PAGEII摘要新能源汽車動力電池的安全性長期以來一直是公眾關(guān)注的焦點(diǎn)。鋰離子電池在充放電過程中會因內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)而膨脹和收縮，這些體積變化使得當(dāng)前電池包模組結(jié)構(gòu)面臨嚴(yán)重的安全隱患。因此，開發(fā)一款能夠適應(yīng)電芯體積變化的電池包模組對提高其安全性至關(guān)重要。本文的研究工作主要從以下兩個(gè)方面展開：首先介紹了鋰電池的組成和工作原理和三種不同類型的鋰電池各自的結(jié)構(gòu)特性優(yōu)缺點(diǎn)。然后圍繞方殼電芯模組的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)及分析進(jìn)行了系統(tǒng)性研究，本研究對模組中的端板、側(cè)板、隔熱墊及電連接件等關(guān)鍵構(gòu)件用SolidWorks軟件進(jìn)行了精細(xì)化設(shè)計(jì)，重點(diǎn)研究了端側(cè)板連接結(jié)構(gòu)和模組側(cè)板和底板一體化設(shè)計(jì)，同時(shí)引入了新型陶瓷纖維氣凝膠材料作為隔熱緩沖墊，有效加強(qiáng)了模組結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和解決電芯膨脹導(dǎo)致的連接處開裂問題以及三元鋰電芯熱失控問題。關(guān)鍵詞：鋰離子電池；膨脹；SolidWorks；一體化設(shè)計(jì)；氣凝膠；熱失控

ABSTRACTThesafetyofpowerbatteriesfornewenergyvehicleshaslongbeenafocusofpublicattention.Lithium-ionbatteriesexpandandcontractduringthecharginganddischargingprocessduetointernalchemicalreactions.Thesevolumetricchangesposeserioussafetyriskstothecurrentbatterypackmodulestructures.Therefore,developingabatterypackmodulethatcanadapttothechangesincellvolumeiscrucialforenhancingitssafety.Thispaperprimarilyexploresthefollowingtwoaspects:Firstly,itintroducesthecompositionandworkingprinciplesoflithiumbatteriesanddiscussesthestructuralcharacteristics,advantages,anddisadvantagesofthreedifferenttypesoflithiumbatteries.Secondly,thisstudysystematicallyinvestigatestheinnovativedesignandanalysisofmodulestructuresbasedonprismaticcells.Keycomponentssuchasendplates,sideplates,thermalinsulationpads,andelectricalconnectorsweremeticulouslydesignedusingSolidworkssoftware.Particularattentionwaspaidtotheconnectionstructuresofendandsideplatesandtheintegrateddesignofthemodule'ssideandbottomplates.Additionally,anoveltypeofceramicfiberaerogelmaterialwasintroducedasathermalbufferingpad,whicheffectivelyenhancesthemodulestructure'sstrengthandaddressestheissuesofcrackingatconnectionscausedbycellexpansionandthermalrunawayinternarylithiumcells.KEYWORDS:Lithium-ionBattery；Expansion;SolidWorks;IntegratedDesign;Aerogel；ThermalRunawayPAGE3目錄1緒論 11.1研究背景 11.1.1新能源汽車 11.1.2動力電池 21.1研究意義 31.1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 42鋰離子電池工作原理及分類 52.1鋰離子電池工作原理 52.1.1工作原理 52.1.2充放電特性 62.1方殼電池 72.1.1方殼電池結(jié)構(gòu) 72.1.2方殼電池優(yōu)點(diǎn) 82.1.3方殼電池缺點(diǎn) 82.2圓柱電池 82.2.1圓柱電池結(jié)構(gòu) 82.2.2圓柱電池優(yōu)點(diǎn) 92.2.3圓柱電池缺點(diǎn) 92.3軟包電池 102.3.1軟包電池結(jié)構(gòu) 102.3.2軟包電池優(yōu)點(diǎn) 112.3.3軟包電池的缺點(diǎn) 113方殼電芯模組設(shè)計(jì)分析 123.1傳統(tǒng)方殼電芯主要結(jié)構(gòu)和發(fā)展歷程 123.1.1傳統(tǒng)方殼電芯模組結(jié)構(gòu) 123.1.2典型方殼電池模組 133.2本論文設(shè)計(jì)需解決的問題 153.2.1側(cè)面膨脹問題 153.2.1熱失控問題 163.3本論文設(shè)計(jì)路線 164一種新型方殼電芯模組的設(shè)計(jì) 174.1電池單體選擇 174.2電池單體排列方式 174.2端板設(shè)計(jì) 184.2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 184.2.2材料選用 194.2.3包邊焊結(jié)構(gòu) 194.3.模組側(cè)板設(shè)計(jì) 204.4熱壓膜 214.5緩沖墊（隔熱墊）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 214.6電連接件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 224.6.1電連接件技術(shù)簡介 224.6.2匯流板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 224.6.2正負(fù)極板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 234.7裝配過程 235總結(jié)與展望 255.1總結(jié) 255.1展望 25參考文獻(xiàn) 27致謝 281緒論1.1研究背景1.1.1新能源汽車自十八世紀(jì)中葉起，蒸汽機(jī)技術(shù)的進(jìn)步極大促進(jìn)了生產(chǎn)力革命，標(biāo)志著人類逐漸步入移動能源的新時(shí)代。