电池模块设计的基本原则是什么？电池模组设计有哪些需要注意的？

1 电池模块设计的基本原则 

设计基本原则如下：

（1） 电池模块装配松紧度适中（主要针对方形电池和软包电池），各结构件具有足够的强度防止因电池内部压力产生而变形或破坏；并且要严格避免振动过程中电池的窜动。部分电池要求有专门单体电池固定装置。

（2） 各结构件便于装配，便于操作，提高生产效率；

（3） 使用设备的电源技术指标；

（4） 结构紧凑且，根据电池包的设计要求能够提供散热通道等，使热量从电池传递到受热器或辐射器上；

（5） 辅助部件的重量尽量低，模块组装部件的重量不超过电池总重量30%；

（6） 电池模块适宜扩展。如由5个单体电池组合的模块扩展为10个电池组合的模块。

（7） 电池之间导电连接距离尽可能短，连接可靠，导电连接各部位的导电能力要满足用电设备要求的最大过流能力要求。

（8） 保证电池模块的绝缘性能。

（9） 零部件标准化。    

1 电池模块设计

    在此圆柱电池模块的所有尺寸专指18650型电芯。对其他圆柱电芯的各种部件尺寸未进行说明，组合结构类似。

2.1模块的排列与支架

   模块排列按下图3.1的方式进行排列设计。

圆柱形电池模块的尺寸设计主要设计到圆柱电池的排列方式。根据尺寸要求，可以为并行排列或错位排列。

并行排列                     错位排列

图3-1 圆柱电池模块排列方式

样品电池组可以采用2联及3联支架拼装制作，批量电池组开模支架。可从下图表中选择应用。

表3-1  电池模块支架

    电池组设计时首选已经开模的支架，在已有支架不能完全满足客户需求的基础上，经论证后才能允许开模。

     除2P、3P采用公模支架外，本公司开模设计的支架应遵循以下要求：

（1） 电芯间距：≦1.8mm

（2） 电池模块上下支架相同（采用同一副模具）。某些电池模块为便于正负极分辨，可以采用不同的颜色。

（3） 电芯卡槽深度：不小于12mm

（4） 阻燃等级：UL94 V-0

（5） 耐温等级：90℃不变形

（6） 电池模块组装成模组的安装孔通常为4个，孔径统一为：18.6 mm。

2.2 连接铜排与镍片

2.2.1 铜排设计及要求

铜排可按以图3.2所示结构形式设计，铜排的设计需避免异形结构。

图3-2 铜排结构形式

铜排的设计标准要求如下：

(1) 统一采用厚度为1mm准紫铜板，铜材型号：T2

(2) 铜材表面处理情况，进行盐雾试验，满足 GB/T 6461-2002《金属基本体上金属和其它无机覆盖层经试验后的试样和试件的评级》所制定的按照腐蚀面积进行评级的方法要求，可以在铜板表面镀镍，镀层满足相关电镀标准要求，镀镍层厚度为3-5μm。

(3) 统一折弯，从窄侧面上螺栓连接。

(4) 连接孔采用铆接螺母，孔径统一为M5。连接螺丝统一为自带垫片、弹垫的M5螺丝。

(5) 导电连接面积根据电池模块的最大通电电流来计算，计算值应≤3A/mm²。

(6) 螺丝孔间距 不超过1个电芯占据位置的宽度（约20mm）。

(7) 根据电池模块应用的最大电流计算铜排上各处电流密度，各处电流密度应不超过2A/mm²。

2.2.2镍片设计要求

镍片可以采用纯镍片，也可以采用镀镍钢带。厚度可采用0.12、0.15、0.20mm厚度。根据电池组应用的充放电电流、电池组合形式等选用带材。通常镍带或镀镍钢带的额定导流能力按2-3A/mm²计算(持续、1h)。短时间（30s，温升50℃）可以达到7-10A。18650镍片点焊点数为4个。

钢带规格为：

镀镍层厚度为3-5μm。

钢带硬度为1/4硬。

凸点尺寸、间距： 0.6mm ≤凸点直径≤1mm ，间距1.6mm~2mm      

镍片上电芯焊接部位为开叉结构，向下折弯，各部位尺寸如图3-3所示：

图3-3 镍片开叉尺寸要求

样品电池组镍片可采用公模镍片，无凸点（便于人工焊接），批量开模的镍片，需采用带凸点结构的镍片。

2.2.3 铜排与镍片的焊接

铜排与镍片之间的焊接应采用激光焊接，焊接强度等要求满足品质部检测要求。抗拉针对单个电芯的焊接长度或点数，拉力不低于5Kg。撕扯镍片应残余有镍带在铜排上。

镍片与铜排焊接部位应处于距离电芯焊接部位近的一端，如图3-4所示。

图3-4铜排与镍片的焊接部位

对于单个镍片的焊接，焊接点数应不少于6个点。

2.3 其他模块的设计

其他圆柱模块应在已开模模块部件基础上进行拓展设计。

2 电池模组设计

    某些电池模块如方形塑壳电池、一些圆柱电池模块等，在装配时不需要装成电池模组，直接在电池箱体内部安装，加上防振动设计即可。大部分需要将电池模块组装成电池模组再进行安装，具有更好的结构性能。

3.1 电池模组设计规则

（1）电池模组的设计须考虑电池系统的冷却、加热等设计，需要结合考虑；

（2）电池上任一带电点与模组组合导电部件之间的绝缘阻抗应不低于20MΩ；

（3）电池模块之间的连接、机械强度等需严格保证，避免在振动环境下、高低温环境下连接结构的松动、电芯遭到破坏等；避免车辆在颠簸路况、急刹车、转弯、侧翻等情况下电池模块的串动。

