高品質動力電池模組制造關鍵工藝分析

摘要：隨著新能源電池行業的快速發展，動力電池模組成為電池包的核心，提升電池模組制造質量非常關鍵。基于此，分析了提高模組制造質量的重要性，對動力電池模組結構組成進行了介紹，并以方殼電芯模組制造工藝過程為切入點，重點對模組結構膠涂裝工藝、模組激光焊接工藝、模組電性能測試工藝等核心工藝進行詳細分析，對其設備、工藝機理、工藝參數、常見缺陷進行詳細研究。

關鍵詞：動力電池；電池模組；激光焊接；電性能測試

中圖分類號：U461 收稿日期：2024-08-12

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.10.024

1 前言

近年來，為實現碳達峰、碳中和的目標，在中國新能源政策引導、新能源上下游企業加大研發投入背景下，新能源汽車行業蓬勃發展，催生了對高質量、高性能、高安全性鋰離子動力電池的巨大需求。動力電池模組作為動力電池包的核心零件，其裝配制造過程的質量直接影響整個動力電池包的性能、成本、安全性。

本文從動力電池模組結構組成、主要裝配過程、典型關鍵制造工藝等方面深入分析和研究，進而對關鍵工藝設備、工藝參數、常見不良情況進行分析，并對電池模組性能、一致性、質量管控等方面的提升提供有效參考。

2 鋰離子動力電池模組功能及零件組成

鋰離子動力電池具有循環壽命長、能量密度高、具備大倍率充放電等優勢，已成為新能源電動汽車的主要儲能裝置。鋰離子動力電池模組是將若干個鋰離子電芯單體通過串/并聯連接形成能夠進行能量輸出、控制，且能夠進行溫度、電壓等信號輸入輸出的集成模塊［1］。動力電池模組的主要功能有以下幾點：

a.輸出能量/功率/電壓平臺/充放電窗口。

b.滿足電池包層級的重量/體積的功能分解要求。

c.提供安裝界面、可靠的電壓采樣和溫度采樣的接口。

d.滿足電池管理系統的需求。

e.滿足電氣安全的需求（電氣間隙和爬電距離）。

f.保證機械結構強度及安全濫用的需求。

g.對外連接接口滿足防水等級要求。

h.能與外界進行熱管理界面。

動力電池模組的功能和設計來源于電池包的功能需求分解，需要滿足法規的電氣間隙、爬電距離、絕緣防護、防熱擴散等安全需求，也要滿足高壓、大電流、低壓采樣電氣連接功能需求，且還要滿足電芯膨脹、振動、沖擊、碰撞等結構機械強度要求，同時還需滿足電池包溫度傳感器布置、熱擴散結構件裝配的熱管理需求。因此動力電池模組存在多種結構成組形式，典型結構有355/390/590標準尺寸標準模組、三明治模組、雙排模組、雙拼焊接模組、圓柱模組、軟包模組等。

本文以方殼標準尺寸模組為例，介紹其主要結構、組成零件及裝配制造過程，方殼模組主要零件由電芯、雙面膠、緩沖隔熱墊、端板、側板、線束匯流排、結構膠、絕緣膜、輸出極、輸出極底座、上蓋等組成，典型結構如圖1所示。

3 提高動力電池模組制造質量的重要性

3.1 提升動力電池產品安全可靠性

提升新能源汽車安全性、能量密度、循環壽命等是電池行業發展的關鍵，而動力電池模組作為電池包的核心，其制造過程的一致性、穩定性、可靠性影響電池包、新能源汽車的高性能發揮。通過對動力電池模組制造過程分解、分析關鍵工藝機理、質量控制體系，能夠有效避免動力電池組在全生命周期內可能發生的短路、過充、過熱等失效，從而確保電動汽車安全和可靠性。

3.2 降低動力電池包售后成本

動力電池模組使通過螺栓連接、導熱硅結構膠水冷板等固定到動力電池包下箱體中，在電池模組出現如電芯低電壓、絕緣耐壓異常、電池管理系統通信異常、溫度異常報警等故障時，可通過拆卸更換故障電池模組，恢復電池包使用。因此提升模組制造質量，能夠有效降低電池模組發生失效故障率，有效減少售后模組備件數量，從而降低電池廠商庫存、物流以及售后維修等綜合成本［2］。

3.3 提高電池廠商品牌影競爭力

提高動力電池模組制造質量，能夠保障動力電池包、新能源汽車在整個生命周期內的循環壽命、安全可靠性，減低廠商售后成本，提高電池廠的利潤，投入更多資源研發新電池模組及電池包，進一步滿足新能源汽車及終端用戶的需求。同時通過產品在市場端高質量運營表現，有效提升電池廠品牌競爭力。

4 動力電池模組制造關鍵工藝

動力電池模組制造過程是在滿足模組設計需求、自動化設備、且質量管理體系要求下生產滿足客戶質量要求模組的過程，本文以鋰離子方殼電芯模組例分析其制造過程。方殼模組從電芯裝配成模組的整個過程分解為4個主要工序段，即：組件上料及預處理、模組成組裝配、端板以及匯流排焊接、電性能測試及外觀尺寸檢測。

