軟包動(dòng)力電池模組焊前絕緣檢測(cè)

王剛

（上汽通用汽車有限公司 動(dòng)力總成制造工程部，上海 201206）

0 引言

動(dòng)力電池是新能源汽車動(dòng)力能量的來源，在正常使用情況下必須要確保動(dòng)力電池能將自身的能源安全地傳輸給新能源汽車。因此，在動(dòng)力電池設(shè)計(jì)和制造過程中，需要圍繞電池的化學(xué)安全、電氣安全、機(jī)械安全和功能安全等，對(duì)電池包內(nèi)部組件構(gòu)成和可能發(fā)生的安全風(fēng)險(xiǎn)制定相應(yīng)的安全控制措施[1]。

電池的電氣絕緣狀態(tài)是動(dòng)力電池電氣安全的重要指標(biāo)之一。作為新能源車輛的重要組成部分，動(dòng)力電池系統(tǒng)用來給一個(gè)車載高壓電氣系統(tǒng)提供電能的吸收、存儲(chǔ)和供應(yīng)，并且可以通過車載充電機(jī)或者連接到電網(wǎng)或發(fā)電機(jī)的專門充電裝置進(jìn)行充電。對(duì)于一個(gè)具有幾百伏電壓平臺(tái)的帶電體，如果動(dòng)力電池一旦出現(xiàn)電氣絕緣失效，將可能引發(fā)電池電氣短路故障，進(jìn)而使得電池內(nèi)部的化學(xué)能被快速釋放，所產(chǎn)生的大電流將導(dǎo)致電池本體損壞，更為嚴(yán)重時(shí)會(huì)使電池出現(xiàn)熱失控造成車輛自燃，甚至可能發(fā)生人員觸電事故。因此，對(duì)于動(dòng)力電池的絕緣狀態(tài)檢測(cè)和監(jiān)測(cè)是極其重要和必要的。

動(dòng)力電池的電氣絕緣，一般是通過部件表面固態(tài)絕緣及部件之間滿足電氣間隙和爬電距離（根據(jù)IEC 60664-1 2007-04標(biāo)準(zhǔn)）來確立，同時(shí)也必須要避免由于部件表面受到污染而導(dǎo)致的電池兩級(jí)間導(dǎo)通。如果這些標(biāo)準(zhǔn)和要求落實(shí)不到位，就有可能發(fā)生絕緣失效，在電池內(nèi)部構(gòu)成意外回路，最壞情況下會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)電流[2]。產(chǎn)生動(dòng)力電池的電氣絕緣失效原因有多種，而制造過程控制是確保電池絕緣有效的重要環(huán)節(jié)之一。對(duì)實(shí)際動(dòng)力電池裝配生產(chǎn)過程中的絕緣失效數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和分析后，發(fā)現(xiàn)盡管生產(chǎn)線上增加了多重清潔度管控措施和多重裝配質(zhì)量狀態(tài)檢測(cè)裝置，但是仍出現(xiàn)由小到微米級(jí)的微小金屬顆粒所引起的動(dòng)力電池絕緣失效（如圖1）。在部分失效案例中甚至未能發(fā)現(xiàn)任何的外來異物，但是電池卻發(fā)生了絕緣失效，潛在的原因可能是裝配過程中改變了電池中有效的電氣間隙導(dǎo)致電池對(duì)沖擊電壓的耐受能力下降。相對(duì)于硬殼電芯，軟包電芯更容易發(fā)生絕緣失效問題。

