電池模組內的溫度傳感器的設計研究

陸珂偉

摘要：電動汽車的發展對電池模組的熱管理提出了更高的設計要求，尤其是需要解決對電池的溫度準確的采集。在原有早期的設計中，原有設計采用了金屬夾子，把溫度傳感器進行固定，然后采用氬弧焊接后通過圓線進行導出。隨著工藝需求的改進，在模組內采用柔性線路板采集電池電壓以后，如何處理溫度傳感器成了一個新的課題。這里首先采用了一種粘接處理的辦法，在實踐中工藝上出現失效問題，然后提出了一種采用表貼NTC熱敏電阻在柔性線路板，并采用多余的銅片通過熱傳導的方法，并用激光點焊的方式實現此方案的較好處理。實際方案應用在多個車型上，經受了實際應用的的檢驗。

關鍵詞：電池模組；溫度傳感器；激光焊接

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2018.7.013

O 引言

隨著中國新能源汽車的發展，PHEV/EV的電池系統的需求快速上升，其生產規模也快速達到了萬臺的規模。電池壽命是電池系統的核心考核因素，而電池熱管理系統是其中最為核心子系統，在電池的整個生命周期內，熱管理系統可將動力電池控制在最佳工作溫度范圍內，提升電池壽命，對提高整車性能有很大的影響。

本文針對熱管理系統的基礎，電芯和電池模組母線排溫度的采集的設計方法入手，根據早前的設計，原有設計采用金屬夾固定溫度傳感器，然后采用氬弧焊接后通過圓線導出。隨著工藝需求的改進，在模組內采用柔性線路板采集電池電壓以后，如何處理溫度傳感器成了一個新的課題。這里首先采用了一種粘接處理的辦法，在實踐中出現了出現失效問題，然后提出了一種采用表貼NTC熱敏電阻在柔性線路板，采用多余的銅片通過熱傳導的方法，并用激光點焊的方式實現此方案的較好處理。本文通過對比外加溫度傳感器和實際的溫度差異，整個連接的結構強度的驗證作為基準，并將實際方案應用在多個車型上，經受了實際應用的的檢驗。

1 電池溫度采集點的原理

把鋰電池應用到車用動力驅動單元里面，核心的問題是要知道鋰電池單體本身的溫度。電池模組主要由多片電芯所組成，通過合理的模組設計，可以通過有限的幾個采樣點來得到整個模組內電芯的溫度。正常工作的時候，電芯的溫度是均勻的，而在電池出現異常情況下，電芯的溫度會出現較大的溫差。因此在模組內布置需要考慮電芯的溫度采集和母線排的溫度情況，通過3～4個采集點來監控整個模組的溫度，通過電池管理單元采集溫度數據后推算出整個模組的溫度情況。所以一個車用的動力電池系統，需要采用大量的溫度傳感器，通常電動汽車需要有幾十個，所以我們要全面考慮溫度傳感器的成本、精度、溫度范圍、快速熱響應和自加熱誤差。通過對于溫度傳感器的篩選，一般采用負溫度系數（NTC）熱敏電阻來實現對溫度的采集。其中最通用的是如下圖所示的珠型NTC傳感器，這是直接采用樹脂的方式封裝好以后的產品，通過圓線導出：然后通過連線連接到電池管理單元之后獲取溫度。

在之前的設計中，采用了一個特殊的金屬夾固定溫度傳感器，再用氬弧焊焊接進行固定。這種方法是在早期的試制過程中采用的。如圖1所示，想要直接獲取電芯的溫度，把電芯粘在電芯上面是比較困難的。因此考慮采用一個金屬夾子來包裹容納NTC熱敏電阻，采用良好的導熱膠固定之后，可以把母線排上的溫度準確的采集出來。

2 電池模組工藝的改進和柔性線路板的采用

隨著電池模組的工藝改進，越來越多的模組采樣線開始采用柔性線路板。柔性電路板，是用柔性的絕緣基材制成的印刷電路。近年來軟式電路結構明顯地重要，相比于原有的圓線采樣線，軟式結構有幾個優點：