蒸汽機(jī)的廣泛應(yīng)用徹底轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)工業(yè)面貌，它能將燃料燃燒釋放的化學(xué)能有效轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，以此推動船舶和車輛等的運(yùn)作。隨著研究的不斷深入，更為先進(jìn)的內(nèi)燃機(jī)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，主要通過燃燒石油等化石能源來獲取動力。此過程伴隨著人類對能源需求的日益增長，促使能源開采與利用方面的研究持續(xù)擴(kuò)展。當(dāng)前，我們所依賴的主要交通工具，包括汽車、飛機(jī)和船只等，主要依靠化石燃料燃燒驅(qū)動。然而，化石燃料的使用不僅加劇了環(huán)境污染和資源枯竭的問題，而且人們逐漸認(rèn)識到其應(yīng)用遠(yuǎn)非理想。長期依賴化石能源所產(chǎn)生的污染，對人類的可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。面對這些挑戰(zhàn)，世界各國紛紛投身于清潔能源的研究，取得了諸多創(chuàng)新技術(shù)的突破。特別是在汽車工業(yè)，新能源汽車的開發(fā)大大降低了對空氣的污染，顯著減少了汽車尾氣排放。隨著電能的普及和政策的影響下，促使眾多傳統(tǒng)汽車企業(yè)和新勢力造車企業(yè)大力投入電動汽車（EV）的研發(fā)，成功推出多款電動車型。近年來，隨著對傳統(tǒng)燃油車空氣污染影響的增加認(rèn)識，越來越多家庭傾向于購買環(huán)保節(jié)能的電動汽車，使得電動車銷量穩(wěn)定上升。電動汽車的關(guān)鍵組成部分之一為電池，其中鋰離子電池因其在蓄電量和安全性方面的顯著優(yōu)勢而成為最受歡迎的選擇。如圖1-1所示，隨著EV產(chǎn)量的提升，對鋰離子電池的需求亦不斷增長。2021年，鋰離子電池的需求和產(chǎn)量已超過154GWh，未來幾年這一數(shù)字將繼續(xù)呈現(xiàn)增長趨勢。近年來，新能源汽車產(chǎn)業(yè)逐漸成為我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，同時(shí)也為順應(yīng)全球綠色能源發(fā)展趨勢與我國產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的發(fā)展要求，因此中國明確提出要大幅提升新能源汽車比例，推動新能源汽車產(chǎn)業(yè)成為國家支柱產(chǎn)業(yè)。發(fā)展新能源汽車是我國從汽車大國邁向汽車強(qiáng)國的必由之路，是應(yīng)對氣候變化、推動綠色發(fā)展的戰(zhàn)略舉措。2020年國務(wù)院發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》指出，發(fā)展新能源汽車是我國從汽車大國邁向汽車強(qiáng)國的必由之路，是應(yīng)對氣候變化、推動綠色發(fā)展的戰(zhàn)略舉措。圖1-1中國動力電池2015-2021年裝機(jī)量及增長率隨著全球各國逐漸意識到傳統(tǒng)燃油汽車對環(huán)境造成的重大污染，紛紛加大了對新能源汽車技術(shù)，尤其是以鋰離子電池為核心的技術(shù)研發(fā)的投入。政府和管理機(jī)構(gòu)在法律制度、經(jīng)濟(jì)補(bǔ)貼等方面給予了重要支持，從而為新能源汽車行業(yè)的繁榮發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。到2023年，我國新能源汽車產(chǎn)量和銷量分別達(dá)到958.7萬輛和949.5萬輛，同比增長35.8%和37.9%，市場占有率達(dá)到了驚人的31.6%。預(yù)計(jì)到2030年占有率為50%，即不低于1500萬輛。1.1.2動力電池當(dāng)下，鋰電池技術(shù)的廣泛采用標(biāo)志著電動汽車生產(chǎn)的新時(shí)代。從十八個(gè)世紀(jì)六十年代開始，蒸汽機(jī)技術(shù)標(biāo)志著從傳統(tǒng)動力到移動能源時(shí)代的轉(zhuǎn)變，其通過將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，革新了運(yùn)輸和工業(yè)生產(chǎn)的面貌。隨著時(shí)間的推移和技術(shù)的不斷進(jìn)步，更高效的內(nèi)燃機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，這些引擎主要依靠石油等化石燃料燃燒獲得動力，廣泛應(yīng)用于各類交通工具和工業(yè)活動中。然而，現(xiàn)今社會的交通工具，包括汽車、飛機(jī)和船只，仍普遍依賴于化石燃料的燃燒，盡管這一格局正在逐步改變。隨著環(huán)境污染日益嚴(yán)重和自然資源逐漸減少，人們開始認(rèn)識到，化石能源的持續(xù)利用遠(yuǎn)非理想，并對地球的可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。這種認(rèn)識促使了對各類清潔能源的深入研究，進(jìn)而催生了多項(xiàng)革命性的能源技術(shù)。在這一過程中，新能源汽車作為這些技術(shù)創(chuàng)新的顯著成果，已經(jīng)成為清潔能源應(yīng)用的典型示范。電力電池作為電動汽車三大核心組成部分（即電池、電機(jī)與電控）中的關(guān)鍵一環(huán)，不僅是車輛動力系統(tǒng)的心臟，更是推動電動汽車技術(shù)進(jìn)步的重要標(biāo)志。它的性能優(yōu)劣，直接決定了電動車的續(xù)航能力，其重要性毋庸置疑。如圖1-2所示，電動車的動力源系統(tǒng)主要采用了兩種類型的鋰離子電池：三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池。動力電池封裝方式可分為圓柱、方殼、軟包三種不同形狀的電芯。電池通過串聯(lián)或并聯(lián)的方式組成電池模組，電動車通過將這些模組以并聯(lián)或串聯(lián)的方式組合，構(gòu)建成動力電池即電池包（PACK）。這樣組裝成的動力電池組，為汽車提供所需的動力，是電動車動力系統(tǒng)的核心部分。電動汽車PACK圖1-2電動車的動力電源系統(tǒng)1.1研究意義圓柱、方形、軟包三大封裝方式，方形最為主流。