不趴窩，同時(shí)還要承受3~4C的快充，這是電動(dòng)汽車大范圍推廣的必要條件。要滿足這一要求，高換熱系數(shù)和快速熱交換的液冷/液熱系統(tǒng)將成為Pack的標(biāo)配。

液冷/液熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在-30~50℃環(huán)境溫度和4C快充工況下，將電池單體的工作溫度控制在15~45℃、電池單體間的溫差控制在5℃以內(nèi)。

綜合運(yùn)用仿真分析和測(cè)試驗(yàn)證等手段，達(dá)到液冷/液熱系統(tǒng)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)，才能做到-30~50℃的使用溫度范圍，以及大倍率和長(zhǎng)壽命使用。

液冷/液熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，必須與整車的冷卻循環(huán)系統(tǒng)相互匹配，必須與Pack的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)高度集成，必須達(dá)到極高的熱交換效率。

(三)3~4C的快充將成為標(biāo)配

想象一下，我們開(kāi)著電動(dòng)汽車出門，在充電站需要花費(fèi)1個(gè)小時(shí)的時(shí)間進(jìn)行充電，如果碰上充電排隊(duì)，可能需要花費(fèi)2個(gè)小時(shí)，甚至更長(zhǎng)的時(shí)間，沒(méi)有比這更糟糕的體驗(yàn)了。家用慢充和充電站快充相結(jié)合，是電動(dòng)汽車普及的關(guān)鍵因素之一，對(duì)于出租、公交、物流等領(lǐng)域的營(yíng)運(yùn)車輛來(lái)說(shuō)，快充的重要性甚至要大于續(xù)航里程，因?yàn)槌潆姷臅r(shí)間是無(wú)法載客或載貨的，充電時(shí)間越長(zhǎng)，意味著運(yùn)營(yíng)效率越低，損失越大。

比較合理的快充要求，是在15分鐘內(nèi)，充滿80%左右的電量，這要求Pack達(dá)到3C以上的充電能力，在電芯的設(shè)計(jì)、電連接設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、安全設(shè)計(jì)、以及BMS的能量管理方面，都要做出非常大的技術(shù)突破。

(四)與車同壽命的Pack產(chǎn)品

因?yàn)殡姵匕某杀竞芨撸绻霾坏脚c車同壽命，車輛的維護(hù)成本將非常高昂，用戶顯然不會(huì)愿意為這額外的成本買單。

以乘用車為例，如果是個(gè)人用戶購(gòu)買，通常需要達(dá)到8年/12萬(wàn)公里的壽命要求，如果用于營(yíng)運(yùn)，壽命可能要達(dá)到5年/40萬(wàn)公里。

要達(dá)到如此嚴(yán)格的壽命要求，除了需要電子、電氣、機(jī)械組件也達(dá)到8年以上的使用壽命，電芯的成組技術(shù)、系統(tǒng)的熱管理和能量管理、以及Pack的售后維護(hù)等方面，也都有非常高的要求。

文解鋰電池制造工藝

圓柱電芯模組結(jié)構(gòu)和工藝介紹

1.圓柱電芯模組結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

在圓柱電芯模組設(shè)計(jì)中，模組結(jié)構(gòu)是多種多樣的，主要根據(jù)客戶和車型的需求來(lái)確定，最終導(dǎo)致模組的制造工藝也不一樣。模組一般由電芯、上下支架、匯流排(有的也稱連接片)、采樣線束、絕緣板等主要部件組成，圖2-2是較為典型的一種圓柱電芯模組結(jié)構(gòu)，下面以圖2-3所示的模組常用工藝流程來(lái)進(jìn)行介紹。

圖2-2圓柱電芯模組結(jié)構(gòu)示意圖

2.圓柱電芯模組裝配工藝流程介紹

(1)電芯分選

模組工藝設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮模組電性能的一致性，確保Pack整體性能達(dá)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(duì)電芯來(lái)料進(jìn)行嚴(yán)格的要求。電芯廠家一般在電芯出貨前，也會(huì)按電芯的電壓、內(nèi)阻和容量規(guī)格進(jìn)行分組，但是電芯廠家與Pack廠家的最終需求是不同的，考慮到制造工藝、成本、電芯性能等因素，Pack廠家一般會(huì)按自己的標(biāo)準(zhǔn)重新對(duì)電芯進(jìn)行分選。電芯分選需要考慮分選標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題，標(biāo)準(zhǔn)制定得合理，會(huì)減少剩余閑置的電芯，提升生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，還需要對(duì)電芯的外觀進(jìn)行檢查，比如檢查電芯有無(wú)絕緣膜破損、絕緣膜起翹、電芯漏液、正負(fù)極端面污漬等不良品。

