软包动力电池模组焊前绝缘检测

王刚

（上汽通用汽车有限公司 动力总成制造工程部，上海 201206）

0 引言

动力电池是新能源汽车动力能量的来源，在正常使用情况下必须要确保动力电池能将自身的能源安全地传输给新能源汽车。因此，在动力电池设计和制造过程中，需要围绕电池的化学安全、电气安全、机械安全和功能安全等，对电池包内部组件构成和可能发生的安全风险制定相应的安全控制措施[1]。

电池的电气绝缘状态是动力电池电气安全的重要指标之一。作为新能源车辆的重要组成部分，动力电池系统用来给一个车载高压电气系统提供电能的吸收、存储和供应，并且可以通过车载充电机或者连接到电网或发电机的专门充电装置进行充电。对于一个具有几百伏电压平台的带电体，如果动力电池一旦出现电气绝缘失效，将可能引发电池电气短路故障，进而使得电池内部的化学能被快速释放，所产生的大电流将导致电池本体损坏，更为严重时会使电池出现热失控造成车辆自燃，甚至可能发生人员触电事故。因此，对于动力电池的绝缘状态检测和监测是极其重要和必要的。

动力电池的电气绝缘，一般是通过部件表面固态绝缘及部件之间满足电气间隙和爬电距离（根据IEC 60664-1 2007-04标准）来确立，同时也必须要避免由于部件表面受到污染而导致的电池两级间导通。如果这些标准和要求落实不到位，就有可能发生绝缘失效，在电池内部构成意外回路，最坏情况下会产生危险电流[2]。产生动力电池的电气绝缘失效原因有多种，而制造过程控制是确保电池绝缘有效的重要环节之一。对实际动力电池装配生产过程中的绝缘失效数据进行收集和分析后，发现尽管生产线上增加了多重清洁度管控措施和多重装配质量状态检测装置，但是仍出现由小到微米级的微小金属颗粒所引起的动力电池绝缘失效（如图1）。在部分失效案例中甚至未能发现任何的外来异物，但是电池却发生了绝缘失效，潜在的原因可能是装配过程中改变了电池中有效的电气间隙导致电池对冲击电压的耐受能力下降。相对于硬壳电芯，软包电芯更容易发生绝缘失效问题。

图1 电芯绝缘失效原因勘测分析示例

在常见的批量生产动力电池装配制造线上，对电池的绝缘状态检测常常是作为电池安全测试中的一部分，在电池完成成组焊接后，下线前在最终测试（End Of Line，EOL）中完成绝缘检测的。众所周知，焊接工艺是一种不可重复性拆解的联接工艺，即一旦拆解就会引起相关部件的报废。依照当前的工艺设计和检测方法，如果在EOL中发现电池存在绝缘失效问题，那么对动力电池的返工就会引起大量的拆装操作和零部件报废，给生产运行成本控制、运行效率提升、产品质量保证和操作安全保障形成巨大压力。

因此，需要考虑在量产装配生产过程中引入一个新的电池绝缘状态检测工艺，以降低生产运行成本，提高对动力电池装配过程质量和产品安全风险的控制。

1 动力电池模组焊前绝缘检测装置

1.1 动力电池装配的基本工艺

对于一个动力电池，通常的装配工艺可以分为电芯堆垛成组、模组装配和电池包装配等三大基本工序。电芯是动力电池中最基本的带电体。将多个电芯（数量可以从几十到几百不等）依照一定规律和顺序装配成组，通过焊接或其他连接方式，将电芯正负极连接起来，形成一个模块化的串并联电路结构，即电池模组。将多个电池模组串联在一起，并配以电池热管理系统部件、电池控制管理模块等，最终装配成满足新能源汽车性能设计要求的电池包成品。对于目前比较热门的CTP电池包（Cell To Pack），是将电芯成组后直接装配到电池包内，减少甚至取消模组级别的结构件，从而在有限的空间内尽可能地增加单个电池包内的电芯数量，最大化地提升电池包的能量密度。电池成包方式在概念上有所差别，但是基本电池装配工艺还是相似的。

1.2 动力电池装配过程中的绝缘失效

通过对电池装配工艺的介绍发现，如果在电池装配制造过程中出现电池绝缘失效，主要应当集中在电芯堆垛成组过程。这是因为在这一过程中，如果零部件来料表面附着有金属杂质或生产线设备及环境中的金属杂质飘落到电芯表面，在电芯成组时金属杂质受模组压紧力作用很有可能刺破电芯表面的绝缘保护层，导致电芯内部与外部金属结构件接触。另外，由于零件存在尺寸公差和材质上的差异性，使得作用在每片电芯和电芯之间的结构件上的模组压紧力不尽一致，从而可能导致部分电芯的装配间隙不满足有效电气间隙的设计要求（如表1）。

表1 电芯绝缘失效原因分析

因此，除了在相关工艺过程中增设必要的清洁设备，降低因异物引起电池绝缘失效的频次外，在模组焊接工艺之前增加一道绝缘检测工艺，将有助于将绝缘失效提前遏制在电池高电压回路形成之前，降低后续装配安全风险，同时也可以将失效返工精确到电芯级别，避免因焊接后所造成的不可拆卸而导致的大量关联物料报废，降低制造成本。