圖1 電芯絕緣失效原因勘測(cè)分析示例

在常見的批量生產(chǎn)動(dòng)力電池裝配制造線上，對(duì)電池的絕緣狀態(tài)檢測(cè)常常是作為電池安全測(cè)試中的一部分，在電池完成成組焊接后，下線前在最終測(cè)試（End Of Line，EOL）中完成絕緣檢測(cè)的。眾所周知，焊接工藝是一種不可重復(fù)性拆解的聯(lián)接工藝，即一旦拆解就會(huì)引起相關(guān)部件的報(bào)廢。依照當(dāng)前的工藝設(shè)計(jì)和檢測(cè)方法，如果在EOL中發(fā)現(xiàn)電池存在絕緣失效問題，那么對(duì)動(dòng)力電池的返工就會(huì)引起大量的拆裝操作和零部件報(bào)廢，給生產(chǎn)運(yùn)行成本控制、運(yùn)行效率提升、產(chǎn)品質(zhì)量保證和操作安全保障形成巨大壓力。

因此，需要考慮在量產(chǎn)裝配生產(chǎn)過程中引入一個(gè)新的電池絕緣狀態(tài)檢測(cè)工藝，以降低生產(chǎn)運(yùn)行成本，提高對(duì)動(dòng)力電池裝配過程質(zhì)量和產(chǎn)品安全風(fēng)險(xiǎn)的控制。

1 動(dòng)力電池模組焊前絕緣檢測(cè)裝置

1.1 動(dòng)力電池裝配的基本工藝

對(duì)于一個(gè)動(dòng)力電池，通常的裝配工藝可以分為電芯堆垛成組、模組裝配和電池包裝配等三大基本工序。電芯是動(dòng)力電池中最基本的帶電體。將多個(gè)電芯（數(shù)量可以從幾十到幾百不等）依照一定規(guī)律和順序裝配成組，通過焊接或其他連接方式，將電芯正負(fù)極連接起來，形成一個(gè)模塊化的串并聯(lián)電路結(jié)構(gòu)，即電池模組。將多個(gè)電池模組串聯(lián)在一起，并配以電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)部件、電池控制管理模塊等，最終裝配成滿足新能源汽車性能設(shè)計(jì)要求的電池包成品。對(duì)于目前比較熱門的CTP電池包（Cell To Pack），是將電芯成組后直接裝配到電池包內(nèi)，減少甚至取消模組級(jí)別的結(jié)構(gòu)件，從而在有限的空間內(nèi)盡可能地增加單個(gè)電池包內(nèi)的電芯數(shù)量，最大化地提升電池包的能量密度。電池成包方式在概念上有所差別，但是基本電池裝配工藝還是相似的。

1.2 動(dòng)力電池裝配過程中的絕緣失效

通過對(duì)電池裝配工藝的介紹發(fā)現(xiàn)，如果在電池裝配制造過程中出現(xiàn)電池絕緣失效，主要應(yīng)當(dāng)集中在電芯堆垛成組過程。這是因?yàn)樵谶@一過程中，如果零部件來料表面附著有金屬雜質(zhì)或生產(chǎn)線設(shè)備及環(huán)境中的金屬雜質(zhì)飄落到電芯表面，在電芯成組時(shí)金屬雜質(zhì)受模組壓緊力作用很有可能刺破電芯表面的絕緣保護(hù)層，導(dǎo)致電芯內(nèi)部與外部金屬結(jié)構(gòu)件接觸。另外，由于零件存在尺寸公差和材質(zhì)上的差異性，使得作用在每片電芯和電芯之間的結(jié)構(gòu)件上的模組壓緊力不盡一致，從而可能導(dǎo)致部分電芯的裝配間隙不滿足有效電氣間隙的設(shè)計(jì)要求（如表1）。

表1 電芯絕緣失效原因分析

因此，除了在相關(guān)工藝過程中增設(shè)必要的清潔設(shè)備，降低因異物引起電池絕緣失效的頻次外，在模組焊接工藝之前增加一道絕緣檢測(cè)工藝，將有助于將絕緣失效提前遏制在電池高電壓回路形成之前，降低后續(xù)裝配安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也可以將失效返工精確到電芯級(jí)別，避免因焊接后所造成的不可拆卸而導(dǎo)致的大量關(guān)聯(lián)物料報(bào)廢，降低制造成本。