在當(dāng)前的能源轉(zhuǎn)型與新能源汽車快速發(fā)展背景下，動力電池技術(shù)的革新顯得尤為關(guān)鍵，對電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到了推動作用。特別是方殼電芯模組的創(chuàng)新設(shè)計(jì)及其性能分析，在提升電動汽車綜合性能、降低成本及增強(qiáng)安全性方面，展現(xiàn)出顯著的研究和應(yīng)用價(jià)值。首先考慮的是能量密度的增加與重量的減輕。得益于方殼電芯的結(jié)構(gòu)特性，在保持相同體積的前提下能夠提供更高的電量，這一點(diǎn)直接促進(jìn)了電池模組能量密度的提高。通過創(chuàng)新的設(shè)計(jì)方案，我們不僅增強(qiáng)了電池的能量存儲能力，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了對電動汽車整體重量的有效降低，這一改進(jìn)顯著增強(qiáng)了車輛的行駛里程以及其在市場中的競爭力。其次，提升電池模組的安全性。動力電池系統(tǒng)的穩(wěn)定性是電動汽車安全性能的關(guān)鍵。方殼電芯模組借助其結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，有效增強(qiáng)了電池的散熱效果，降低了熱失控的可能性。此外，經(jīng)過優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高了對外力撞擊的防護(hù)能力，從而在顯著增強(qiáng)電動汽車安全性的同時(shí)，也為其穩(wěn)定性提供了強(qiáng)有力的保障。此外，優(yōu)化模組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅簡化了生產(chǎn)流程，降低了制造成本，還通過易于維護(hù)和更換的設(shè)計(jì)顯著減少了電動汽車的維護(hù)負(fù)擔(dān)，有效地降低了電動汽車的整體擁有成本。最終，促進(jìn)電動汽車產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展成為我們的核心目標(biāo)。方殼電芯模組的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和性能分析顯著提升了電動汽車的性能與安全性，并通過成本控制促進(jìn)了電動車的廣泛采納，為汽車產(chǎn)業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型和持續(xù)發(fā)展鋪平了道路。綜上所述，方殼電芯模組的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與分析在促進(jìn)動力電池技術(shù)的發(fā)展、提高電動汽車的性能、降低成本以及增強(qiáng)使用安全等方面，展示了顯著的研究及應(yīng)用價(jià)值，成為了電動汽車技術(shù)進(jìn)步不可分割的部分。1.1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在鋰電池領(lǐng)域，針對方殼電芯模組的設(shè)計(jì)及其優(yōu)化策略已成為學(xué)術(shù)和工業(yè)研究的焦點(diǎn)。電動汽車及可再生能源存儲系統(tǒng)對電池模組性能的需求日益增長，推動了對電池模組設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化的深入探究。本節(jié)概述了國內(nèi)外在方殼電芯模組設(shè)計(jì)及優(yōu)化研究領(lǐng)域的最新進(jìn)展。在國際上，眾多研究機(jī)構(gòu)與企業(yè)正專注于通過材料創(chuàng)新與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，提升電池模組的能量密度及安全性。舉例來說，特斯拉引入了尖端冷卻技術(shù)和創(chuàng)新的模組設(shè)計(jì)方案，旨在增強(qiáng)電池包的熱穩(wěn)定性與安全性。同時(shí)，歐美研究團(tuán)隊(duì)正探索利用創(chuàng)新的絕緣耐熱材料及靈活的布局方案，以增強(qiáng)電池模組的可靠性與維護(hù)便捷性。國內(nèi)研究領(lǐng)域則主要集中在電池模組的高集成度及自動化生產(chǎn)技術(shù)的提升上。中國電池制造領(lǐng)軍企業(yè)，例如寧德時(shí)代和比亞迪，正致力于開發(fā)緊湊、高集成度的電池模組設(shè)計(jì)方案，其目標(biāo)是降低成本、提高生產(chǎn)效率及提升能量密度，而不損害電池的性能與安全性。此外，國內(nèi)研究亦涵蓋了電池管理系統(tǒng)（BMS）的集成與優(yōu)化，目的是增強(qiáng)電池模組的整體性能及延長其使用壽命。

2鋰離子電池工作原理及分類電動汽車動力電池普遍為鋰離子電池，鋰離子電池作為二十世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一，因具有比能量高、循環(huán)壽命長、無記憶性以及自放電率低等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于人類社會的衣食住行等各方面。在2019年，鋰電池也不負(fù)眾望，成為了2019諾貝爾化學(xué)獎的獲獎主題，2019年10月9日，瑞典皇家科學(xué)院宣布，將2019年諾貝爾化學(xué)獎授予約翰·古迪納夫、斯坦利·惠廷厄姆和吉野彰，以表彰他們在鋰離子電池研發(fā)領(lǐng)域作出的貢獻(xiàn)。為了更好地了解鋰離子電池，本文介紹了鋰電池的構(gòu)造及工作原理及方形、圓柱、軟包三種電芯的結(jié)構(gòu)及優(yōu)缺點(diǎn)。2.1鋰離子電池工作原理2.1.1工作原理如圖2-1所示，鋰離子電池的工作原理表明這是一種利用鋰離子Li+和電子e-在正負(fù)極之間進(jìn)行循環(huán)嵌入與脫出的濃差電池。正負(fù)極由兩種不同的鋰離子嵌入型化合物組成，它們通過聚合物隔膜相互隔離。正極材料為高氧化電位的鋰離子化合物，能夠在電場作用下可逆地嵌入與脫出鋰離子，同時(shí)保持結(jié)構(gòu)完整性。負(fù)極則采用層狀結(jié)構(gòu)的多孔碳材料（例如石墨），這些材料也支持鋰離子的可逆嵌入與脫出，作為鋰的宿主與正極相對應(yīng)；電解液的主要功能是傳輸鋰離子。圖2-1鋰離子電池工作原理（1）充電過程：在充電過程中，來自正極的鋰離子透過隔膜和電解液傳輸至負(fù)極，并嵌入其多孔碳材料中，與早就跑過來的電子結(jié)合在一起。此時(shí)：正極上發(fā)生的反應(yīng)為：L負(fù)極上發(fā)生的反應(yīng)為：6C+鋰離子的嵌入量決定了電池的充電容量。