1.3 动力电池模组焊前绝缘检测装置

1.3.1 检测装置的结构设计

绝缘检测机构的主要目的是通过机械方式将模组中电芯的正负极连接在一起，其连接效果要能等效于焊接，同时这种连接又具备可拆卸、可重复的特性。

以软包电芯为例，对比焊接前后电芯正负极极耳状态（如图2），可以采取夹持机构，在电芯成组后在既定焊接区域范围内将彼此松散的电芯极耳夹持，实现电芯极耳之间电流的有效导通。

图2 电芯成组状态

夹持机构的原理图如图3所示。考虑到电芯极耳折弯后的位置和姿态随机性较大，利用气缸的直线运动推动楔形块做往复运动，夹持片在楔形块和扭簧的作用下实现“自对中”的夹紧和放松。将多个楔形块连接起来，即可实现单个气缸对多个夹持机构的同步控制。

图3 电芯极耳夹持机构示意图

为确保夹持的有效性，在夹持机构末端采用铍铜材料与电芯极耳进行接触。利用铍铜的耐磨性，提高夹持点的使用寿命，减少机构对电芯极耳的损伤；利用铍铜的弹性，提高最终夹持的可靠性，提升楔形夹持机构的最终夹持质量；利用铍铜的高导电性，可以在夹持完成后对夹持两端的电阻值进行测量，从而判断夹持状态是否存在“空夹”、“少夹”、“虚夹”等异常情况（如图4），提升后续绝缘检测结果的可靠性。经过开发验证，该套夹紧机构单点夹紧力为58.8 N，可实现重复寿命30 000次。

图4 夹持缺陷状态示意图

1.3.2 检测装置的测量方法

衡量系统绝缘能力强弱或绝缘性能好坏的物理量一般为绝缘电阻。常见的测量方式表现为带电器件与壳体、大地等参考平台之间的电阻值。阻值越大，绝缘状态越好。参照GB 18384-2020标准中关于“对含有B级电压电源的电路的绝缘电阻测量方法”[3]，开发电池模组的绝缘检测方法。一般步骤为：

1）夹持机构夹紧电池模组上的电芯极耳，使得电池模组形成电回路。

2）以电池模组金属外表壳体作为参考平台。用相同的两个电压计同时测量电池模组正负极端子和电平台之间的电压为U1和U2，如图5（a）所示。

3）添加一个阻值为1 MΩ的电阻R0，并联到电极端子和电平台之间，如图5（b）所示。重复步骤2），获得电压U1′和U2′。

图5 电池模组绝缘检测方法示意图

4）建立方程组：

式中，r为电压计内阻。

通过解方程组，可以获得电池模组正极端子相对于电平台的绝缘电阻R1和负极端子相对于电平台的绝缘电阻R2。

根据GB 18384-2020标准中的相关要求，在最大工作电压下，直流电路绝缘电阻应不小于100 Ω/V[3]。为了确保模组在装配成电池包后绝缘状态依然满足要求，这里可以按照整个电池包最大工作电压来测算所需的最小允许绝缘电阻值（如果电池包设计上有特定说明，则以设计要求的绝缘电阻值为优先），并以此作为限值，对测量值R1和R2进行评价和判断，以确认电芯成组后的模组绝缘状态。

1.3.3 检测装置的验证方法

由于该检测装置包含了定位、夹持、测量和判断等一整套内容，因此对于检测装置的验证，需要将装置的全部内容作为一个整体进行功能和性能的验证，而不是只验证测量单元。任何一个部分出现一丝误差，都有可能对最终检测结果产生不可接受的偏差。一般的系统验证步骤如图6所示。

图6 检测系统验证流程简图

功能性检查，主要检查两部分内容：1）系统静态下的机械结构、电气配置、安全配置及相关设计标准规范的符合性；2）系统动态下的机械运动，包括装夹、输送、到位信号、控制逻辑及一个标准工作循环内的运动节拍等内容。

重复精度检查主要检查测量系统自身状态的稳定性，即同一个样件的同一特征由同一个人使用同一个测量系统进行多次重复测量时发生偏差的总和，以识别测量系统本身的偏差量。通常Cgk不小于1.33，为可接受范围。

重复性/再现性检查主要检查测量系统在实际工况循环中的系统状态稳定性，即多个同类样品的同一特性由不同的人使用同一个测量系统进行多次重复测量时发生偏差的总和，以识别不同的样件和不同的操作人员对系统测量偏差的影响。通常GR&R小于20%（产品公差的20%）为可接受范围。

该套系统已经投入实际生产应用（如图7），实现了对电池绝缘失效的及早遏制，因绝缘失效而导致的零件报废成本下降90%。

图7 模组焊前绝缘检测系统

2 结语

电气绝缘安全是动力电池电气系统安全的重要内容之一，必须要从产品设计、零部件制造、电池装配、整车应用等全过程各个环节加以控制和监测。本文研究开发的动力电池模组焊前绝缘检测，是在现有电池装配测试过程中，新增一个检测工艺环节，在模组焊接之前进行模组绝缘状态的筛查，做到“尽早发现、尽快返工、尽少报废”，从而为后续动力电池的装配过程安全和最终产品质量提供有力保障。