圖2-3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(diǎn)在于電芯與下支架孔之間的配合公差，假如孔太大，方便電芯插入，但是電芯固定不好，影響焊接效果;假如孔太小，電芯插入下支架定位孔比較困難，嚴(yán)重的可能導(dǎo)致電芯插不進(jìn)去，影響生產(chǎn)效率。為了便于電芯插入，又能固定好電芯，可以把下支架孔前端開(kāi)成喇叭口(圖2-4)。裝配時(shí)需要防止電芯極性裝反，若是手動(dòng)裝配，需要對(duì)電芯極性進(jìn)行快速檢查，以免不良品流入后工序。

圖2-4下支架開(kāi)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，屬于安全檢查。假如沒(méi)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(shí)模組就會(huì)產(chǎn)生短路，導(dǎo)致產(chǎn)品毀壞，嚴(yán)重的可能導(dǎo)致人員受傷。注意，在每班開(kāi)班前，都需要檢測(cè)設(shè)備處于良好的工作狀態(tài)，否則需要停機(jī)維修。

(4)蓋上支架

蓋上支架是指把上支架蓋到電芯上，并把電芯固定在支架內(nèi)。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(chǎn)工藝有關(guān)，工藝?yán)锩嬗袀€(gè)滾槽的工序，假如控制不好，會(huì)導(dǎo)致電芯尺寸的一致性差，影響蓋上支架，嚴(yán)重的會(huì)蓋不上去;二是電芯與下支架固定不好，導(dǎo)致電芯有一定的歪斜，導(dǎo)致上支架不好蓋或者蓋不上。

(5)模組間距檢測(cè)

模組間距檢測(cè)是指檢測(cè)電芯極柱端面與支架表面的間距檢測(cè)，目的是檢查電芯極柱端面與支架的配合程度，用于判斷電芯是否固定到位，為是否滿足焊接條件進(jìn)行提前預(yù)判。

(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(dá)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(zhǔn)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(diǎn)焊。設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮匯流排與電芯的位置精度，特別是定位基準(zhǔn)的問(wèn)題，目的是使匯流排位置處于電芯極柱面的中心，便于焊接。在進(jìn)行上下支架設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮對(duì)匯流排的隔離;假如不好做隔離設(shè)計(jì)，在工序設(shè)計(jì)時(shí)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(fā)生短路。

(8)電阻焊接

電阻焊接是指通過(guò)電阻焊的方式把匯流排與電芯極柱面熔接在一起。目前國(guó)內(nèi)一般采用電阻點(diǎn)焊，在進(jìn)行電阻點(diǎn)焊工藝設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮以下4點(diǎn)：

1)匯流排的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)和厚度;

2)電極(也稱焊針)的材質(zhì)、形狀、前端直徑和修磨頻次;

3)工藝參數(shù)優(yōu)化，如焊接電流、焊接電壓、焊接時(shí)間、加壓力等;

4)焊接面的清潔度和平整度。

在實(shí)際生產(chǎn)中，失效因素非常多，需要技術(shù)人員根據(jù)實(shí)際情況來(lái)分析處理。

(9)焊接檢查

在電阻焊接過(guò)程中，設(shè)備一般對(duì)焊接的參數(shù)都有監(jiān)控，假如監(jiān)測(cè)到參數(shù)異常，設(shè)備都會(huì)自動(dòng)報(bào)警。由于影響焊接質(zhì)量的因素很多，只通過(guò)參數(shù)監(jiān)測(cè)來(lái)判斷焊接失效，目前結(jié)果還不是特別理想。在實(shí)際的生產(chǎn)控制中，一般還會(huì)通過(guò)人工檢查外觀和人工挑撥匯流排的方式，再次檢查和確認(rèn)焊接效果。