（2）放電過程：將充電過程中儲存的電能用于用電器時(shí)，即為鋰離子電池的放電過程，放電是將充電時(shí)嵌入負(fù)極碳層微孔的鋰離子Li+脫出，重新運(yùn)動回正極的過程。同理，返回正極的鋰離子數(shù)量越多，放電容量亦越大；該放電容量即是日常所說的電池容量。2.1.2充放電特性電芯正極采用LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O2（三元材料），LiCoO2本是一種層結(jié)構(gòu)很穩(wěn)定的晶型，但是，當(dāng)移除x個(gè)鋰離子可能會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變化，具體是否變化取決于x的具體數(shù)值。研究表明，當(dāng)x>0.5時(shí)，Li1-xCoO2的結(jié)構(gòu)變得極不穩(wěn)定，可能導(dǎo)致晶型崩塌，這一變化最終表現(xiàn)為電芯性能的嚴(yán)重下降。因此，在電芯使用過程中，應(yīng)控制充電電壓不超過4.2V以確保Li1-xCoO2中的x值低于0.5，保持晶型的穩(wěn)定性。記憶效應(yīng)主要由結(jié)晶化引起，但這一反應(yīng)在鋰電池中極為罕見。然而，鋰離子電池在經(jīng)過多次充放電周期后，其容量通常會出現(xiàn)下降，這一現(xiàn)象的原因是多方面的。主要原因包括正負(fù)極材料的變化：從分子層面來看，容納鋰離子的空穴結(jié)構(gòu)在正負(fù)極上會逐漸塌陷或堵塞；從化學(xué)角度來看，正負(fù)極材料可能會活性鈍化，并伴隨副反應(yīng)生成穩(wěn)定的化合物。物理變化中，正極材料可能會逐漸剝落。這些因素綜合導(dǎo)致可在充放電過程中自由移動的鋰離子數(shù)量減少。過度充電和過度放電會對鋰離子電池的正負(fù)極造成不可逆損傷。具體來說，過度放電會導(dǎo)致負(fù)極碳材料過量釋放鋰離子，進(jìn)而引起片層結(jié)構(gòu)的塌陷；同時(shí)，過度充電則會導(dǎo)致過多鋰離子強(qiáng)行嵌入負(fù)極碳結(jié)構(gòu)中，部分鋰離子因此無法再被釋放。不適宜的溫度條件促使鋰離子電池內(nèi)部發(fā)生副反應(yīng)，生成不希望形成的化合物。為此，許多鋰離子電池在正負(fù)極間采用了溫控隔膜和電解質(zhì)添加劑以提供保護(hù)。當(dāng)電池溫度升高到臨界點(diǎn)時(shí)，復(fù)合膜的孔洞可能閉合，電解質(zhì)也可能變性，從而增大電池的內(nèi)阻，直至發(fā)生斷路，此機(jī)制阻止電池進(jìn)一步升溫，確保充電過程中的溫度維持在安全范圍內(nèi)。2.1方殼電池2.1.1方殼電池結(jié)構(gòu)方殼電池的典型組成包括頂蓋、殼體、正極、負(fù)極、隔離膜、絕緣件及安全組件等。安全組件主要包括針刺安全保護(hù)裝置（NSD）和過充安全保護(hù)裝置（OSD）。針刺安全保護(hù)裝置（NSD）通過在電池卷芯外部添加金屬層（如銅薄片）來工作，此舉可防止針刺導(dǎo)致的局部過熱，并有效減緩熱失控的發(fā)生。過充安全保護(hù)裝置（OSD）通常由一個(gè)金屬薄片構(gòu)成，與保險(xiǎn)絲配合使用。保險(xiǎn)絲安裝于正極集流體，當(dāng)過充時(shí)，內(nèi)部壓力觸發(fā)OSD造成短路，這將瞬間產(chǎn)生大電流，導(dǎo)致保險(xiǎn)絲熔斷，從而中斷電池的內(nèi)部電流路徑。電池在正極和負(fù)極之間設(shè)有一個(gè)隔離層，其主要材料為聚乙烯薄膜。負(fù)極主要由集流體組成，包括鋁箔和鋰合金等組件。負(fù)極兼作電流收集器，正極、負(fù)極和隔離膜組合成統(tǒng)一的矩形結(jié)構(gòu)，安裝于鋁質(zhì)電池殼內(nèi)，并填充特殊電解質(zhì)?？紤]到過載保護(hù)等安全問題，端蓋中配備了安全閥等防護(hù)裝置，形成了一個(gè)完整的鋰電池結(jié)構(gòu)（圖2-2）。圖2-2方殼電池結(jié)構(gòu)2.1.2方殼電池優(yōu)點(diǎn)在動力電池領(lǐng)域，2022年方殼電池占據(jù)了93.2%的市場份額，以寧德時(shí)代為首的中國企業(yè)主要生產(chǎn)方殼電池，并將其作為核心產(chǎn)品，強(qiáng)勢突顯了方殼電池在市場上的優(yōu)越性，占據(jù)當(dāng)今能源領(lǐng)域重要的主導(dǎo)地位。其主要優(yōu)點(diǎn)包括低內(nèi)阻和長循環(huán)壽命，這兩個(gè)特性使得方形電池能夠提供穩(wěn)定的能量輸出和較長的使用壽命，非常適合需要長時(shí)間能量供應(yīng)的應(yīng)用場景。高封裝可靠性和良好的耐受性意味著方形電池在物理強(qiáng)度和環(huán)境適應(yīng)性方面表現(xiàn)出色，能夠承受更嚴(yán)酷的使用條件。方形電池的組裝過程相對簡單，這不僅降低了生產(chǎn)成本，也提高了制造效率，這些優(yōu)點(diǎn)使其在市場競爭中更具優(yōu)勢。在中高端電動車型中，主機(jī)廠更傾向于采用方殼電池，反映出其在此類車型中的廣泛認(rèn)可?？傊?，方殼電池以其高效能、高安全性和高可靠性，成為了眾多應(yīng)用領(lǐng)域的首選能源解決方案。2.1.3方殼電池缺點(diǎn)方形電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可能導(dǎo)致比其他類型電池如圓柱形或軟包電池更高的制造成本，因?yàn)榉叫坞姵氐木芊庋b工藝較為復(fù)雜。方形鋰電池能夠根據(jù)各種產(chǎn)品尺寸需求進(jìn)行定制化生產(chǎn)，市場上因此涌現(xiàn)出成千上萬種型號。然而，型號的多樣化極大增加了統(tǒng)一生產(chǎn)工藝的難度，進(jìn)而影響了生產(chǎn)自動化的水平，并增加了單體電池間的差異性。在大規(guī)模應(yīng)用中，單體電池間的差異性往往導(dǎo)致系統(tǒng)整體壽命大大低于各單體的預(yù)期壽命，成為該技術(shù)的一個(gè)主要挑戰(zhàn)。最后，方形電池在回收和處理過程中可能更加困難和成本更高，這增加了其整體的環(huán)境影響。2.2圓柱電池2.2.1圓柱電池結(jié)構(gòu)常規(guī)的圓柱電池除形狀外，結(jié)構(gòu)與方殼電池類似。圓柱電池的典型結(jié)構(gòu)（圖2-3）組成包括外殼、蓋帽、正極、負(fù)極、隔膜、電解液、PTC元件、墊圈及安全閥等。通常情況下，電池的外殼充當(dāng)負(fù)極，而蓋帽則作為正極。PTC熱敏電阻是圓柱電池特有的保護(hù)結(jié)構(gòu)，主要用于商用圓柱形電池中，而方形或軟包電池中此類裝置較少。PTC熱敏電阻能被動復(fù)位，有效抑制高電流浪涌并預(yù)防過電流。圖2-3圓柱電池結(jié)構(gòu)2.2.2圓柱電池優(yōu)點(diǎn)圓柱電池以磷酸鐵鋰電池為主導(dǎo)，因其獨(dú)特的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，在多個(gè)領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。