（4）尽量减轻零部件重量，满足要求下选择成本低的材料；

（5）电池模组便于安装，在电池箱体上的安装通常采用不小于M8的螺栓。

（6）在电池模组的设计上，考虑电芯在车辆上安装的方向性；通常圆柱电芯最适宜的方向是上下垂直安装（盖帽朝上），次之为平放，电芯前后串动方向与车辆行进方向垂直，最差的为与车辆前进方向一致；软包电芯的安装方向适宜平放，上下安装时需考虑极耳的抗振受力；方形电池的安装方向为上下垂直安装。所有电芯均不允许倒置方向安装。

（7）为便于电池模组的安装，电池模组总重量不能超过30Kg。并且设计时要考虑电池模组的吊装。

（8）零部件的标准化。

3.2 圆柱电池模组的串并联连接

(1)圆柱电池的导电连接设计

l 应尽量设计并联连接片上无电流，避免局部电流密度过大；

图3-5

      左侧图正负极引出点电流密度过大，容易引起该部位发热，而影响终端电池寿命。

l 并联电池的电流分布要均匀

图3-6

左侧异向引出，右侧同向引出。右侧流经各电池电流不一致，容易造成检测误判、电池衰减不一致。

（2）电池的模组设计

包括电池模组侧板、固定安装螺栓等。由于圆柱电池模块组成的模组不存在膨胀等问题，所以不需要太大的预紧力。

若电池模块是串并联组合结构，则组成模组的各模块之间必须用绝缘材料间隔开，采用1mm的环氧树脂板。侧面可以为金属、塑料等。安装螺栓采用M8螺栓。

侧板上与电池箱上的安装螺栓在未有其他固定措施下，选用M8或M10螺栓。侧板选用2mm厚度的钢板。边缘电池模块与电池金属侧板之间用1mm厚度的环氧树脂板间隔开。或者采用专门设计的绝缘板。

电池模组图如下图所示。

图3-7

    电池模块之间可以安装加热膜，加热膜两侧覆有导热硅胶片或者直接采用含导热硅胶的加热膜。当有加热膜时，电池模块之间不安装环氧树脂绝缘板。

3 零部件选择规范

4.1 电池模块及电池模组间连接片

电池之间连接部位的电阻是电源系统产生热量的一个重要方面，导电材料的选择、连接路径的设计、连接的防松设计等均是设计的重要内容。导电连接片一般选择纯铜板材，为提高耐腐蚀性，连接片表面应镀镍，镀镍层厚度为3~5μm。

模块之间的连接片选用2mm或1.5mm的紫铜板。其宽度根据导流能力计算，连接片导电能力的计算应以控制连接片的温升为依据，连接片最大容许电流的计算方法如下。（以铜材为例）

Ｉ_Cu²＝(C·ρ_密度·S² ·ΔT)/（ ρ_电阻率·t）   

C为材料比热， Cu为0.378 J/gK；

ρ_密度为材料密度， Cu为8.96 g/cm³；

S为跨接片截面积，单位mm；

ΔT为要控制的温升（绝热条件），假设控制为50℃；

ρ_电阻为材料电阻率， Cu为0.01637Ωmm²/m；

t为电流持续时间，连续按3600s计算，间歇按30s计算，启动按10s计算。

将上述数据代入上面的公式，得到

Ｉ_Cu＝101.7St^-1/2

常用的跨接片可承受的电流见表3-2。

表3-2 常用连接片的导电能力

在实际应用过程中，由于跨接片并未处于绝热状态，散热面积、散热性能也比较好，实际情况正常承受的电流可以达到上表数据的2倍以上。在导线的选择上，一般铜导线的载流量为5~8A/mm²。截面积越大，平均载流能力越低。

根据电流大小，统一选用1mm或2mm厚度的紫铜镀镍板。连接片的宽度不低于模组或电池上极耳/极柱的导电连接宽度。

在电池之间连接距离精度不能完全保证情况下，连接片上一端须开椭圆孔。连接片上孔径比索用螺丝直径大0.5mm。

连接片与电池之间的压接面积不小于连接片截面积的2倍。

4.2 连接用螺栓或螺母

连接用螺栓、螺母扭矩标准如下表3-3、3-4所示

表3-3 连接用螺栓扭矩标准（单位kgf.cm）

表3-4 常用螺丝扭力对照表

(扭力单位：kgf.cm，公差：±10%)

A:铁螺丝与铁螺帽（螺孔）之固定，如：

l 箱体各组件之组合；

l 接地螺丝、螺帽之固定；

l PCB固定于箱体

B:铁螺丝、铜螺帽（螺孔及铝合金材料螺孔）之固定，如：

l 固定铝加工件

l 固定铜加工件

l RS232六角铜柱之固定

C:铁螺丝（自攻）锁于塑胶或纤维板、亚克力板

l 塑料面板固定于箱体

l 固定零件到纤维板或亚克力板

D:铁螺丝（自攻）锁于板厚1.0之抽牙孔

l M3抽牙孔为Ф2.8（+0，-0.05）

l M4抽牙孔为Ф3.65（+0.05，-0）

E:铁螺丝（自攻）锁于板厚1.2之抽牙孔，抽牙孔尺寸同D项。

螺钉的紧固扭矩经常使用kgf.cm，国际单位则使用N.m，两者之间的关系如下：

    1N.m=10.1972kgf.cm

    1kgf.cm=0.098N.m

电池箱体、连接片连接等所用螺栓、螺母等选用标准件。