一款软包电池模组开发与应用

鲁恒飞，徐兴无，凌生斌，申永宽

（合肥国轩高科动力能源有限公司，安徽 合肥 230066）

随着电动汽车技术的发展，尤其是车载储能系统的发展，对先进电池的需求也日益提高，电池系统的标准化将成为一种趋势[1]。受到续驶里程的要求，电动汽车特别是电动乘用车对电池系统的能量密度要求较高。现有的乘用车电池系统大多能量密度在120～180 Wh/kg之间，2019年电池能量密度平均值是145.87 Wh/kg[2]，电动乘用车电池系统仍然以三元电池系统为主，高于160 Wh/kg的电池系统基本为三元电池的天下。

但近来由于补贴的退坡和磷酸铁锂电池高安全和低成本的属性，搭载磷酸铁锂电池系统的乘用车也愈来愈多。但是，磷酸铁锂电池能量密度相比三元电池偏低，磷酸铁锂电池系统相比于三元电池系统普遍能量密度偏低，这也成为限制磷酸铁锂电池在乘用车上应用的主要瓶颈[3]。

由于电池系统能量密度=电池模组能量密度×电池模组在电池系统中的比重，因此提高电池系统的能量密度需要尽可能多地利用电池包内的空间，特别是充分利用电池包的高度尺寸。分析国内主流整车厂开发的电池包的包络，发现电池包的包络高度尺寸一般均在130～150 mm，考虑到电池模组底部热管理及安装公差等尺寸要求，提出了电池模组高度加高到120 mm的加高模组方案，以尽可能多地利用电池包内部空间。如何提高磷酸铁锂电池模组的能量密度？由于电池模组能量密度=电芯能量密度×电池模组成组效率，软包电芯相比于硬壳电芯具有更高的能量密度，而且软包电池模组成组效率现阶段主要在80%～85%，可以有较大的提高空间。

软包电池模组作为软包电芯成组的最小能量输出单元，需要满足整车电池系统的能量和容量要求，同时结构形式和尺寸需要满足电池系统的安装固定要求，不能超出电池包的高度范围。

本文通过对软包电池模组长度、宽度和高度三个方向进行全尺寸链的分析和体积利用率的分析和计算，结合整车电池包包络尺寸，得出最大的软包电芯长度、宽度和厚度尺寸。同时，以力学性能仿真结果为佐证，在不牺牲电池模组的结构强度和可靠性能、安全性能的基础上，通过结构的优化设计、零部件减重设计，在整体的轻量化设计和零部件装配固定优化的基础上达到增加电池容量的效果。在磷酸铁锂软包单体电芯能量密度200 Wh/kg的前提下软包电池模组能量密度达到181 Wh/kg，最终实现了电池系统能量密度160 Wh/kg 这个目标。

1 软包电池模组空间及尺寸分析

1.1 390软包电池模组加高可行性分析

行业内正常标准的390 电池模组的尺寸为390 mm×152 mm×108 mm(长×宽×高)。一般国内乘用车电池包的包络空间的高度普遍在130～150 mm，那么电池模组的高度定在108 mm是考虑了电池箱体和箱盖的高度和电池模组底部热管理组件如PTC加热板、液冷板的厚度，以及尽可能满足所有电池系统包络的通用性。近些年来，随着技术的迭代和进步，电池箱体和箱盖的厚度相比于以前均有变薄，如电池箱盖厚度可由之前的2～5 mm 减薄为1～3 mm；主流的铝合金电池箱体厚度也由8～12 mm降到3～5 mm，液冷系统的厚度由最早10～12 mm降低到现在的5～7 mm甚至更薄，因此，完全有可能将电池模组的高度加高以提高电池包内部空间的使用率。以一款总高度为135 mm的电池包为例，高度方向尺寸分析如表1所列。

表1 电池包络空间与搭载电池模组高度分析Table 1 Analysis of battery box internal space and battery module height

可见，根据公式

现阶段选定模组高度为120 mm可以满足绝大多数电池系统开发要求。

1.2 加高390软包电池模组空间利用率分析

设计出的加高390 软包电池模组三维视图如图1 所示。该模组主要由模组外框001、模组两端的模组端板002、12 只软包电芯组成的电池总成003和模组上盖板004等组成[4]。