這類電池通常具有較高的能量密度和較長的循環(huán)壽命，使其成為便攜式電子產(chǎn)品和電動工具的理想能源解決方案。其標(biāo)準(zhǔn)化的形狀和尺寸有利于批量生產(chǎn)和自動化組裝，大大提高了制造效率和成本效益。此外，圓柱電池的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，能夠承受較大的內(nèi)部壓力而不易變形，從而在安全性方面具有一定的優(yōu)勢。它們也配備了多種安全機(jī)制，如PTC熱敏電阻和安全閥，進(jìn)一步增強(qiáng)了使用時(shí)的安全保障。因其PACK工藝以其流程簡便、優(yōu)良的散熱性能及高度自動化等的特點(diǎn)，被電動車龍頭企業(yè)特斯拉尤為熱衷使用。圓柱電池以其高能量密度、長壽命、經(jīng)濟(jì)高效及良好的安全性能，成為了眾多應(yīng)用場景下的優(yōu)選能源形式。2.2.3圓柱電池缺點(diǎn)圓柱電池的缺點(diǎn)主要有一下三個(gè)，一是在新能源電動車中，圓柱鋰電池系統(tǒng)的單個(gè)軟件等級較高，由于使用的圓柱電池?cái)?shù)量眾多，這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和管理難度。相比其他兩種電池類型，圓柱電池的系統(tǒng)軟件在生產(chǎn)成本上相對較高。二是在非均衡的工作溫度環(huán)境下，圓柱鋰電池電芯的特性異化概率增加。特斯拉初期選擇18650電芯主要是因?yàn)槭昵埃袌錾现挥袌A柱電池能夠大規(guī)模生產(chǎn)合格的動力電池，但在2020年，特斯拉正式宣布4680電池在此后的電車上正式裝車，其能量密度等各方面性能大幅度提升。此外，對電池安全性和熱管理的高要求促進(jìn)了其電控系統(tǒng)的先進(jìn)開發(fā)。最后是圓柱鋰電池的能量密度提升潛力已經(jīng)非常有限，在固定的空間限制下，進(jìn)一步提升能量密度必須依賴于材料科學(xué)的持續(xù)進(jìn)步。2.3軟包電池2.3.1軟包電池結(jié)構(gòu)軟包電池的結(jié)構(gòu)如圖2-4所示，它主要由正極、負(fù)極、正極耳、負(fù)極耳、電解液、隔膜和絕緣片以及包裹在最外層的鋁塑膜組成。軟包電池的基本構(gòu)造與圓柱形和方形電池相似，不同之處在于，軟包電池使用鋁塑膜作為殼體，并且不設(shè)頂蓋。鋁塑膜由幾層不同材料構(gòu)成，包括外層的尼龍層(ON)、中間的鋁箔層(Al)、內(nèi)層的熱封層（通常采用CPP）以及粘合劑。鋁塑膜的主要特性包括優(yōu)異的阻隔性、良好的熱封性、延展性和柔韌性，此外，這種材料對電解液和強(qiáng)酸具有良好的抵抗力。在軟包電池的成型過程中，加壓工藝占據(jù)了獨(dú)特的環(huán)節(jié)。鋁塑膜的封裝結(jié)構(gòu)限制了極片的緊密排列，導(dǎo)致極片間易形成空隙，進(jìn)而影響電池的性能。圖2-4軟包電池結(jié)構(gòu)2.3.2軟包電池優(yōu)點(diǎn)軟包電池具有較高的電容量及能量密度。軟包電池的容量通常介于30Ah至70Ah之間，能量密度則介于220Wh/kg至300Wh/kg。這種電池的顯著優(yōu)勢在于其較輕的重量；相較于鋼殼三元鋰電池，即使采用相同電芯，三元軟包電池的能量密度可高出40%。鋁塑膜的密封性優(yōu)于傳統(tǒng)金屬殼，極大地增強(qiáng)了電池的安全性，因?yàn)樗梢栽陔姵貎?nèi)部壓力過高時(shí)通過膨脹來釋放壓力，防止電池爆炸。此外，軟包電池的形狀和尺寸可靈活設(shè)計(jì)，更易于根據(jù)設(shè)備空間進(jìn)行定制，提高了裝配靈活性和整體設(shè)備的緊湊性。這種電池的熱管理性能優(yōu)異，能在較寬的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，增加了使用環(huán)境的適應(yīng)性。正因如此，軟包電池以其輕便、安全、靈活和高效的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于移動電話、筆記本電腦以及電動汽車等多種電子設(shè)備中。2.3.3軟包電池的缺點(diǎn)軟包電池雖然在許多方面表現(xiàn)出色，但也存在一些明顯的不足。主要有四點(diǎn)不足之處，一是由于采用的是輕薄的鋁塑膜作為包裝材料，其機(jī)械強(qiáng)度較傳統(tǒng)硬殼電池為低，因此在物理撞擊或穿刺時(shí)更容易損壞，導(dǎo)致漏液或短路的風(fēng)險(xiǎn)增加；二是軟包電池的生產(chǎn)過程中一致性控制較難，易出現(xiàn)性能波動，這在批量生產(chǎn)時(shí)尤為突出，影響電池組的整體性能和壽命。三是軟包電池的成本相對較高，特別是其主要材料鋁塑膜多需進(jìn)口，增加了生產(chǎn)成本，包括標(biāo)準(zhǔn)化程度較低也是一個(gè)增加生產(chǎn)成本的問題。最后，軟包電池的成組效率低，這意味著在組裝成電池組時(shí)其空間利用率不如硬殼電池，可能影響最終產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和能效表現(xiàn)。盡管軟包電池技術(shù)具備多項(xiàng)優(yōu)勢，但這些劣勢也限制了其應(yīng)用范圍和普及程度。

3方殼電芯模組設(shè)計(jì)分析本章主要介紹了傳統(tǒng)方殼電芯的結(jié)構(gòu)和各廠商幾種典型的方殼電芯模組，以及本論文要解決的問題和論文的研究路線。3.1傳統(tǒng)方殼電芯主要結(jié)構(gòu)和發(fā)展歷程3.1.1傳統(tǒng)方殼電芯模組結(jié)構(gòu)方殼電芯模組結(jié)構(gòu)主要通過其堅(jiān)固且規(guī)整的方形外殼，利用串聯(lián)或并聯(lián)方式連接多個(gè)電芯，滿足不同的電壓和容量需求。通常，這種模組采用金屬或塑料框架固定電芯，不僅確保了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性，而且通過優(yōu)化的散熱通道保持電芯在安全溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。方殼電芯模組以其高效的空間利用和優(yōu)異的散熱性能，廣泛應(yīng)用于需要高能量密度和優(yōu)秀熱管理系統(tǒng)的電動汽車、儲能系統(tǒng)及工業(yè)設(shè)備中。這種模組結(jié)構(gòu)的高效配置不僅優(yōu)化了功率輸出，還延長了電池的使用周期，是現(xiàn)代電池技術(shù)中一種重要的組成形式。圖3-1即為標(biāo)準(zhǔn)的方殼電芯模組結(jié)構(gòu)，主要由前后兩個(gè)端板、兩個(gè)側(cè)板、一個(gè)底板、一個(gè)蓋板、若干方殼單體電芯以及絕緣板和電連接件等組成。