·柔性線路板的輕量化：在體積和重量上面，FPC占有很大的優勢，相比之前的設計減少了重量：

·柔性線路板的安全性和可靠性：在裝配和容錯這里，可以避免很多線束設計中由于手工出現的差錯，相比較圓銅線，柔性線路板上可以設計板載的保險絲或者采用細的線徑來實現采樣線的短路保護：

·成本和工藝改進：從成本來看，柔性線路板本身的成本并不高，采用了柔性線路板以后可以實現不同的工藝方法可以實現較高的工藝自動化。

因此在電池模組導入柔性線路板作為采集線束以后，如何把溫度傳感器和柔性線路板連接起來成了一個需要解決的問題。通過方案對比，找到了以下集中方案：

1.原有方案：無法采用，由于原有方案取消了中間連接的母線排，使得原有金屬夾子無法通過焊接固定，此方案無法繼續使用：

2.采用NTC熱敏電阻外圍金屬殼體，采用超聲波焊接之后固定在母線排上，這種方法是建立在第一種原有方法的集成方案，通過把金屬殼體提早與NTC熱敏電阻連接，然后再通過焊接處理的辦法來改進工藝加快生產速度：

3.采用表貼的NTC溫度傳感器在柔性線路板上表貼，然后封膠處理之后背面。

對比兩種方法后，考慮到第二種方法需要沿用之前的圓線，使得圓線和柔性線路板之間還要有一次額外的連接，因此選擇了第三種方法進行操作。通過實驗驗證發現，通過底部粘接高導熱的粘接膠可以很好地把溫度的數據快速地反應出來，溫度的熱容比較小，能夠快速反應溫度的變化情況。

在實際使用過程中，發現以下問題：柔性線路板溫度傳感器往上翹起，涂膠困難，實際在生產中往往需要施加一定的力讓傳感器可以與母線排粘牢。NTC內部的基材陶瓷屬于易碎材料，在過程處理中不能施加過大壓力，可能會造成斷線、短路或引線涂層斷裂，這就引起了部分產品的失效。另一方面，粘接膠的拉力在某些情況下也會導致水分容易侵入，造成NTC熱敏電阻的失效這讓這種方法實踐中遇到了很大的困難。

在通過不同的方法之后，我們在原有的基礎上把柔性線路板的一端進行延展，然后將多余出來的銅片設計成焊盤，直接利用激光焊接在母線排上。激光焊接技術屬于熔融焊接，以激光束為能源，使其沖擊在焊件接頭上以達到焊接目的的技術。通過焊接的方法代替粘膠來把柔性線路板固定在母線排上，而且使用金屬直接傳熱來進一步減小熱容。

通過測試發現，溫度的溫升結果比較均一化，傳熱的效果滿足設計的預期。

在焊接點的控制上，也做了一些考慮，在選用幾個點符合足夠的強度上，做了以下的測試。根據設計要求，連接的喇叭里要超過60N。對多個激光焊接強度控制的實驗后確認：在1個焊點狀態良好且焊接狀態穩定的情況下，焊接強度可以滿足對連接狀態的需求；為了避免焊接不穩定出現虛焊情況的產生，焊點應不少于3個，振動和沖擊試驗對此性能影響較小。并通過壓降法測試，可以確認整個焊接的可靠性，這樣可以解決之前的粘膠穩定性的檢測問題，這個方法很好地解決了對傳感器產生損害的問題根源。

從總體來說，這種設計實現了模組新的設計，在柔性線路板上實現了較低的成本，并在工藝方面簡化的加工步驟，使得手動涂膠過程改成了自動激光電焊，改進了工時。通過工藝改進節約了膠水的成本，通過金屬直接傳導和激光焊接，使得NTC的感溫過程更準確。通過對焊接點進行100%全檢，保證了焊接的質量和溫度采集的有效性，并實現了對NTC接觸的可靠性全檢，提高了電池管理溫度的基礎的穩固性。

3 結論

本文提出了一種在電池模組內溫度傳感器的處理研究，解決了應用柔性線路板作為電池模組內的連接線路后溫度傳感器如何布置和設計的問題，取得了較好的設計效果。

參考文獻：

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