新宝马iX3搭载大圆柱电池

第二章主要介绍动力电池的生产流程。首先来认识一下电池包的基本结构，这张爆炸图清晰的展示了电池包的各个零部件的位置关系。从上到下依次是执行充放电策略并检测电池健康的电池管理系统，也称BMS；它一般由外壳和内部电路板组成，是保证电池正常工作的“大脑”。在BMS下方布置了电源管理系统，功能类似变电箱，通过保险丝/继电器等电子电气件保证电流和电压处于正常工作范围，并在必要时根据BMS的指令切断高压。再往下是电芯模组，它是提供能量的单元，通过铜排被串联起来，从而获得更高的电压，下一页会详细讲述模组的构造。模组的下方是电池包下壳体，用于承托和保护模组免受外部的碰撞，它是通过多个铝挤出型材焊接而成，是除了模组之外电池包中最重的部件。在下壳体的下面是冷却板，用于调节模组的温度，比如在电池快充时对电池降温，防止过热；或在冬天时加热电池，保证足够的输出功率驱动车辆。然后是最下面的底护板，通常选用钢板外加高分子涂层，用于保护电池在车里行驶时不被地面的石子刮伤。接下来是模组的结构介绍，如图，模组内部是一个个串联的方形电芯，是提供能量的最小单元，它们表面的蓝膜用于电绝缘和保护外壳。电芯的上面是电芯连接片，通常通过激光焊接与电芯的极柱连接，达到通电的目的。在两排连接片的中间，有一条柔性控制板，也叫FPCB，用于采集电芯的电压和温度数据，并将信息传递给BMS，这样电池管理系统就可以实时调整电池的充放电，保证车辆正常用电。在FPCB上方的是模组上盖，可以是铝制的冲压件，也可以是简单的绝缘膜。在模组的侧面和两端分别布置了侧板和端板，它们连接形成对电芯的束缚力，保证电芯在行车中的稳定。在模组端板外侧放置了电芯控制板，它会根据FPCB的数据对电芯做出简单的调整，类似一个小型的BMS，但是功能相对简单。让我们打开模组，进一步了解电芯的基本结构。首先在这个方形电芯的顶部有正负极的端柱，它们负责传输电子到外电路。与之相连的是内部卷芯的正极和负极集流体，即前面提到的铝箔和铜箔。在铜铝箔表面涂覆着正负极活性材料，正负极的中间被白色的隔离膜隔开，防止正负极短路，隔离膜的材料通常为PP或PE。下面我们来了解一下电芯的生产过程，大体分为3个流程，分别是极片生产、电芯装配和后工序。其中极片生产的第一步是材料搅拌，就是将正极或负极活性材料、导电剂和粘结剂混合并充分搅拌，然后得到粘度适中、可用于涂布的浆料。右图展示了搅拌过程中检查浆料粘度的步骤，一般需要取出一点样品做粘度测试，来判断搅拌工序的质量。搅拌之后是涂布工序，左上角说明了极片涂布的厚度方向剖面图，可以看到在铜铝箔的两面均涂有活性材料。左下图是涂布工序所需的设备，最开始铜铝箔经过施加一定张力的滚轮，得到平整的表面，然后浆料从涂布模具头部流出，附着在集流体上，然后随着滚轮进入长达六七十米的烘箱，最后得到干燥的极片。右图是实际涂布工序使用的设备，可以看到极片上方有一个探测器，用来测量涂布厚度，保证极片的厚度在设计范围内。涂布之后是冷压和分条，就是将极片在几十吨的压力下通过，从而得到一定压实密度的极片，保证活性材料与集流体的接触足够紧密，同时压缩极片的体积，提高能量密度。右侧是常见的冷压机器，极片经过冷压后表面会出现一定的光泽。分条的作用是将极片切割成需要的宽度，以满足后面的电芯装配需求。例如圆柱电芯的极片宽度通常在100mm以下，方形电芯的极片宽度通常在140mm以下，它们都是由电芯的高度决定的。前两类电芯通常采用卷绕结构，而软包电芯常用叠片结构，它的极片宽度通常受到模组长度的限制。下面一个工序是电芯装配，就是将裁切好的极片和隔离膜按顺序叠放，然后在设计好的张力范围卷绕一定的层数，获得相应的卷芯。我们可以看右下角的图，这是一个特斯拉model 3 标准版的电芯，它有2个卷芯，a图就是卷绕后的卷芯状态，然后b图展示的是2个卷芯的正负极极耳通过超声波焊接与电连接片焊接在一起，c图说明了电连接片通过激光焊接与电芯顶盖内部极柱的连接，然后在d和e图中将卷芯放入铝壳，并通过激光焊接对顶盖和铝壳的连接处实现密封，然后在顶盖上粘贴黑色的绝缘片，再将电解液注入电芯，这样电芯的装配就基本完成了。接下来电芯将进入化成工序，开始第一次充放电，这个过程中负极石墨的表面形成固体电解质膜，也叫SEI膜。SEI膜的形成有利有弊：既保证了电池的正常安全运行，但也增加了电池的电阻，并在形成时消耗锂，降低了电池的首次放电容量。幸运的是，一旦SEI膜在第一次充电周期中形成，它就会保持相当稳定，并且在电池使用过程中只会缓慢生长。即便如此，SEI生长仍被认为是导致电池老化的主要机制之一。在电芯化成过程中，容量数据也从充电器收集并记录下来，电芯之间的性能分布表明制造过程是否在控制之下。该过程帮助生产商更早识别缺陷电芯，降低了问题电芯流入客户的可能性。电芯的生产结束后会被运送到电池包车间进行模组和电池包的装配。首先将排列好的电芯通过激光焊接用bus bar连接起来，然后在上面安装FPCB，最后将模组端板/侧板以及上盖通过螺栓或焊接固定，这样就得到了一个完整的模组。电池包的组装逻辑与模组相似，除了模组之间的电连接、电池包壳体和冷却板的机械组装外，更重要的是BMS的调试，工程师需要检测电池的各个参数，确保BMS的功能正常，才可以完成产品下线。视频中的电池包来自宁德时代，与传统的模组设计不同，他们将模组结构取消，直接将电芯集成到电池包里，这样可以大大缩减生产成本，同时也可以提高电池包的能量密度。第二章的内容就介绍到这儿，未完待续~小明来电⚡为你充电，我们下期再见，拜拜~来源：小明来电