图1 加高390软包电池模组三维视图Fig.1 3D view of heightened 390 LFP pouch cell module

其横向剖切视图如图2所示。

图2 加高390软包电池模组横截面示意图Fig.2 Section view of heightened 390 LFP pouch cell module

现有普通标准390软包电池模组使用的软包电芯尺寸为：354 mm×102 mm×11.8 mm，其中电芯本体尺寸为314 mm×102 mm×11.8 mm，不考虑电池模组内部由空间优化导致的电芯尺寸调整，仅考虑由于模组高度增加电芯本体高度相应增加到115 mm，通过模组体积利用率计算方法

仅考虑加高影响，加高390软包电池模组相比标准普通390 软包电池模组，体积利用率提高2.4%。

2 加高390软包电池模组尺寸链分析

由式(2)可知，除了通过增加模组高度增加电芯宽度的方式增加模组体积利用率以外，在模组尺寸不再变动的前提下可以通过尽量增加电芯的体积来提高软包模组的体积利用率。

增加电芯的体积可以通过对电池模组长度、宽度和高度三个方向进行尺寸链分析来分析电池模组长度、宽度和高度的空间，以期做到优化空间尺寸增大电芯长度、宽度和厚度尺寸的目的。

2.1 加高390软包电池模组长度方向尺寸链分析

影响软包电池模组长度方向尺寸布置的因素主要有模组安装孔和正、负极引出口，加高390软包电池模长度方向尺寸分布示意图如图3所示。

图3 加高390软包电池模组长度尺寸分布示意图Fig.3 Length size distribution of heightened 390 LFP pouch cell module

其中A0为电芯长度尺寸，A1为模组内支撑铜排的电气压板的厚度，A2 为铜排厚度，A3 为模组固定孔直径加两边端板壁厚尺寸，模组长度方向尺寸公式为

表2为该软包电池模组相关组成部分尺寸及公差数据。

表2 390加高软包电池模组长度相关尺寸分析Table 2 Analysis of related length dimensions of heightened 390 LFP pouch cell module

安装的预留间隙按照单边0.5 mm 设定，则电芯可以做到的长度为

2.2 加高390软包电池模组宽度方向尺寸链分析

模组宽度尺寸，是基于软包电芯的生命周期末期膨胀后的厚度加压缩后泡棉等缓冲材料的厚度之和与初期电芯厚度加缓冲材料厚度之和相等的公式算得的

其中，T外框为两边外框的厚度即2倍外框厚度，a和b的值也预先得出，可分别求解出T初始电芯和T初始泡棉，T初始电芯/12，即为单个软包电芯厚度，经过分析，该软包模组电芯厚度设为11.8 mm(组装与压缩后数值)。另外，根据软包模组给定的宽度公差范围(-1，1)，通过方程(4-1)和(4-2)计算出软包电芯组装后的厚度公差范围。

2.3 加高390软包电池模组高度方向尺寸链分析

影响软包电池模组高度方向尺寸布置的因素除软包电芯本体厚度以外主要有上、下盖板厚度、软包电芯底部胶层厚度、软包电芯上方信号采集装置厚度等，加高390软包电池模长度方向尺寸分布示意图如图4所示。

图4 加高390软包电池模组高度尺寸分布示意图Fig.4 Height size distribution of heightened 390 LFP pouch cell module

尺寸链各个组成部分对应参数及数值如表3所列：

表3 390加高软包电池模组高度相关尺寸分析Table 3 Analysis of related height dimensions of heightened 390 LFP pouch cell module

模组高度方向尺寸为

通过尺寸计算，满足模组高度尺寸要求的电芯宽度尺寸为(116±0.3)mm。

3 加宽电芯容量提升分析

通过对加高390 软包电池模组的尺寸链分析，得出加宽软包电芯的尺寸为：357 mm×116 mm×11.8 mm。进一步地，还可以在电芯端通过优化软包电芯两端的顶封工艺，减小两端顶封尺寸，增大电芯本体长度，从而提高电芯容量。优化电芯顶封工艺后软包电芯本体的长度可增加至321 mm。

再根据式(2)得出经过尺寸链分析和电芯顶封优化以后的加高390软包电池模组的体积利用率为

考虑加高和尺寸优化等因素，加高390软包电池模组相比标准普通390软包电池模组，体积利用率提高4.7%。

加宽电芯与标准电芯尺寸容量对比如表4所示：

表4 加宽电芯与标准电芯尺寸、容量对比Table 4 Comparison of size and capacity between widened cell and standard cell

