浅谈新型锂电防水模组结构设计

姜秀华

摘 要：近几年，随着经验的增加和自动化集成能力的提升，国内高端智能装备制造企业在打造动力电池全自动及半自动组装线、自动化设备集成、信息采集与传输、无人化车间软硬件管理系统等方面大展拳脚并占据一席之地。本文通过对锂电池模组防水设计的研发，利用气压原理设计了一组上下套合式模组，并通过实验确定了该结构还可以在 0--15°任何平、曲面上，浸泡在水中仍具有防水效果，解决了模组在行驶过程中防水这一项难题。

关键词：新型;锂电;防水;模组;结构设计

引言：近年来，锂离子电池产量快速发展，应用领域不断扩大，然而，它对电压、温度和电流要求极其严格， 在设计锂电池模组管理系统时，仍然存在一些问题，极大地增加了精确估计电池荷电状态的难度。锂电池模组是由几颗到数百颗电池芯经由并联及串联所组成的多个模组，除了机构设计部分，再加上电池管理系统和热管理系统就可组成一个较完整的锂电池包系统。 因此，要保证锂电池模组控制系统与总控制系统的通讯性能，并保证电池模组能够实现自身控制管理。

一、锂电池模组

目前，由于市场上各家汽车厂商的要求不同，几乎没有一家的模组和生产工艺是一样的，而这也对自动化产线提出了更多的要求。好的自动化生产线除了满足以上硬件配置和工艺要求以外，还需要重點关注兼容性和“整线节拍”。由于模组的不固定，故来料的电芯、壳体、PCB板、连接片等都可能发生变化，产线的兼容性也就显得尤其重要。对于当前的动力电池行业来说，模组的自动化程度要求都比较高，又因其工艺的复杂程度、工作环境的要求等，应用机器人和专用设备的优势显而易见。

1.硬件系统总体框架

5kwn锂电池模组中的单体电池有 10-20 块，需要对其进行温度、电压、电流等数据的采集。电池管理系统（ BMS） 包含主控单元、信号采集与单体电池均衡单元、充放电控制单元、通讯单元等四个部分。  5kwn电池模组，主控单元与信号采集单元通讯采用串行外设接口 SPI 通讯方式，与主控系统以控制器局域网CAN 总线的方式进行通讯。 信号采集与单体电池均衡集中在一个模块中完成[3]。

2.硬件模块设计

2.1主控单元模块

5kwn锂电池模组的主控单元需要完成对电池组的通断、电池模组与储能设备通讯等功能，且需要具有较强的数据处理能力。 为满足本文中按时计量法和开路电压法综合均衡控制算法、荷电状态估计和总线串口通讯等功能，并考虑能耗等成本问题，本文采用64引脚的MSP430芯片作为核心控制芯片。同时为防止受掉电、故障等突发事件的影响，主控单元在检测故障发生的瞬间采用两线式串行总线的通讯方式将数据导入储存芯片中，之后写入芯片。 在设备恢复时，重新将数据导出，防止发生故障时数据丢失。

2.2电压、温度采集模块

电压、温度采集模块需要实现高精度、高效率的采 集，因此采用具有32路信号采集端的芯片[2]。它是一种可堆栈3-6节串联锂离子电池组的保护器和模拟前端，它在很大程度上归并了高精度模数转化器，电压和保护温度的功能突出，电池平衡技术和给用户电路供电的高精度 5 V 稳压器，无需在集成电路之间使用隔离组件，就可监控 192个电池单元。 其集结了高精度模数转换器系统和电压转换，可极其精确、迅速地测出电池的单元电压。 也可以对过压、欠压和过温状况提供周到保护，超过安全阈值时，可以建立故障输出，无需外部组件就可以设置和运行保护功能。

2.3 电源模块设计

5 kw电池模组可提供 40 ～ 90 V 的供电电压，而管理模块中主控单元核心控制芯片工作电压要求为3 V，电压采集板芯片的工作电压要求为 5 V，管理模组对应的外设工作电 压 基 本 要 求 在 3-5 V。将电池提供的电压转换并且稳定在 10 V，然后采用芯片将 10 V 电压分别转换为3 V，为控制板各个模块工作提供稳定的电源，保证主控板的正常工作。

2.4均衡充电模块

均衡充电模块可改善和解决蓄电池容量的不均衡问题。 电池端电压的不均衡直接体现了电池容量的不均衡。 如今国内外采取的方案主要是电阻方案、电容均衡方案以及独立充电方案[3]。

二、实验材料及设计依据原理

1.主要实验材料及设备

长方形水槽（ L = 400mmW = 300mmH≥100mm） 、淡水、充放电测试柜、角度为 15°的斜木块一个，温度箱、震动测试仪、64V20Ah 电池模组（ L = 300mm W = 254mm H = 90mm） 。

