STP電池包方案探討（上）

從 2016 年商用車(chē)標(biāo)準(zhǔn)包到 2019 年北汽 EU5 電池包，再到《寧德時(shí)代 CTP-LFP 電池“出?！钡聡?guó)》一文中透露的 CTP 方案將應(yīng)用至荷蘭電動(dòng)巴士制造商 VDL Bus＆Coach 的電動(dòng)巴士和德國(guó)亞琛卡車(chē)制造商 Trailer Dynamics 的第一款電動(dòng)半掛車(chē) Newton e Trailer。CTP 方案發(fā)展至今約 5 年。本文以商用車(chē)標(biāo)準(zhǔn)包和北汽 EU5 電池包為基礎(chǔ)，并結(jié)合大眾 MEB 平臺(tái)下箱體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分 CTP 電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和 CTP 電池包設(shè)計(jì)關(guān)注點(diǎn)兩部分對(duì) CTP 電池包進(jìn)行探討。

01 CTP 電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)? ?

1、模組結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)方形電池模組外框由端板和側(cè)板圍合并焊接而成，電芯側(cè)面和側(cè)板涂膠粘接。CTP 方形電池模組將側(cè)板替換成綁帶，相鄰電芯大面之間粘接。這種結(jié)構(gòu)類(lèi)似于早期某些軟包模組，例如 A123 的模組。 下面分零部件進(jìn)行說(shuō)明。?

A123 軟包模組?

1）綁帶
綁帶常用材質(zhì)有不銹鋼、高強(qiáng)鋼和塑料。對(duì)于 CTP 方案，由于模組上方膨脹主要由綁帶限制，采用金屬綁帶；模組下方膨脹主要由電芯底部和液冷板膠黏限制，不依賴(lài)綁帶，可以采用塑料綁帶。下圖為某 PET 綁帶基本參數(shù)，由拉伸應(yīng)變 - 載荷曲線可知，這種綁帶不能有效限制電芯膨脹，僅可作為模組裝配時(shí)臨時(shí)成組用途。

?

PET 綁帶性能參數(shù)?

打綁帶的方式有兩種：
第一種是模組堆疊后在模組線上打綁帶，例如塑料綁帶以及上述 A123 電池模組的綁帶。

第二種是綁帶來(lái)料為環(huán)形，模組堆疊擠壓后將綁帶套在端板上。金屬綁帶的接頭可以是激光焊接、金屬鎖扣等。塑料綁帶的接頭是熱熔連接?？紤]尺寸需求、絕緣防護(hù)等問(wèn)題，接頭一般設(shè)置在端板位置。?

CN201720879825.4，《電池模組》中介紹了一種金屬鎖扣接頭。?

金屬鎖扣接頭 -1?

CN201810298047.9，《用于電池模組的固定帶及電池模組》中介紹了另一種通過(guò)沖壓咬合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)連接的鎖扣結(jié)構(gòu)，這種接頭目前應(yīng)用較多。

金屬鎖扣接頭 -2?

2）端板?

端板常用材質(zhì)有塑料、鋁合金和鎂合金。由于三元電芯膨脹力較大，一般選擇金屬端板。在膨脹、振動(dòng)、沖擊等工況時(shí)，相對(duì)于傳統(tǒng)方形電池模組 CTP 模組端板受力較小，更易實(shí)現(xiàn)輕量化。?

CN201822246232.1，《電池模組》中描述了端板邊緣和綁帶配合處為圓角過(guò)渡，從而避免綁帶松脫。對(duì)于強(qiáng)度高的綁帶，很難在模組線上將來(lái)料狀態(tài)為條狀的綁帶與端板各處貼合，所以?xún)?yōu)選先將綁帶做成環(huán)形再套至端板。（提到這個(gè)專(zhuān)利并不是這個(gè)端板結(jié)構(gòu)有參考價(jià)值，僅為說(shuō)明端板和綁帶圓角過(guò)渡的必要性）

?

端板邊緣和綁帶配合處為圓角過(guò)渡

端板上設(shè)置固定點(diǎn)，常用的結(jié)構(gòu)有兩種。CN201921326921.1,《電池模組》中描述了一種，為節(jié)省 Z 向空間還可以在端板下方設(shè)置缺口（類(lèi)似大眾 MEB 平臺(tái)的 590 模組）。CN201822267812.9,《電池包及用于電池包的框體》中描述了另一種在端板中部設(shè)置凸出的固定耳的結(jié)構(gòu)。第二種固定方式在限制膨脹、整體剛度等方面都有優(yōu)勢(shì)，但與之相連的下箱體邊框也需要比較高，如果下箱體邊框上設(shè)置了外部接口（一般是后驅(qū)接插件），此方案則不好實(shí)現(xiàn)。?

?

模組通過(guò)長(zhǎng)螺栓與端板下方螺母固定?

?

模組通過(guò)端板上伸出的固定耳與下箱體固定?

3）電芯間隔框?

相鄰電芯之間設(shè)置回型框用于吸收膨脹和抑制熱擴(kuò)散，以及對(duì)于熱擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)高的情況電芯之間設(shè)置隔熱墊都是常用的方案。

CN201921576330.X，《電池模組、電池包以及車(chē)輛》中描述了對(duì)卷繞電芯回型框尺寸設(shè)置的原則，即當(dāng)模組膨脹時(shí)電芯和回型框互相擠壓，回型框要壓在 JR 圓角范圍內(nèi)，從而避免 JR 受損。有個(gè)問(wèn)題想請(qǐng)大家確認(rèn)下，疊片電芯 JR 沒(méi)有圓角區(qū)域，電芯間隔框設(shè)置有何特殊要求？?

?

