汽車電池組構成及裝配工藝分析

黃鋒云　莫燕銘　楊琦　韋澤仁　鄭煥

摘 要：隨著社會的發展，人們越來越關注環境保護和能源節約，這就對汽車行業電池的質量提出了更高的要求。眾所周知，電池是電動力汽車的生命線，電池技術是新能源汽車的核心技術，可以說沒有電池的發展就沒有如今的電動力汽車。世界上第一臺電動汽車其實早就出現了，可正是因為電池技術的原因才導致了在很長一段時期內電動汽車發展的停滯不前。汽車車身搭載的電池主要包括啟動電池和動力電池，本文主要討論動力電池，從汽車電池的種類、構成以及裝配等方面做簡要的分析。

關鍵詞：蓄電池 燃料電池 電池裝配工藝

1 汽車電池組的構成

傳統燃油汽車的主要動力來源是燃油資源，新型能源汽車的主要動力來源之一是電池，其主要包括蓄電池和燃料電池兩類。按照新型能源汽車的實際技術要求，蓄電池主要有以下這些，其中包括鉛酸電池、鎳基電池、鈉電池、二次鋰電池和空氣體電池等。燃料電池作為燃料電池新能源汽車的專屬裝備，其包括堿性燃料電池（AFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、質子交換膜燃料電池（PEMFC）、磷酸燃料電池（PAFC）和直接甲醇燃料電池（DMFC）等。

1.1 汽車用蓄電池的構成

蓄電池主要應用于純電動汽車，在純電動汽車里蓄電池是驅動汽車的僅有的動力來源。蓄電池作為一種化學電源，它的工作的原理是充電的時候是將電能轉化為化學能儲存起來，而等到放電時候是將化學能又轉化為電能供用電設備使用，并且可以反復使用。一般蓄電池的結構主要由正負極板、隔板、槽殼、電解液、連接條和極樁等組成（如圖1所示）。

極板分為正極板和負極板兩種，兩種極板都是由相應的活性物質和柵架組成的，組成正極板的是呈現深棕色的二氧化鉛（PbO2），構成負極板的是呈現深灰色的海綿狀純鉛（Pb）。一片正極板和一片負極板浸入電解液中可以形成大約2.1V的電勢，將多個正極板負極板并聯之后焊接成正極板組和負極板組，然后將正極板和負極板互相嵌合的安裝起來，將隔板插入中間后再裝入蓄電池格內，就形成了所說的單格電池。如果是將6個單格電池串聯也就構成了汽車常用的12.6V的蓄電池，也就是行業標準的12V的蓄電池。隔板的作用是使左右正極板負極板絕緣，它是一塊絕緣板，但是隔板上設計有許多小孔，可以使得電解液順暢流通。電解液是使用純硫酸和蒸餾水按照一定的比例配置而成的溶液，每個單格電池中都加有一定的電解液，電解液工作的原理是它可以使得每塊極板上的活性物質發生溶解和電離現象，繼而產生電化學反應。電解液和正負極板組都安裝在殼體內，蓄電池的殼體一般都是設計成整體性結構，殼體上一般都有連條、極柱和加液孔蓋。每個單體電池都帶有一個加液孔，都是用來加注電解液或檢測電解液密度的，孔蓋上方還設計有通氣孔，便于蓄電池內部氣體及時排出，以防止殼體出現脹裂的危險。

在蓄電池內部，當極板浸入到電解液以后，正負極板上面的活性物質會和電解液產生電化學反應，形成一定的電動勢。當蓄電池被接入到電路以后，會根據情況完成一定的充電或放電過程。當蓄電池接通用電設備的時候，蓄電池就會對外釋放電能，這個過程中，正負極板上面的活性物質和電解液發生的電化學反應會將化學能轉化為電能釋放出去，電解液內部導電是依靠內部的離子的定向運動實現。反之，當蓄電池被外部供電設備充電的時候，是將電能又轉化為化學能儲存起來，可以使蓄電池恢復到之前的狀態（如圖2所示）。當今出現的一種免維護蓄電池主要是在極板和柵架的材料方面作出了改進，采用了最先進的鉛鈣合金或者低銻合金作為極板柵架，改進之后使得蓄電池自放電減少了，耐過度充電性能提高了，還減少了工作過程中電解液中水分的損耗。