雖然外形簡潔，但功能性強(qiáng)，符合當(dāng)前電動車及儲能應(yīng)用的高標(biāo)準(zhǔn)需求。圖3-1方殼電芯的標(biāo)準(zhǔn)模組結(jié)構(gòu)3.1.2典型方殼電池模組如下圖3-2所示，展示的是2011年三菱i-MiEV電池模塊。該模塊通過PCB板來采集各電池單元的電壓和溫度信息，并利用螺栓在兩端進(jìn)行固定。電池單元之間采用了行業(yè)內(nèi)常用的母線（Busbar）和螺栓的連接方式。圖3-2三菱i-MiEV電池模塊接下來圖3-3是2012款豐田普瑞斯PHEV的電池模塊。該模塊通過線束來采集電池單元信息，盡管這種采集方式在某些情況下可能顯得復(fù)雜并且可能存在安全隱患。連接方式為常用的螺栓固定，并增設(shè)橙色部分以提供額外的保護(hù)。圖3-3豐田普瑞斯PHEV電池模塊如圖3-4所示，這是2014款大眾捷達(dá)HEV的電池模塊，模塊通過側(cè)面的兩根壓條進(jìn)行緊固。為了提高絕緣性能，端板外側(cè)覆蓋了塑料蓋板。圖3-42014款大眾捷達(dá)HEV大眾eGolf2015MY電池模塊（圖3-5），端板設(shè)計(jì)功能豐富，不僅減輕了重量，同時(shí)保證了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，滿足組裝需求。該模塊采用PCB板來采集電池單元的信息，并在兩端設(shè)置低壓接頭，這種設(shè)計(jì)越來越受到青睞。圖3-5大眾eGolf2015MY電池模塊如下圖3-6所示，展示的是2014年奧迪PHEV2的模塊設(shè)計(jì)概念，包括匹配的液冷板設(shè)計(jì)。該爆炸圖揭示了一些從常規(guī)視角看不到的內(nèi)部結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。圖3-62014年奧迪PHEV2的模塊設(shè)計(jì)概念3.2本論文設(shè)計(jì)需解決的問題目前乘用電動汽車中多使用三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池。相較于其他類型電池，三元鋰電池有更大的容量，能更好滿足車輛的續(xù)航要求，綜合性能較優(yōu)。所以本文選取三元鋰電池作為模組的單體電池進(jìn)行研究。3.2.1側(cè)面膨脹問題鋰離子在充放電過程中，電池內(nèi)部會產(chǎn)生一定的壓力（通常為0.3～0.6MPa）。在此壓力條件下，受力面積較大的電池殼壁變形更為嚴(yán)重。電池膨脹的主要原因包括：在化成過程中SEI層形成時(shí)的氣體產(chǎn)生導(dǎo)致內(nèi)部壓力增高，特別是方形電池由于其平面結(jié)構(gòu)的低耐壓能力，易發(fā)生殼體變形；充電過程中，電極材料晶格的變化引起電極膨脹，此力量傳遞至殼體，同樣造成變形；在高溫存儲過程中，電解液的微量分解和溫度效應(yīng)同樣使得氣體壓力升高，進(jìn)一步導(dǎo)致殼體變形。方形電池常見的鼓脹問題尤其在大容量鋰離子電池中更為顯著。鼓脹不僅增加電池的內(nèi)阻，還可能導(dǎo)致電解液局部枯竭和殼體破裂，這些問題嚴(yán)重威脅電池的安全性和循環(huán)壽命。優(yōu)化排列方式兩個(gè)角度，研究人員給出此解決方殼電池臌脹問題的方案。研究人員對比了兩種排列型式（圖3-7），變形量如圖3-8所示。對比發(fā)現(xiàn)，排列方式Ⅱ的厚度方向變形量明顯小于排列方式Ⅰ。圖3-7兩種不同的排列方式圖3-8兩種排列方式殼體變化率3.2.1熱失控問題三元鋰電池綜合性能優(yōu)異，但與磷酸鐵鋰電池在熱失控方面存在顯著差異，三元鋰電池的熱穩(wěn)定性相對較差，更易于在高溫或過充電情況下發(fā)生熱失控，從而導(dǎo)致燃燒或爆炸。根據(jù)張軍等人對不同材料的大容量鋰電池?zé)崾Э貙?shí)驗(yàn)研究表明，三元鋰電池（NCM）熱失控比硫酸鐵鋰電池（LFP）更劇烈。LFP僅產(chǎn)生大量白色煙霧，NCM則存在濃烈黑煙、射流火焰和爆炸等現(xiàn)象；NCM的熱失控特征參數(shù)數(shù)值更大，100%SOC的NCM在側(cè)面受熱熱失控時(shí)的表面最高溫度、最大溫升速率為535℃、46.2℃/s，分別為相同條件下LFP的1.3倍、4.8倍，并且NCM不同階段的溫升速率分布差異更明顯，熱失控持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)短于LFP，殼體變形也更嚴(yán)重。3.3本論文設(shè)計(jì)路線根據(jù)之前的論述明確了現(xiàn)有電池模組的結(jié)構(gòu)，從整體結(jié)構(gòu)來看，大部分都是在密閉的模組外殼中放置電池，依據(jù)之前的分析，我們明確了目前電池模組的構(gòu)造：大多數(shù)電池被安置在封閉的外殼內(nèi)，電池一旦膨脹，便受到這些堅(jiān)固外殼的限制，尤其是當(dāng)膨脹達(dá)到一定程度，更易于引發(fā)短路等安全問題，且三元鋰電池?zé)崾Э剡h(yuǎn)劇烈于磷酸鐵鋰電池，在極端情況下，可能導(dǎo)致爆炸并嚴(yán)重威脅人身安全。本論文為了解決上述問題，設(shè)計(jì)一種新型模組，當(dāng)電池發(fā)生膨脹與收縮時(shí)其框架性能也能夠保持不變；且電池與電池之間用新型材料延緩三元鋰電池?zé)崾Э貑栴}，為人爭取足夠的逃生時(shí)間。本文的設(shè)計(jì)路線主要有一下兩點(diǎn)：重新設(shè)計(jì)模組結(jié)構(gòu)的端板、側(cè)板、電連接件等關(guān)鍵零部件。使用新材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的隔熱墊/緩沖墊，使其滿足三元鋰電池使用安全。4一種新型方殼電芯模組的設(shè)計(jì)4.1電池單體選擇電池單體選擇為寧德時(shí)代某型號三元鋰電池，具體參數(shù)為長148mm，寬52mm，高106mm，電壓為3.6V，容量為117Ah，內(nèi)阻0.48mΩ，重量1.8kg，。如圖4-1所示。圖4-1電池單體4.2電池單體排列方式經(jīng)過3.2.1側(cè)面膨脹問題驗(yàn)證，如圖4-2所示，該排列方式能降低電池膨脹率。本論文采用6顆三元鋰大單體電池，經(jīng)過串聯(lián)，組成一個(gè)21.6V，117Ah的方殼模組。圖4-2電池排列方式4.2端板設(shè)計(jì)4.2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模組端板一般是擠壓成型的鋁型部件，它是電芯組裝過程中的主要外框架結(jié)構(gòu)元件，并與模組側(cè)板焊接，以維持電芯組合時(shí)的結(jié)構(gòu)壓力，確保了整個(gè)模組壽命期內(nèi)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。