淺談新型鋰電防水模組結構設計

姜秀華

摘 要：近幾年，隨著經驗的增加和自動化集成能力的提升，國內高端智能裝備制造企業在打造動力電池全自動及半自動組裝線、自動化設備集成、信息采集與傳輸、無人化車間軟硬件管理系統等方面大展拳腳并占據一席之地。本文通過對鋰電池模組防水設計的研發，利用氣壓原理設計了一組上下套合式模組，并通過實驗確定了該結構還可以在 0--15°任何平、曲面上，浸泡在水中仍具有防水效果，解決了模組在行駛過程中防水這一項難題。

關鍵詞：新型;鋰電;防水;模組;結構設計

引言：近年來，鋰離子電池產量快速發展，應用領域不斷擴大，然而，它對電壓、溫度和電流要求極其嚴格， 在設計鋰電池模組管理系統時，仍然存在一些問題，極大地增加了精確估計電池荷電狀態的難度。鋰電池模組是由幾顆到數百顆電池芯經由并聯及串聯所組成的多個模組，除了機構設計部分，再加上電池管理系統和熱管理系統就可組成一個較完整的鋰電池包系統。 因此，要保證鋰電池模組控制系統與總控制系統的通訊性能，并保證電池模組能夠實現自身控制管理。

一、鋰電池模組

目前，由于市場上各家汽車廠商的要求不同，幾乎沒有一家的模組和生產工藝是一樣的，而這也對自動化產線提出了更多的要求。好的自動化生產線除了滿足以上硬件配置和工藝要求以外，還需要重點關注兼容性和“整線節拍”。由于模組的不固定，故來料的電芯、殼體、PCB板、連接片等都可能發生變化，產線的兼容性也就顯得尤其重要。對于當前的動力電池行業來說，模組的自動化程度要求都比較高，又因其工藝的復雜程度、工作環境的要求等，應用機器人和專用設備的優勢顯而易見。

1.硬件系統總體框架

5kwn鋰電池模組中的單體電池有 10-20 塊，需要對其進行溫度、電壓、電流等數據的采集。電池管理系統（ BMS） 包含主控單元、信號采集與單體電池均衡單元、充放電控制單元、通訊單元等四個部分。 ?5kwn電池模組，主控單元與信號采集單元通訊采用串行外設接口 SPI 通訊方式，與主控系統以控制器局域網CAN 總線的方式進行通訊。 信號采集與單體電池均衡集中在一個模塊中完成[3]。

2.硬件模塊設計

2.1主控單元模塊

5kwn鋰電池模組的主控單元需要完成對電池組的通斷、電池模組與儲能設備通訊等功能，且需要具有較強的數據處理能力。 為滿足本文中按時計量法和開路電壓法綜合均衡控制算法、荷電狀態估計和總線串口通訊等功能，并考慮能耗等成本問題，本文采用64引腳的MSP430芯片作為核心控制芯片。同時為防止受掉電、故障等突發事件的影響，主控單元在檢測故障發生的瞬間采用兩線式串行總線的通訊方式將數據導入儲存芯片中，之后寫入芯片。 在設備恢復時，重新將數據導出，防止發生故障時數據丟失。

2.2電壓、溫度采集模塊

電壓、溫度采集模塊需要實現高精度、高效率的采 集，因此采用具有32路信號采集端的芯片[2]。它是一種可堆棧3-6節串聯鋰離子電池組的保護器和模擬前端，它在很大程度上歸并了高精度模數轉化器，電壓和保護溫度的功能突出，電池平衡技術和給用戶電路供電的高精度 5 V 穩壓器，無需在集成電路之間使用隔離組件，就可監控 192個電池單元。 其集結了高精度模數轉換器系統和電壓轉換，可極其精確、迅速地測出電池的單元電壓。 也可以對過壓、欠壓和過溫狀況提供周到保護，超過安全閾值時，可以建立故障輸出，無需外部組件就可以設置和運行保護功能。

2.3 電源模塊設計

5 kw電池模組可提供 40 ～ 90 V 的供電電壓，而管理模塊中主控單元核心控制芯片工作電壓要求為3 V，電壓采集板芯片的工作電壓要求為 5 V，管理模組對應的外設工作電 壓 基 本 要 求 在 3-5 V。將電池提供的電壓轉換并且穩定在 10 V，然后采用芯片將 10 V 電壓分別轉換為3 V，為控制板各個模塊工作提供穩定的電源，保證主控板的正常工作。

2.4均衡充電模塊

均衡充電模塊可改善和解決蓄電池容量的不均衡問題。 電池端電壓的不均衡直接體現了電池容量的不均衡。 如今國內外采取的方案主要是電阻方案、電容均衡方案以及獨立充電方案[3]。

二、實驗材料及設計依據原理

1.主要實驗材料及設備

長方形水槽（ L = 400mmW = 300mmH≥100mm） 、淡水、充放電測試柜、角度為 15°的斜木塊一個，溫度箱、震動測試儀、64V20Ah 電池模組（ L = 300mm W = 254mm H = 90mm） 。