1.3 動(dòng)力電池模組焊前絕緣檢測(cè)裝置

1.3.1 檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

絕緣檢測(cè)機(jī)構(gòu)的主要目的是通過機(jī)械方式將模組中電芯的正負(fù)極連接在一起，其連接效果要能等效于焊接，同時(shí)這種連接又具備可拆卸、可重復(fù)的特性。

以軟包電芯為例，對(duì)比焊接前后電芯正負(fù)極極耳狀態(tài)（如圖2），可以采取夾持機(jī)構(gòu)，在電芯成組后在既定焊接區(qū)域范圍內(nèi)將彼此松散的電芯極耳夾持，實(shí)現(xiàn)電芯極耳之間電流的有效導(dǎo)通。

圖2 電芯成組狀態(tài)

夾持機(jī)構(gòu)的原理圖如圖3所示。考慮到電芯極耳折彎后的位置和姿態(tài)隨機(jī)性較大，利用氣缸的直線運(yùn)動(dòng)推動(dòng)楔形塊做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，夾持片在楔形塊和扭簧的作用下實(shí)現(xiàn)“自對(duì)中”的夾緊和放松。將多個(gè)楔形塊連接起來，即可實(shí)現(xiàn)單個(gè)氣缸對(duì)多個(gè)夾持機(jī)構(gòu)的同步控制。

圖3 電芯極耳夾持機(jī)構(gòu)示意圖

為確保夾持的有效性，在夾持機(jī)構(gòu)末端采用鈹銅材料與電芯極耳進(jìn)行接觸。利用鈹銅的耐磨性，提高夾持點(diǎn)的使用壽命，減少機(jī)構(gòu)對(duì)電芯極耳的損傷；利用鈹銅的彈性，提高最終夾持的可靠性，提升楔形夾持機(jī)構(gòu)的最終夾持質(zhì)量；利用鈹銅的高導(dǎo)電性，可以在夾持完成后對(duì)夾持兩端的電阻值進(jìn)行測(cè)量，從而判斷夾持狀態(tài)是否存在“空夾”、“少夾”、“虛夾”等異常情況（如圖4），提升后續(xù)絕緣檢測(cè)結(jié)果的可靠性。經(jīng)過開發(fā)驗(yàn)證，該套夾緊機(jī)構(gòu)單點(diǎn)夾緊力為58.8 N，可實(shí)現(xiàn)重復(fù)壽命30 000次。

圖4 夾持缺陷狀態(tài)示意圖

1.3.2 檢測(cè)裝置的測(cè)量方法

衡量系統(tǒng)絕緣能力強(qiáng)弱或絕緣性能好壞的物理量一般為絕緣電阻。常見的測(cè)量方式表現(xiàn)為帶電器件與殼體、大地等參考平臺(tái)之間的電阻值。阻值越大，絕緣狀態(tài)越好。參照GB 18384-2020標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于“對(duì)含有B級(jí)電壓電源的電路的絕緣電阻測(cè)量方法”[3]，開發(fā)電池模組的絕緣檢測(cè)方法。一般步驟為：

1）夾持機(jī)構(gòu)夾緊電池模組上的電芯極耳，使得電池模組形成電回路。

2）以電池模組金屬外表殼體作為參考平臺(tái)。用相同的兩個(gè)電壓計(jì)同時(shí)測(cè)量電池模組正負(fù)極端子和電平臺(tái)之間的電壓為U1和U2，如圖5（a）所示。