其中兩邊的螺栓穿過安裝孔，將模組固定在電池包上，矩形缺口設(shè)計(jì)用于安裝輸出級底座，扎線孔用來固定線束卡扣。模組端板的基本功能主要包括：確保結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以滿足電芯成組和使用的要求；焊接側(cè)板的強(qiáng)度足以支持電芯組裝和使用需求；焊接側(cè)板的強(qiáng)度足以支持電芯組裝和使用需求；能夠承受電芯膨脹時(shí)產(chǎn)生的力；提供用于安裝的模組界面；提供模組的定位功能；防止溢出的膠體影響側(cè)板的焊接質(zhì)量；有專用的線束扎帶固定界面；防止絕緣罩和電芯間的壓損等。端板的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參見圖4-3，而具體的尺寸數(shù)值詳見圖4-4。圖4-3端板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖圖4-4端板關(guān)鍵尺寸圖4.2.2材料選用模組側(cè)板在電池包中同樣承擔(dān)著保護(hù)和結(jié)構(gòu)支撐的重要角色，因此所選用的材料需要具備良好的機(jī)械性能、耐腐蝕性、及良好的加工性能。一般常用為鋁合金作為端板的材料。本文選取了6061和6063兩種鋁合金材料作為端板的選用，其性能方面差異如圖4-5所示。圖4-5兩種鋁合金材料對比經(jīng)過對比，6061有更高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及良好的耐腐蝕性，選取6061為端板的使用材料。4.2.3包邊焊結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)模組箱體結(jié)構(gòu)中，電芯熱膨脹導(dǎo)致端側(cè)板連接處應(yīng)力過大，進(jìn)而引發(fā)結(jié)構(gòu)破壞。因此，開發(fā)一種能顯著降低該應(yīng)力的新結(jié)構(gòu)勢在必行。如圖示，通過沿Y軸方向使兩板包覆端板邊緣，并采用激光焊接技術(shù)，此結(jié)構(gòu)有效減少電芯膨脹時(shí)端側(cè)板連接處的裂紋或斷裂。在端板與側(cè)板配合的轉(zhuǎn)角位置采用減料設(shè)計(jì)，設(shè)置1.5×0.22mm的長方形槽口以避免端板轉(zhuǎn)角成型時(shí)形成的R角(≤0.3mm)影響兩板的貼合。端板的包邊長度為11mm。詳細(xì)結(jié)構(gòu)參見圖4-6。圖4-6包邊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖4.3.模組側(cè)板設(shè)計(jì)傳統(tǒng)方殼模組結(jié)構(gòu)為兩個(gè)側(cè)板和一個(gè)底板組合使用，這樣生產(chǎn)工序增加，自動化裝配時(shí)間長。為了優(yōu)化這種組合設(shè)計(jì)，本論文提出了一種側(cè)板與底板相結(jié)合組成一體化結(jié)構(gòu)的側(cè)板組合件，采用一體化沖壓成型技術(shù)，這種技術(shù)通過使用單一或少數(shù)幾個(gè)模具來完成部件的成型，從而大大提高生產(chǎn)效率和降低成本。還有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：質(zhì)量一致性；減少材料浪費(fèi)；提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；環(huán)境影響減小。側(cè)板組合件結(jié)構(gòu)圖和關(guān)鍵尺寸圖分別如圖4-7、4-8所示，該組合件采用5052鋁合金材料組成，厚度為1.5mm。5052鋁合金在滿足強(qiáng)度的情況同時(shí)在冷態(tài)下具有極好的可塑性，適合各種冷成形方法。側(cè)板組合件是模組的關(guān)鍵外框架結(jié)構(gòu)件，不僅支撐電芯，而且與端板及其他組件協(xié)同工作，確保電芯組整體的結(jié)構(gòu)完整性。通過與模組端板的焊接連接，側(cè)板幫助維持電芯組的壓力，從而確保整個(gè)模組在其壽命期內(nèi)滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求。圖4-7側(cè)板組合件結(jié)構(gòu)圖圖4-8側(cè)板組合價(jià)關(guān)鍵尺寸圖4.4熱壓膜熱壓膜材料主要用于電子設(shè)備中為了提高絕緣性能、增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度、保護(hù)內(nèi)部組件免受環(huán)境因素的影響。由于模組電芯能夠產(chǎn)生電流，而側(cè)板又屬于導(dǎo)電零部件，必須考慮適當(dāng)?shù)碾姎忾g隙和爬電距離。為滿足安全規(guī)范，側(cè)板內(nèi)側(cè)應(yīng)加貼熱壓膜材料以確保電氣間隙及爬電距離符合要求，這樣可以防止模組中帶電電芯與外殼間的過小距離，降低短路或漏電的風(fēng)險(xiǎn)，避免外殼帶電。4.5緩沖墊（隔熱墊）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緩沖墊的主要功能是在模組裝配過程及裝配完成后，確保電芯間適當(dāng)?shù)膲壕o力，并填補(bǔ)電芯間的間隙，以維持模組的總長度尺寸精度。在相同條件下，增大壓緊力將提升模組的剛度，從而改善其整體機(jī)械性能。隔熱墊是安裝于電芯之間的組件，主要用于提供緩沖和隔熱功能，以保護(hù)電芯并優(yōu)化其性能。大容量的三元鋰電池?zé)崾Э貢r(shí)最高溫度可達(dá)1000攝氏度，隔熱墊的選用顯得尤其重要。本論文設(shè)計(jì)采用第三代氣凝膠材料（陶瓷纖維氣凝膠），隔熱溫度可達(dá)1100攝氏度，首次將氣凝膠材料應(yīng)用于電力電池模組之中，結(jié)構(gòu)如圖4-9所示，表面積比單體電池的表面積略小。該三元鋰電池膨脹率大約為5%，所以氣凝膠厚度為設(shè)計(jì)為2.5mm，使其有足夠的收縮空間且延緩膨脹效應(yīng)，增加電池壽命。氣凝膠是一種具有高孔隙率和低密度的超輕材料，通常由硅、碳或金屬氧化物構(gòu)成。這種材料結(jié)構(gòu)中大部分是空氣，使得氣凝膠具備極佳的絕熱性能，常用于熱隔離和溫度控制應(yīng)用。由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使得氣凝膠也具備了高壓縮性與回彈能力，絕熱性能和壓縮回彈能力使其非常適合應(yīng)對三元鋰電池充放電過程中的膨脹收縮問題。圖4-9氣凝膠隔熱墊結(jié)構(gòu)圖4.6電連接件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在電動汽車的應(yīng)用中，大容量方殼電池通常先進(jìn)行串聯(lián)后并聯(lián)（即先增壓再擴(kuò)容），以適應(yīng)各種復(fù)雜工況下的電性能需求。