如果电芯能量密度维持不变，相比于标准宽度电芯52 Ah 的电量，加宽电芯的电量可达到60 Ah以上，容量提升15.4%。

4 基于轻量化设计的软包电池模组CAE仿真分析与实验验证

4.1 加高390软包电池模组CAE仿真分析介绍

有限元软件已经成为了工程研究的重要工具，它具有丰富的计算和模拟分析功能，针对复杂的应用工况，都会得到准确且极具参考价值的结果[5]。

按照轻量化设计思路，将电池模组的上盖和外框厚度在1～2 mm 进行排列组合，分别建立完整的加高390 软包电池模组数模。通过CAE 有限元仿真软件对该软包电池模组数模进行材料性能设定、网格建立等前处理，分析该LFP390 软包电池模组机械性能，如模态、随机振动和惯性力等，该电池模组性能分析报告如图5。

图5 加高390软包电池模组性能分析介绍Fig.5 CAE analysis of heightened 390 LFP pouch cell module

模态结果：一阶模态为143 Hz(满足要求)

随机振动：X向，〖3σ〗_RMS=15.6MPa，位于侧框折弯角处

Y向，〖3σ〗_RMS=120 MPa，位于侧框折弯角处

Z向，〖3σ〗_RMS=23.1 MPa，位于侧框折弯角处

Y向应力较大，实验时需要重点关注Y向振动侧框折弯处。

4.2 390软包电池模组结构强度实验验证

按照《GB/T 31467.3—2015 电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第3部分：安全性要求与测试方法》中7.1 和7.2 中振动和机械冲击的测试要求[6]，分别对390 软包电池模组进行振动和机械冲击。如图6为电池模组进行振动测试现场图。

图6 软包390电池模组振动测试现场图Fig.6 Vibration test of heightened 390 LFP pouch cell module

振动实验完成后，模组的最小监控单元无电压锐变；检查模组绝缘电阻值>100 Ω/V；检查模组不爆炸、不起火、不漏液、端侧板不破裂、焊缝无开裂；振动前后容量损失率≤3%初始容量，实验通过。

在X、Y、Z三个方向按照25 g、15 ms半正弦波冲击波形进行机械冲击，Z轴方向冲击3次，观察2 h。实验后软包电池模组无泄露、外壳破裂、着火或爆炸等现象。试验后的绝缘电阻值大于100 Ω/V，实验通过。

5 加高390软包电池模组在电池系统中的应用

该模组在200 Wh/kg 电芯能量密度的前提下，模组能量密度可达181 Wh/kg，电池模组成组效率=90.5%。另外，该模组具有磷酸铁锂电池模组一贯的高安全性以及在模组内部设置防火隔热功能的缓冲材料等安全设计，该模组已通过热失控扩展、过充电、过放电、短路等相关安全类测试。相比于三元电池模组，该款磷酸铁锂软包电池模组应用在电池系统中时可相应减少为阻隔三元电池系统热失控所添加的被动防护材料如气凝胶垫、灭火器等。搭载铁锂电池系统的电池箱体也可设计得更为简单和轻量化，从而提高电池系统成组效率，达到提高电池系统能量密度的目的。下图是两款搭载加高390软包电池模组的电池系统，设计能量密度均达到160 Wh/kg。

6 结 论

本文阐述了一款国轩高科开发的高能量密度高安全性的软包电池模组。通过对行业内主流主机厂采用的电池模组的型号和尺寸进行分析和思考，提出了加高390软包电池模组，并对软包电池模组的空间利用率和长、宽、高三个方向的尺寸链进行了充分分析，最大化地增加了模组内部软包电芯的尺寸，从而增大了电芯的容量，在模组整体体积不变的情况下实现了装载更多电量的目的。

该模组的高安全性一方面是由磷酸铁锂材料体系保证，另一方面是通过模组内部设计的如缓冲隔热材料以及既满足轻量化设计要求又通过相关结构强度仿真和实验验证的电池模组结构设计来保证的。文章介绍了模组CAE 有限分析及振动和挤压相关实验的情况和结果，安全可靠的模组设计保证了其在电池系统上的应用。

文章的最后总体介绍了加高软包电池模组的技术参数，以及可实现160 Wh/kg能量密度系统的两种电池系统方案。文中未对磷酸铁锂和三元软包电池系统的成本进行分析比对，实际上，因为更简便的系统设计、更低廉更少的材料，磷酸铁锂电池系统的成本相比于三元电池系统的成本要低得多，这从行业内已经出现大量的磷酸铁锂电池系统代替三元电池系统的案例，如特斯拉、比亚迪等等也可以看得出来。从我们在加高390软包电池模组上所做的优化设计、轻量化设计和实现的160 Wh/kg电池系统上也可以体现出该款加高390软包电池模组具有非常广阔的应用前景。

图7 加高软包390电池模组应用示意图Fig.7 Application in PACK of heightened 390 LFP pouch cell module