3）添加一個(gè)阻值為1 MΩ的電阻R0，并聯(lián)到電極端子和電平臺(tái)之間，如圖5（b）所示。重復(fù)步驟2），獲得電壓U1′和U2′。

圖5 電池模組絕緣檢測(cè)方法示意圖

4）建立方程組：

式中，r為電壓計(jì)內(nèi)阻。

通過解方程組，可以獲得電池模組正極端子相對(duì)于電平臺(tái)的絕緣電阻R1和負(fù)極端子相對(duì)于電平臺(tái)的絕緣電阻R2。

根據(jù)GB 18384-2020標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)要求，在最大工作電壓下，直流電路絕緣電阻應(yīng)不小于100 Ω/V[3]。為了確保模組在裝配成電池包后絕緣狀態(tài)依然滿足要求，這里可以按照整個(gè)電池包最大工作電壓來測(cè)算所需的最小允許絕緣電阻值（如果電池包設(shè)計(jì)上有特定說明，則以設(shè)計(jì)要求的絕緣電阻值為優(yōu)先），并以此作為限值，對(duì)測(cè)量值R1和R2進(jìn)行評(píng)價(jià)和判斷，以確認(rèn)電芯成組后的模組絕緣狀態(tài)。

1.3.3 檢測(cè)裝置的驗(yàn)證方法

由于該檢測(cè)裝置包含了定位、夾持、測(cè)量和判斷等一整套內(nèi)容，因此對(duì)于檢測(cè)裝置的驗(yàn)證，需要將裝置的全部?jī)?nèi)容作為一個(gè)整體進(jìn)行功能和性能的驗(yàn)證，而不是只驗(yàn)證測(cè)量單元。任何一個(gè)部分出現(xiàn)一絲誤差，都有可能對(duì)最終檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生不可接受的偏差。一般的系統(tǒng)驗(yàn)證步驟如圖6所示。

圖6 檢測(cè)系統(tǒng)驗(yàn)證流程簡(jiǎn)圖

功能性檢查，主要檢查兩部分內(nèi)容：1）系統(tǒng)靜態(tài)下的機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣配置、安全配置及相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的符合性；2）系統(tǒng)動(dòng)態(tài)下的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，包括裝夾、輸送、到位信號(hào)、控制邏輯及一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工作循環(huán)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)節(jié)拍等內(nèi)容。

重復(fù)精度檢查主要檢查測(cè)量系統(tǒng)自身狀態(tài)的穩(wěn)定性，即同一個(gè)樣件的同一特征由同一個(gè)人使用同一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量時(shí)發(fā)生偏差的總和，以識(shí)別測(cè)量系統(tǒng)本身的偏差量。通常Cgk不小于1.33，為可接受范圍。

重復(fù)性/再現(xiàn)性檢查主要檢查測(cè)量系統(tǒng)在實(shí)際工況循環(huán)中的系統(tǒng)狀態(tài)穩(wěn)定性，即多個(gè)同類樣品的同一特性由不同的人使用同一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量時(shí)發(fā)生偏差的總和，以識(shí)別不同的樣件和不同的操作人員對(duì)系統(tǒng)測(cè)量偏差的影響。通常GR&R小于20%（產(chǎn)品公差的20%）為可接受范圍。

該套系統(tǒng)已經(jīng)投入實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用（如圖7），實(shí)現(xiàn)了對(duì)電池絕緣失效的及早遏制，因絕緣失效而導(dǎo)致的零件報(bào)廢成本下降90%。

圖7 模組焊前絕緣檢測(cè)系統(tǒng)

2 結(jié)語

電氣絕緣安全是動(dòng)力電池電氣系統(tǒng)安全的重要內(nèi)容之一，必須要從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、零部件制造、電池裝配、整車應(yīng)用等全過程各個(gè)環(huán)節(jié)加以控制和監(jiān)測(cè)。本文研究開發(fā)的動(dòng)力電池模組焊前絕緣檢測(cè)，是在現(xiàn)有電池裝配測(cè)試過程中，新增一個(gè)檢測(cè)工藝環(huán)節(jié)，在模組焊接之前進(jìn)行模組絕緣狀態(tài)的篩查，做到“盡早發(fā)現(xiàn)、盡快返工、盡少報(bào)廢”，從而為后續(xù)動(dòng)力電池的裝配過程安全和最終產(chǎn)品質(zhì)量提供有力保障。