1.1防水鋰電池模組設計制作

1） 上、下殼

上殼尺寸： L = 300mm W = 254mm H = 90mm; 下殼尺寸： L = 296mm W = 250mm H = 90mm。

技術要求： 材質為 SUS304，厚度為 0. 8mm; 產品外觀無毛刺，油污及明顯劃痕。

2）內部電源設計制作：下支架底部的 5mm 凸起設計，目的：避免電池與下殼的直接接觸，防止短路;

3）電池與殼體之間的間隙，用 EVA 進行填充，避免晃動;

4）模組尺寸 L = 253. 9mm W = 225. 9mm H = 79mm

1.2實驗依據原理本設計的防水原理依據： 大氣壓原理液體壓強公式： P = ρgh; （ 式中 g = 9. 8N/kg 或 g = 10N/kg，h 的單位是 m ，ρ 的單位是 kg /m3 ） 固、氣體狀態公式： P = F /S（ F 是壓力，S 是壓力面積）氣體狀態壓力公式： pV = nRT（ p 是氣體壓強、V 是氣體體積、n 是氣體物質的量、R是常數、T 是氣體溫度）正常情況下標準大氣壓強為： 1 標 準 大 氣 壓 =760mm 汞柱 = 76cm 汞 柱1.01325 × 10^5Pa = 10.336m 水柱水面上水的壓力 = 大氣壓力當模組放入水中時④⑤中的空氣被壓縮，F 恒定， F = pV = nRT，V 減小，P 增大，水中壓強 P = ρgh （ h = 110mm） < 標準大氣壓 <壓縮空氣的 P 壓強， 故④⑤中不會有水進入，從而防水; 當溫度升高時，F = nRT，F 變大，F = pV，V 減小，P 變大，對比常溫 P 更大，水中壓強 P = ρgh 無變化，故 P = ρgh （ h = 110mm） <空氣大氣壓 < 壓縮空氣的 P 壓強。側面對角線的角度為該設計最小角 θ，sinθ ≈0. 2908，∠θ≈17°故當坡面角度均小于最小角時，壓縮的空氣均未流動被擠出，壓強 P > P = ρgh 水中壓強，仍可起到防水保護作用。

2.實驗驗證

2.1常溫下，電池模組水平浸泡水中 12h、24h、36h實驗

實驗步驟： 向水槽中注水，水面高度為 110mm; 將組裝好的電池模組，完全浸泡; 2A 充滿電，浸泡在水中12h 后，10A 放電測得電池性能： 放電正常; 繼續 2A 充滿電后，浸泡在水中 24h，10A 放電測得電池性能： 放電正常; 再次 2A 充滿電，繼續浸泡在水中 36h 后，10A 放電測得電池性能。本設計電池模組浸泡在水中，隨時間推移，未發生短路或斷路保護現象，電池包均充放電正常。

2.2水平浸泡 24h，電池模組分別在 5℃ 10℃ … 60℃恒溫箱中測試實驗。

1）實驗步驟： 實驗器材準備同 2. 1; 同理 2A 充滿電，分別在 5℃- 60℃水中浸泡 24h 后，10A 放電測得電池性能。

2）數據反饋： 由于鋰電池本身性能原因，隨溫度的升高電池釋放的總容量增大，故而浸泡的模組，隨溫度的升高，釋放容量也呈現此趨勢，同時電池工作正常。

2.3 15°斜坡浸泡實驗

實驗步驟： 將斜度為 15°的斜木塊放入水槽，并加水使水面高度為 150mm將電池模組放在斜面上，浸泡。 2A 充滿電，浸泡在水中 10h 后，12A 放電測得電池性能： 放電正常。繼續 2A 充滿電，浸泡在水中 24h 后，10A 放電測得電池性能： 放電正常。再次 2A 充滿電，繼續浸泡在水中 36h 后，10A 放電測得電池性能。數據反饋： 實驗顯示在水中，有 0≤坡度≤15°時，本設計電源模組仍可繼續正常工作。

2.4震動實驗 模擬行駛過程中，電池包在水中浸泡，是否正常工作 實驗步驟： 將 2. 1 實驗裝置放在水平震動臺上，2A 充滿電，并施加振動設備上的隨機振動模式 60min 后，再施加復合振動模式 60min，進行放電測試。 數據反饋： 電源工作正常。

結語：綜合以上實驗結果，該電源設計結構，在 0--15°任何平、曲面上，以及不同溫度的變化、行駛過程中的震動，模組完全浸泡在水中后，仍可繼續正常工作。這一關鍵問題的突破，使得鋰電能源在不同惡劣環境下的應用，又向前邁進了一步。為綠色能源的發展，起到了不可或缺的推動作用。

參考文獻：

[1]李陽 新型鋰電防水模組結構設計[J].哈爾濱工程大學出版社，2015 （08）

[2]孫志毅 簡析車用鋰離子電池管理系統綜述[J].電源技術，2013（06）

[3]陳林娜 ?基于 BQ76PL536 的均衡系統計[J].電源技術，2014（05）