(10)打膠

膠水在模組應(yīng)用上，一般有兩種用途：一種用途是固定電芯，主要強(qiáng)調(diào)膠水的黏接力、抗剪強(qiáng)度、耐老化、壽命等性能指標(biāo);另一種用途是把電芯和模組的熱量通過(guò)導(dǎo)熱膠傳遞出去，主要強(qiáng)調(diào)膠水的導(dǎo)熱系數(shù)、耐老化、電氣絕緣性、阻燃性等性能指標(biāo)。由于膠水的用途不同，膠水的性能和配方也不同，實(shí)現(xiàn)打膠工藝的方法和設(shè)備就不同。在膠水選擇和打膠工藝方面，需要考慮以下3點(diǎn)：

1)膠水的安全環(huán)保性能：盡量選擇無(wú)毒無(wú)異味的膠水，不但可以保護(hù)操作者，也可以保護(hù)使用者，還能更好地保護(hù)環(huán)境，也是新能源發(fā)展的目標(biāo)。

2)膠水的表干時(shí)間：為了提高生產(chǎn)效率，一般希望膠水的表干時(shí)間越短越好。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，假如膠水表干時(shí)間過(guò)短，由于待料、設(shè)備異常等因素，會(huì)導(dǎo)致膠水的大量浪費(fèi);也可能由于操作員處理不及時(shí)，因膠水固化時(shí)間短而導(dǎo)致設(shè)備堵塞，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致停拉線。按經(jīng)驗(yàn)，盡量把表干時(shí)間控制到15～30min比較合理。

3)膠水的用量：膠水用量主要由產(chǎn)品和工藝來(lái)確定，目的是滿足產(chǎn)品的要求。目前常用打膠工藝有點(diǎn)膠、涂膠、噴膠和灌膠，每種工藝所需要的設(shè)備也是不同的。在打膠時(shí)需要注意膠量的控制，避免產(chǎn)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(jìn)行絕緣保護(hù)起來(lái)。在工藝設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意絕緣板不能高出支架的上邊緣，同時(shí)絕緣板與支架邊框之間的間隙最好小于1mm。

(12)模組EOL測(cè)試

EOL測(cè)試(endofline)(一般也稱下線測(cè)試)是生產(chǎn)過(guò)程中質(zhì)量控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要針對(duì)模組的特殊特性進(jìn)行測(cè)試，主要測(cè)試項(xiàng)目有：

1)絕緣耐壓測(cè)試;

2)內(nèi)阻測(cè)試;

3)電壓采樣測(cè)試;

4)尺寸檢測(cè);

5)外觀檢查。

測(cè)試項(xiàng)目一般根據(jù)客戶和產(chǎn)品的要求來(lái)增減，其中安全檢測(cè)項(xiàng)目是必不可少的。

(13)轉(zhuǎn)入Pack組裝或入庫(kù)

經(jīng)EOL測(cè)試合格的模組按規(guī)定轉(zhuǎn)入Pack組裝工序或入庫(kù)，轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中需要對(duì)模組進(jìn)行絕緣保護(hù)和防止模組跌落。

通過(guò)圓柱電芯模組生產(chǎn)工藝流程的介紹，針對(duì)不同的客戶和產(chǎn)品，工藝流程的設(shè)計(jì)是不同的，目的都是為了快速地響應(yīng)客戶和市場(chǎng)的需求。

在進(jìn)行模組工藝流程設(shè)計(jì)時(shí)，一般需要考慮以下幾點(diǎn)：

1)安全性：產(chǎn)品安全和安全生產(chǎn);

2)電性能：容量、電壓、內(nèi)阻、性能的一致性;

3)生產(chǎn)節(jié)拍：節(jié)拍越高，表示產(chǎn)能越大;

4)尺寸：外形尺寸和固定尺寸;

5)工藝路線：指關(guān)鍵工藝的選擇和確定;

6)成本：產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)時(shí)都需要考慮的要素。

通過(guò)上面的分析，僅僅把模組工藝流程設(shè)計(jì)好是不夠的，還需要有完善的生產(chǎn)體系來(lái)支撐，才能制造出讓客戶滿意的產(chǎn)品。