串聯(lián)時(shí)，單體電池的不同極連接至匯流板，常用銅材，但考慮到銅的高密度、重量及成本，某國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的方形電池主要采用鋁制匯流板?？紤]到導(dǎo)電率及電芯極柱的焊接工藝，電芯間的連接件首選使用鋁巴（鋁軟連接）。4.6.1電連接件技術(shù)簡介電連接件通常通過鈑金沖壓工藝加工，這包括落料、沖孔和折彎等步驟，以形成所需的結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)電連接件時(shí)，需特別注意以下幾個(gè)關(guān)鍵問題：（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能規(guī)整，以最小化加工過程中的材料浪費(fèi)；（2）外形設(shè)計(jì)應(yīng)避免尖角，確保倒圓角半徑不小于材料厚度的0.5倍（即R≥0.5t）；（3）沖孔時(shí)優(yōu)先選擇圓形孔，孔的最小尺寸應(yīng)考慮孔形狀、材料的機(jī)械性能及厚度。4.6.2匯流板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)匯流板結(jié)構(gòu)如圖4-10所示，厚度為1.5mm。該結(jié)構(gòu)背面有直徑等于電池極柱，厚度0.5mm的定位圓孔，并以R=0.5倒圓角處理。該結(jié)構(gòu)便于匯流板安裝時(shí)快速定位。中間還有一個(gè)小通孔便于后續(xù)機(jī)器進(jìn)行激光焊接。圖4-10匯流板結(jié)構(gòu)圖4.6.2正負(fù)極板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)正負(fù)極板結(jié)構(gòu)較為簡單，同樣有匯流板圓孔設(shè)計(jì)便于定位和焊接。厚度也為1.5mm，正負(fù)極結(jié)構(gòu)差異在于定位圓孔方向相反，其他尺寸全部相同。具體結(jié)構(gòu)用如圖4-11所示。圖4-11正極板結(jié)構(gòu)圖4.7裝配過程具體裝配流程如下：首先備齊零部件，使用酒精清潔電芯外側(cè)，并在側(cè)板內(nèi)側(cè)涂抹結(jié)構(gòu)膠，以增強(qiáng)組裝完成后的模組結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。然后將端板、電芯及絕緣罩沿X軸方向串聯(lián)組裝。接著插入側(cè)板組合件，側(cè)板組合件下部的底邊結(jié)構(gòu)應(yīng)緊貼電芯底部，使用工裝設(shè)備進(jìn)行壓緊，確保電芯沿X軸正確對齊。使用工裝夾具增加壓緊力，確保模組的總長度控制在322±1mm之內(nèi)。將模組放入烤爐中烘烤，以烘干結(jié)構(gòu)膠。裝配線束隔離板組件，并焊接鋁條。最后，安裝頂蓋并進(jìn)行電流檢測，以完成組裝過程。主要零部件完成裝配后結(jié)構(gòu)如圖4-12所示。爆炸圖如圖4-13所示。圖4-12方殼電芯模組結(jié)構(gòu)圖4-13方殼電芯模組爆炸圖

5總結(jié)與展望5.1總結(jié)本文針對方殼電芯模組的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)及其分析進(jìn)行了全面研究，旨在提升電池模組的性能與安全性，以適應(yīng)電動汽車等高要求應(yīng)用場景。此結(jié)構(gòu)簡單高效，研究首先通過優(yōu)化電池排列和固定方式，降低電池膨脹問題，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。引入新型氣凝膠材料作為隔熱墊，有效提升模組的熱穩(wěn)定性，延緩熱失控進(jìn)程，增加系統(tǒng)安全保障。此外，模組的主要結(jié)構(gòu)也經(jīng)過重新設(shè)計(jì)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，保護(hù)電池免受沖擊損害。生產(chǎn)工藝上，模組設(shè)計(jì)成可以采用自動化裝配的方式提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品一致性。盡管本論文在方殼電芯模組的創(chuàng)新設(shè)計(jì)及性能優(yōu)化方面取得了一定的效果，但研究仍存在一些不足之處，雖然通過使用新型氣凝膠材料作為隔熱墊增強(qiáng)了模組的熱穩(wěn)定性，但對于這種材料在長期高溫和復(fù)雜環(huán)境下的耐久性和穩(wěn)定性缺乏足夠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和深入分析，這可能影響到電池模組的可靠性評估。還有，本研究在模組結(jié)構(gòu)優(yōu)化上雖提高了空間利用率，但在電池模組的標(biāo)準(zhǔn)化的研究較為薄弱，這限制了其在不同類型和規(guī)模電動汽車中的應(yīng)用靈活性?？偠灾捎诒救藢W(xué)識有限和條件不足以實(shí)際生產(chǎn)出來測試，該設(shè)計(jì)只存在于理論中，未能更全面的理論分析和進(jìn)一步的實(shí)測，還存在很多方面的不足之處。5.1展望未來方殼電芯模組的研究與應(yīng)用將聚焦于結(jié)構(gòu)優(yōu)化、智能化管理系統(tǒng)的集成以及生產(chǎn)技術(shù)的革新，通過不斷地“做減法”以適應(yīng)電動汽車行業(yè)的快速發(fā)展需求。特別是模組結(jié)構(gòu)的持續(xù)優(yōu)化。研究將探索更緊湊、靈活、簡單的設(shè)計(jì)，以提高模組的集成度和模塊化水平，允許根據(jù)不同的安裝需求調(diào)整模組形狀或尺寸，提升應(yīng)用靈活性和車輛設(shè)計(jì)自由度。模組結(jié)構(gòu)將會越來越簡單，甚至取消模組結(jié)構(gòu)，將電芯直接集成在為電池包，通過簡單的支架來提升動力電池整體的能量密度。國內(nèi)廠商動力電池廠商寧德時(shí)代和比亞迪分別推出了各自的CTP技術(shù)革新，CTP全稱CellToPack，即電芯直接集成到電池包。未來的趨勢就是再進(jìn)一步做減法，形成一體化電池將電池包或者電池模組和汽車底盤融合，讓電池包或者電池模組成為底盤的一部分，增加整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)大幅度增加電池容量密度。這些進(jìn)步將共同推動電動汽車產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展和市場競爭力的提升。

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