相鄰電芯之間隔框尺寸示意圖?

4）CCS 組件?

CCS 組件最初應(yīng)用塑料支架+母排+線束方案，再到由吸塑支撐件、熱壓膜代替塑料支架，由 FPC 代替線束，甚至采用無(wú)線束載體方案，下次機(jī)會(huì)再作專(zhuān)門(mén)討論。?

?

熱壓膜方案 CCS 組件

5）其他?

對(duì)于采用寬度 148mm 電芯的雙排模組，如果電芯寬度變?yōu)?300mm（特斯拉磷酸鐵鋰電芯寬度 300mm），電芯厚度減半，模組可以變?yōu)閱闻?。雙排電芯的模組裝配時(shí)，需先將兩個(gè)電芯側(cè)面粘接再進(jìn)行碼垛，從工藝角度考慮，改為單排模組有較大優(yōu)勢(shì)；從模組整體剛度、熱擴(kuò)散抑制考慮,單排模組也有優(yōu)勢(shì)；從體積和重量成組效率，寬度翻倍厚度減半可能由于電芯殼體所占比例增多造成成組效率降低。這種改變?cè)谄渌矫娴挠绊懘蠹矣泻我?jiàn)解？?

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??
2、箱體結(jié)構(gòu)?

EU5 電池包下箱體和大眾 MEB 平臺(tái)下箱體方案類(lèi)似，屬于框架式下箱體，液冷板作為下箱體的底板與邊框密封，液冷板下方還設(shè)置鋼制底護(hù)板防護(hù)底部碰撞刮擦。不同的是 MEB 采用 590 模組，框架設(shè)置更多更密的橫梁和縱梁，并且 590 模組剛度好，所以 MEB 整包剛度更好。

1）框架式結(jié)構(gòu)?

框架式下箱體橫梁受力大，橫梁和邊框連接處焊縫容易開(kāi)裂，CTP 模組尺寸大、剛度差更增加了焊縫失效風(fēng)險(xiǎn)。

CN201921856972.5，《電池包下箱體、電池包及裝置》中描述了一種通過(guò)轉(zhuǎn)接塊增加橫梁和縱梁連接焊縫長(zhǎng)度的方案。?

?

橫梁與縱梁加強(qiáng)連接方案 -1

CN201921098475.3,《電池下箱體及電池系統(tǒng)》中描述了另一種通過(guò)轉(zhuǎn)接塊加強(qiáng)橫梁與邊框連接的結(jié)構(gòu)。?

?

橫梁與縱梁加強(qiáng)連接方案 -2

我們還可以借鑒 Model3 和 Bolt 梁和邊框連接方式，兩者都是通過(guò)設(shè)置轉(zhuǎn)接塊，轉(zhuǎn)接塊與邊框和梁通過(guò)螺栓連接。雖然 Model3 和 Bolt 的出發(fā)點(diǎn)是將梁做成獨(dú)立于下箱體的可拆卸梁，而不都是為了加強(qiáng)梁與箱體的連接強(qiáng)度，但這種借助轉(zhuǎn)接塊并通過(guò)螺栓連接或鉚接的方式，避免焊接對(duì)材料的軟化，確實(shí)更靈活也更強(qiáng)壯。

Model3 電池包&Bolt 電池包?

2）液冷板和底護(hù)板

液冷板與電芯底部粘接，電芯底部絕緣膜開(kāi)窗，液冷板上表面作絕緣處理。由于液冷板起到支撐綁帶模組的作用，液冷板的厚度也相對(duì)較厚。液冷板的絕緣可采用絕緣粉末例如環(huán)氧樹(shù)脂粉末噴涂，噴涂后還可以提高膠水粘接力。由于綁帶模組剛度差，所以液冷板和模組底部之間可以增加限位條，限位條可以進(jìn)一步保證電芯殼體和液冷板之間絕緣，也可以保證涂膠量的均勻，使得各處電芯溫度更加一致。

CN201820465105.8，《電池箱體以及電池箱》中對(duì)此有描述。 液冷板作為下箱體的底板需要與邊框密封，與 MEB 類(lèi)似可以采用涂膠+FDS 連接實(shí)現(xiàn)。 底護(hù)板與邊框、橫梁和縱梁采用密封拉鉚螺母連接，可拆卸的連接方便底護(hù)板失效后的售后維護(hù)。底護(hù)板與液冷板之間也可以密封，例如采用泡棉密封。CN201721867377.2，《電池包》中介紹了一種底護(hù)板結(jié)構(gòu)。?

?

框架式下箱體?

CN201822266524.1，《電池箱》和 CN201822267862.7《電池箱》中對(duì)液冷板、底護(hù)板與邊框的連接與密封有描述。?

液冷板、底護(hù)板和邊框的連接與密封結(jié)構(gòu) -1?

?

液冷板、底護(hù)板和邊框的連接與密封結(jié)構(gòu) -2

小結(jié)：文章比較長(zhǎng)，我拆成了兩篇文章。

1）《寧德時(shí)代 CTP-LFP 電池“出?！钡聡?guó)》

2）《全球首款 CTP 電池包量產(chǎn)下線 率先搭載于北汽新能源 EU5》?

3）CN201720879825.4，《電池模組》

4）CN201810298047.9，《用于電池模組的固定帶及電池模組》

5）CN201822246232.1，《電池模組》?

6）CN201921326921.1,《電池模組》?

7）CN201822267812.9,《電池包及用于電池包的框體》?

8）CN201921576330.X，《電池模組、電池包以及車(chē)輛》?

9）CN201921856972.5，《電池包下箱體、電池包及裝置》

10）CN201921098475.3，《電池下箱體及電池系統(tǒng)》