1.1防水锂电池模组设计制作

1） 上、下壳

上壳尺寸： L = 300mm W = 254mm H = 90mm; 下壳尺寸： L = 296mm W = 250mm H = 90mm。

技术要求： 材质为 SUS304，厚度为 0. 8mm; 产品外观无毛刺，油污及明显划痕。

2）内部电源设计制作：下支架底部的 5mm 凸起设计，目的：避免电池与下壳的直接接触，防止短路;

3）电池与壳体之间的间隙，用 EVA 进行填充，避免晃动;

4）模组尺寸 L = 253. 9mm W = 225. 9mm H = 79mm

1.2实验依据原理本设计的防水原理依据： 大气压原理液体压强公式： P = ρgh; （ 式中 g = 9. 8N/kg 或 g = 10N/kg，h 的单位是 m ，ρ 的单位是 kg /m3 ） 固、气体状态公式： P = F /S（ F 是压力，S 是压力面积）气体状态压力公式： pV = nRT（ p 是气体压强、V 是气体体积、n 是气体物质的量、R是常数、T 是气体温度）正常情况下标准大气压强为： 1 标 准 大 气 压 =760mm 汞柱 = 76cm 汞 柱1.01325 × 10^5Pa = 10.336m 水柱水面上水的压力 = 大气压力当模组放入水中时④⑤中的空气被压缩，F 恒定， F = pV = nRT，V 减小，P 增大，水中压强 P = ρgh （ h = 110mm） < 标准大气压 <压缩空气的 P 压强， 故④⑤中不会有水进入，从而防水; 当温度升高时，F = nRT，F 变大，F = pV，V 减小，P 变大，对比常温 P 更大，水中压强 P = ρgh 无变化，故 P = ρgh （ h = 110mm） <空气大气压 < 压缩空气的 P 压强。侧面对角线的角度为该设计最小角 θ，sinθ ≈0. 2908，∠θ≈17°故当坡面角度均小于最小角时，压缩的空气均未流动被挤出，压强 P > P = ρgh 水中压强，仍可起到防水保护作用。

2.实验验证

2.1常温下，电池模组水平浸泡水中 12h、24h、36h实验

实验步骤： 向水槽中注水，水面高度为 110mm; 将组装好的电池模组，完全浸泡; 2A 充满电，浸泡在水中12h 后，10A 放电测得电池性能： 放电正常; 继续 2A 充满电后，浸泡在水中 24h，10A 放电测得电池性能： 放电正常; 再次 2A 充满电，继续浸泡在水中 36h 后，10A 放电测得电池性能。本设计电池模组浸泡在水中，随时间推移，未发生短路或断路保护现象，电池包均充放电正常。

2.2水平浸泡 24h，电池模组分别在 5℃ 10℃ … 60℃恒温箱中测试实验。

1）实验步骤： 实验器材准备同 2. 1; 同理 2A 充满电，分别在 5℃- 60℃水中浸泡 24h 后，10A 放电测得电池性能。

2）数据反馈： 由于锂电池本身性能原因，随温度的升高电池释放的总容量增大，故而浸泡的模组，随温度的升高，释放容量也呈现此趋势，同时电池工作正常。

2.3 15°斜坡浸泡实验

实验步骤： 将斜度为 15°的斜木块放入水槽，并加水使水面高度为 150mm将电池模组放在斜面上，浸泡。 2A 充满电，浸泡在水中 10h 后，12A 放电测得电池性能： 放电正常。继续 2A 充满电，浸泡在水中 24h 后，10A 放电测得电池性能： 放电正常。再次 2A 充满电，继续浸泡在水中 36h 后，10A 放电测得电池性能。数据反馈： 实验显示在水中，有 0≤坡度≤15°时，本设计电源模组仍可继续正常工作。

2.4震动实验 模拟行驶过程中，电池包在水中浸泡，是否正常工作 实验步骤： 将 2. 1 实验装置放在水平震动台上，2A 充满电，并施加振动设备上的随机振动模式 60min 后，再施加复合振动模式 60min，进行放电测试。 数据反馈： 电源工作正常。

结语：综合以上实验结果，该电源设计结构，在 0--15°任何平、曲面上，以及不同温度的变化、行驶过程中的震动，模组完全浸泡在水中后，仍可继续正常工作。这一关键问题的突破，使得锂电能源在不同恶劣环境下的应用，又向前迈进了一步。为绿色能源的發展，起到了不可或缺的推动作用。

参考文献：

[1]李阳 新型锂电防水模组结构设计[J].哈尔滨工程大学出版社，2015 （08）

[2]孙志毅 简析车用锂离子电池管理系统综述[J].电源技术，2013（06）

[3]陈林娜  基于 BQ76PL536 的均衡系统计[J].电源技术，2014（05）