1.2 汽車用燃料電池的構成

車用燃料電池一般組成包括陽極、陰極、電解質和隔膜。燃料是在陽極處被氧化，氧化劑在陰極處還原。如果在陽極處持續供給氣態燃料如氫氣，同時在陰極處不停供給氧氣或空氣，就會在電極上發生電化學的反應，并伴隨有電流的形成（如圖3所示）。可以發現，燃料電池和傳統電池相比是有大不同的，最主要的區別在于燃料電池所用的材料，這其中包括燃料和氧化劑都是儲存在電池外部的儲罐中而不是在電池內部，這和普通電池相比是不同的。在燃料電池工作的時候，它是在不斷向電池內部輸入燃料和氧化劑并不斷將反應物排出，這種工作方式和傳統的汽油或柴油發動機比較相似。因為燃料電池在工作的時候需要不斷的向電池內部輸入燃料和氧化劑，因此燃料電池所用的這些反應材料都采用流體材料，也就是液體或者氣體。常用的燃料包括純氫或者富含氫的氣體或液體，比如重整氣和甲醇水溶液，常見的氧化劑有純氧、凈化空氣或某些液體，如過氧化氫和硝酸的水溶液等。

燃料電池的陽極為燃料和電解液提供了公共界面，并催化了燃料的氧化反應，同時也把反應中產生的電子傳輸到了外電路，或者先經過集流板后再向外電路傳輸。陰極是為氧和電解液搭建了公共界面的反應平臺，并催化氧的還原反應，從外電路向陰極的反應部位傳輸電子。燃料電池電極上發生的反應多為多相界面反應，目的是要提高反應速率，所以燃料電池的電極多采用多孔材料做成，并且上面均涂有電催化劑。電解質可以輸送電化學反應中產生的離子，同時也能阻擋電極間電子的直接傳播，隔膜也可以起到以上這些作用，同時隔膜還可以分隔氧化劑和還原劑，所以燃料電池的隔膜大都采用耐濕潤和抗電解質腐蝕的絕緣類物質。

2 汽車電池組的裝配工藝

汽車電池組的裝配有一套行業的裝配工藝標準，諸如安裝前必須要進行檢測，電池的同極性相連，相關密閉性的檢查等。此處以汽車電池組裝配主要工序標準和電動汽車動力電池成組工藝為例，簡述汽車電池組的主要裝配工序標準和裝配工藝流程。

2.1 汽車電池組裝配主要工序標準

2.1.1 電芯外觀全檢標準

圓柱形電芯外觀需要無短路，無氧化生銹，沒有出現漏貼面墊或者面墊歪斜，還有破膜和膜皺等現象。如果是方形的電芯外觀，需要表面沒有電解液和毛刺或者其他污漬，也沒有出現漏液和發鼓，變形和短路現象。面墊也不能出現歪斜或者起翹現象，復合鎳帶不能出現氧化還有贓物或者脫焊現象。聚合物的電芯外觀標準是表面沒有電解液和其他污漬，沒有漏液、氣脹和變形現象，極耳沒有斷裂，角位沒有破損，折邊沒有分層現象。

2.1.2 電芯貼面墊標準

電芯貼面墊的標準是要求面墊粘貼要牢固，不歪斜，不起翹，不超出電芯端面邊沿，也不能蓋住負極的鉚釘，也就是鋁殼電芯的正極蓋帽，該設備串并時多采用成型的青稞紙或者紅鋼紙粘貼，針對鋼殼圓柱鐵芯多采用包美紋紙或高溫膠紙。（如圖4所示）

2.1.3 電芯電壓和內阻測試

該項測試的測試儀器包括萬用表、多功能測試架、通用電池測試架、電池內阻測試儀和掃碼機，測試連接法是這樣的，電芯的正負極端分別和測試架的正極和負極頂針采用接觸測試，測試架的上下頂針分別為正極和負極，鋼殼電芯的蓋帽是正極，電芯的外殼是負極。鋁殼電芯的鉚釘是負極，電芯的外殼是正極。