組件上料及預處理是指將方殼電芯、鋁端板、鋁側板、隔熱墊、緩沖墊等零件依次拆包上料至對應料倉中，生產線按單個模組的零件數量，通過六軸機械手配合工裝治具夾持下轉運至預處理工序，比如，對電芯側面、側板內側進行等離子清洗，去除電芯藍膜表面、側板絕緣膜的油質或者臟污，提升涂膠后的粘貼強度；側板清洗后，還需在側板表面按設定涂膠軌跡、膠量涂覆結構膠水。

模組成組裝配是指按模組設計依次將端板、電芯、隔熱墊、緩沖墊、涂膠側板等零件，通過機械手自動依次放置在高精度堆疊夾具中，并加壓保壓形成半成品模組，以確保堆疊后模組底部、側面、高度尺寸精度滿足產品規格要求。

在模組成組加壓裝配后，通過激光穿透焊接鋁合金端板、側板連接接頭形成焊縫，從而形成模組端側板圍框整體結構；隨后裝配帶有溫度、電壓傳感器的匯流鋁巴排到電芯極柱上，通過激光焊接設備夾具加壓固定，利用激光能量深熔焊焊穿鋁排巴片與電芯鋁極柱形成連接焊縫，完成匯流排焊接工序［3］。

電性能測試及外觀尺寸檢測是在完成匯流排激光焊接后，利用自動化測試設備直接探針接觸模組極柱或者通過工裝連接匯流排連接器，采集模組的單芯電壓、壓差、絕緣阻抗、溫度等參數，根據產品設計規格判斷模組質量，同時模組下線過程還會對模組各個外觀界面以及關鍵尺寸進行檢測，以滿足客戶產品需求。

方殼模組裝配過程如圖2所示，通過拆解模組可確認模組貼膠涂膠、電池模組激光焊接、電池模組電性能測試等為模組核心關鍵工藝。

4.1 電池模組結構膠涂裝工藝

模組側板與電芯側面粘接主要通過結構膠實現，其材料主要雙組分聚氨酯膠水，結構膠固化后，其兩個貼合零件間的粘結強度、膠水內聚強度確保電芯與側板實現高強度粘接，保證整個模組圍框與電芯的機械強度、絕緣性能。結構膠是由兩種膠水按照固定比例充分混合后發生化學反應并且常溫下逐漸固化，其涂覆工藝主要靠涂膠機實現。常見涂膠機設備由供料模塊、翻料模塊、計量模塊、混膠模塊等組成。

涂膠機涂膠過程是通過供料泵將桶裝膠水壓入供料密封管路中，翻料模塊將翻料罐中膠水抽真空及攪拌，排除膠水中的氣泡并控制其黏度，繼而轉入中轉罐中緩存膠水，量產中在中轉罐中沖入氮氣，對膠水保溫隔絕空氣防止氧化；隨后在中控電腦程序控制下，計量分配系統將兩種膠水通過兩個密封高壓管路，通過高精度的計量缸按固定體積比例精確并且同步地打入混膠管中；混膠管將雙組分膠水通過混膠管螺旋節實現充分混合，最終在機械手動作下按設定涂膠軌跡涂覆到到側板內側。

模組涂膠工藝控制參數有涂膠重量、涂膠比例、涂膠軌跡、膠水操作時間、膠水固化時間、膠水固化溫度、混合膠管型號等。量產涂膠工藝主要通過探測壓膠面積、固化強度、膠型顏色、軌跡來確認質量。膠水固化強度通過拉力機拉拔涂膠固化后樣件拉力評估，其操作過程是取膠水樣品涂覆在控制間隙兩個鋁片中間，經過固定溫度、時間烤箱烘烤固化，再使用拉力機進行拉拔力測試。

常見涂膠工藝的不良主要有：溢膠、壓膠面積不足、膠比例超規、混膠不均、膠型異常、操作時間不足等缺陷。溢膠不良會污染模組自動生產線上的工裝治具，且固化后形成硬質凸起會造成模組藍膜破損導致絕緣失效；壓膠面積不足會使水汽等能夠進入未涂膠的開窗區域，水汽在匯流排線束中導致絕緣失效，且可能造成模組強度不足開裂；膠比例超規、混膠不均會造成模組強度不是失效；膠型異常主要有涂膠拉絲、起頭/收尾堆膠、涂膠氣泡、涂膠收縮等；操作時間不足是指已混合后結構膠未在規定時間內實現電芯側板粘接，導致模組粘接面積強度不足失效。

以上涂膠工序中的失效模式會導致模組強度不足進而導致電池包失效客訴，需要在量產涂膠工藝過程加嚴膠水來料、設備程序點檢、涂膠機密封件維護保養，并且對涂膠樣件、涂膠顏色軌跡等定頻次抽檢探測來保證涂膠質量［4］。

4.2 電池模組激光焊接工藝

激光焊接具有熱輸入小、深寬比高、工件變形小、焊接精度高、焊接速度快等特點，在動力電池電芯鋁殼頂蓋、防爆閥、密封釘、轉接片以及電池模組中國框、匯流排等有廣泛應用。其機理是激光功率通過光輻射加熱工件表面，熱量通過熱傳導向內擴散融化基材材料，通過控制設備激光功率、速度等參數，使工件熔化形成特定熔池實現對工件連接的過程。