2.1.4 電芯的組合標準

圓柱電池以前多采用滴膠粘連工藝，該工藝多采用并串，用膠水將兩只或以上的電芯粘在一起，現改為免滴膠組合，方法多采用相應規格的點焊夾具固定，然后電池的上下部位采用成型的青稞紙粘連組合在一起。而對于聚合物電池來說，現在多采用透明膠先纏繞一周半再進行裝配組合。該工序標準要求自檢，要求粘貼環節不錯位，要牢固，保證電池電芯端平齊，膠水要均勻的滴在電芯之間的縫隙，還要防止電池電極發生短路，整體保證電池焊接的質量。

2.1.5 電池pack工藝

電池的封裝工藝包括卡扣封裝，塑焊封裝，膠框封裝和注塑封裝四種。卡扣裝配工藝成本高，并且一致性較差，最難以控制的是變形問題。相比較來說，超聲波塑焊工藝在前者的幾個短板方面表現的更好，增強了一致性，并且不容易變形。注塑工藝的一致性也好，無縫隙，美觀，尺寸小容量高的同時成本也低。

2.2 汽車電池組成組工藝流程

2.2.1 電芯匹配

此處需要檢查電芯的批號是否一致，外觀和尺寸是否和需求一致。電芯的電壓和內阻需要作出檢查和篩選，不合格品需要暫時隔離放置。操作人員在作業的時候需要佩戴手套等防護工具，切忌將不同批次電池混合裝配和使用。

2.2.2 電池匯流排焊接

銅排，鎳片檢驗好后，放入相應的焊接夾具之中，銅排和鎳片的擺放位置要正，不得偏移。然后將焊接夾具放在固定架上面，確認激光焊接程序的正確性，相關焊接參數一定要在允許的范圍之內，最后還需要檢測焊點的狀態是否正常，有無異常狀況。此時操作人員須佩戴手套和防護眼鏡，操作人員不得隨意更改焊接參數。

2.2.3 電池組焊接

將匹配好的電池按照順序依次裝入塑料骨架當中，此時需要檢查電池是否有正負極裝反了的現象，檢查無誤后將組裝好的電池組正極朝上裝入電阻焊工裝。接下來確認電阻焊程序正確以及焊接參數的準確無誤，再次檢查電阻焊焊點沒有異常現象，此程序一定注意電池正負極不能裝反，否則會導致電池出現短路現象。（如圖5所示）

2.2.4 電池模組灌膠

首先把需要灌膠的電池組放入工裝中，然后將混合好了的AB膠灌入模具中，此環節要注意AB膠一定要混合均勻，并且要及時灌入模具，以免時間久了發生凝固。

2.2.5 電池組電聯裝配

將匹配好的電池組按照需要裝入電池箱，按照所需工藝的要求把銅排和線束一起安裝好，同時安裝BMS以及插頭等部件。此序操作需注意操作人員須佩戴手套并嚴禁佩戴金屬等導電飾物，電池組以及線束安裝須按照正確順序，不能裝錯裝反，相應的螺絲須擰緊，到位。

2.2.6 成品電池箱測試

這里需要進行的有BMS測試，絕緣測試和充放電測試。在連接設備進行BMS測試的時候要注意采集總電壓、單體電壓和溫度等信息，進行測試的時候一定要注意線路不能接反，測試過程中應安排人員值守，一旦發現異常應立刻停止測試并報告上級主管。

電池裝配工序復雜，并且關鍵崗位多，一定要做好抽檢、自檢工作，并且要做好工藝流程記錄。因為汽車電池屬高壓危險設備，所以操作人員在工作的時候要注意防止觸電，避免設備短路，另外相關人員要做好消防準備工作。

3 結語

綜上所述，新能源技術已是未來發展的主流趨勢，而作為電動汽車的驅動心臟，電池技術是未來技術革故鼎新的重中之重。如何從電池的構成和裝配工藝入手，著力提高電池的能量密度和續航能力并同時降低成本，將是未來我們所要思索并開拓的問題。

參考文獻：

[1]陳世全.燃料電池電動汽車[M].清華大學出版社.2005.5.

[2]楊孝綸.電動汽車技術發展趨勢及前景[J].汽車科技.2008.1.

[3]孫立新，林樹忠等.鋰錳扣式電池生產線控制系統設計[J].電池.2004.3.