激光焊接在動力電池模組主要應用在端板側板圍框側縫焊接、電芯極柱與匯流排焊接兩個工序中。端側板圍框側縫焊接是通過激光穿透端板和側板形成具備結構強度整體框架，滿足模組在整個循環周期內在電芯膨脹力作用下結構不會失效，常見有鋁合金端側板包邊焊接、端側板對縫煌接。

匯流排激光焊接是通過激光穿透匯流排上鋁巴、電芯頂蓋正負極極柱，深熔焊融化零件金屬形成焊縫。匯流排焊接實現了模組間所有電芯串聯，形成模組層級的高壓回路；另外在低壓層面，實現采集電芯的電壓、溫度數據，通過低壓線束傳遞給電池管理系統進行監控和控制。匯流排焊接質量影響動力模組強度、傳導大電流性能以及安全可靠性，若焊接熔深不足，動力電池模組內部電阻變大，且結構強度不足導致開裂；若焊接熔深過度，激光能量可能穿透電芯極柱對電池殼體損傷，造成電解液泄露等安全失效。

模組激光焊接質量受焊接設備、工件接頭、焊接參數、來料質量等因素綜合影響，因此為提升焊接質量需對設備、工藝參數、過程控制進行系統管控。模組激光焊接設備具有高精度、自動化程度高特點，其設備由激光器系統、振鏡系統、視覺尋址系統、工裝定位系統以及除塵系統等組成。模組激光焊接主要控制激光輸出功率、環芯比、焊接速度、離焦量、振幅、頻率、保護氣流量、除塵速度等參數。為檢測激光焊接質量，主要通過焊縫熔深、焊縫熔寬、焊縫拉力、焊縫長度、焊縫表寬、焊縫間隙等來判斷。模組激光桿接常見不良失效有焊縫凸起、焊縫偏移、焊縫下榻、虛焊、爆孔、黑孔等缺陷。

4.3 電池模組電性能測試工藝

在動力電池模組制造工藝中，為確保模組滿足客戶規定要求電池性能、法規安規要求，需對模組進行模組電性能檢測，主要測試工序分為：模組低壓絕緣測試、模組電性能測試、模組匯流排通斷測試、模組容量及直流內阻測試。

模組絕緣阻抗測試工序排布在匯流排激光焊接前，主要目的是攔截模組不良品，防止經過激光焊接后因電性能缺陷導致模組報廢。模組絕緣阻抗測試主要檢測項有：模組單電芯電壓、電芯間壓差、電芯與電芯絕緣阻抗以及電芯與模組圍框間耐壓漏電流。模組電性能測試又稱下線測試，排布在激光焊接工序后，模組下線以及回流排通斷測試前。主要檢測模組總電壓、單電芯電壓、電芯間壓差，電芯正極與模組圍框外殼間的絕緣阻值、耐壓漏電流、模組直流內阻、監控模組特征點溫度等。

匯流排通斷測試工序排布在模組電性能測試工序后，主要為檢測匯流排經過激光焊接后滿足功能要求，主要測試項有單體電芯電壓、電芯間壓差、電芯溫度、采集溫度個數與溫度差、軟硬件版本、均衡功能、編碼回路、故障讀取標定清除等。

模組容量及直流內阻測試為線外測試工序，模組容量測試是通過充放電機在指定充電放電電流、時間等參數下進行滿充滿放，計算得到模組電池容量，確認容量是否滿足客戶要求的規格。

直流內阻測試是短時間內充電放電，測試過程監控電芯電壓、壓差、模組溫度，通過電壓電流計算得到模組直流阻抗，通過直流阻抗可以探測電芯與匯流排鋁巴激光焊接質量。

模組電性能測試測試是模組的關鍵工序，其測試設備主要由工控機、上位機、絕緣耐壓儀、萬用表、充放電機、測試線束工裝等組成。電性能測試設備測試過程由上位機下發指令給PLC控制繼電器切換測試回路，同時控制儀表進行相關性能測試，儀表將測試結果回傳給上位機進行測試結果判定，最后測試結果上傳給數據追溯系統進行追溯，從而有效控制模組單電芯壓差、電芯容量、匯流排元件功能，模組內金屬顆粒造成絕緣不良等缺陷品流出，有效保障模組產品質量。

5 結語

動力電池模組作為電池包的核心組成，其制造質量高低嚴重影響電池包、新能源汽車續航里程、充放電速度以及安全性。因此本文從提高模組制造質量的重要性出發，對電池模組模組全工藝流程進行了拆解分析，并重點介紹模組結構膠粘結、激光焊接、電性能測試等三個核心工藝，并對涉及設備組成及原理、工藝參數、常見缺陷以及缺陷原因進行詳細研究分析，對自動化動力模組生產制程質量控制提供有益的參考。

參考文獻：

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作者簡介：

周強，男，1990年生，工程師，研究方向為動力電池模組及電池包制造工藝。