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摘要：分析了电动汽车用锂电池存在的防爆安全问题，指出了现有防爆盖帽模组成组技术中存在的不足，设计了一种新型锂电池防爆盖帽模组，对模组中的关键件防爆片、SSD翻转片、Cu-Al复合电极等给出了具体的设计参数和选材，并给出了关键的性能参数。防爆片设计中，在基体片中第一级降低爆破压力所开设的减薄槽内截面为0.21 mm×60 mm，深0.1 mm，第二级为顶面预留0.08 mm厚度；翻转片在工作气压P大小区间为0.35 MPa<P<1.2 MPa的条件下，中央Φ4 mm减薄应力承受平台常态时为0.3 mm，翻转时为1.1 mm；Cu-Al复合电极的工艺条件是电极铜板端材料为Cu，T2态；电极铝柱端材料为Al-1060，H14态，采用摩擦焊焊接。设计的防爆盖保护模组结构合理、工作稳定、安全可靠，可为同类结构的锂电池保护设计提供有益的借鉴。 关键词：锂电池；防爆设计；翻转片；防爆片；复合电极 分析现有锂电池防爆盖帽模组技术，发现存在着因结构不合理导致内阻过大和易发生次生灾害的问题，以及因制造过程中生产参数选择不当导致防爆启动压强控制不稳定的问题。电池防爆安全模组结构问题主要体现为防爆膜片和断路翻转膜片在产品寿命期内的可靠性，以及正负极的电性能稳定性。本文分析了现有电池盖防爆安全技术的不足，提供了一种新型防爆盖结构设计。 1、电池过充对防爆盖帽结构的影响 显然，过充电时，电池的内压升高有了速度问题，这不仅与电池所用材料和电池结构设计有关，还与过充电时的电流大小有关。而防爆半球面铝膜焊接点的拉裂断开与焊接点面积大小和半球面开始变形力的大小有关。在动力锂电池设计中，为了降低电池欧姆电阻，确保在大电流下连接件不发热，必须保证盖帽上的防爆半球面铝膜与下底板的焊接点有足够的面积，既起到安全保护作用，又能满足动力电池大电流通过的需要。通常组合盖帽拉开压力为l.3～1.5 MPa，防爆膜开启压力为 2.0～2.2 MPa。 2、防爆盖帽模组技术存在的问题 现有防爆盖帽模组技术存在着因结构不合理导致内阻过大和易发生次生灾害的问题，以及因制造过程中生产参数选择不当而导致防爆启动压强控制不稳定的问题。电池防爆安全模组结构问题主要体现为防爆膜片和断路翻转膜片在产品寿命期内的可靠性，以及正负极的电性能稳定性。以新能源汽车动力型锂电池来说，锂电池防爆安全模组规模化生产和应用存在的技术问题为： 防爆片的关键性制约问题有：(1)选用的Al基材料性能及热处理工艺；(2)防爆片现有的以冷冲压精密加工为基础的膜片制造工艺难以控制其爆破预制槽成型精度；(3)防爆片随工作时间变化，在电池液氛围环境下的性能变化特点。 SSD翻转片的关键性制约问题有：(1)选用的Al基材料性能及热处理工艺；(2)SSD翻转片现有的以冷冲压精密加工为基础的膜片制造工艺难以控制其结构因子成型精度及其产品的一致性；(3)SSD翻转片结构受力点力学性能与结构因素的关系有待优化。 正负极极柱的选材及其结合方式关键性制约问题有：极柱铝材与铜基板的摩擦焊接工艺效率低，材料浪费严重；极柱焊接点焊接后材料性能不一致，严重影响电池电学性能的稳定性。 因此，未来锂电池防爆安全模组技术的发展趋势体现为以下几个方面： 在技术上需要突破的问题包括：可靠性达99.98%的防爆安全模组结构优化设计技术；高集成度、少工艺环节的集成设计技术；精度达0.005的高精密防爆片爆破预制槽精密加工技术及工艺；爆破预制槽压制参数；翻转片结构优化数值模拟及工艺应用可靠性模拟技术；精度达0.005的精密加工技术；新型极柱冷镦加工工艺技术；基于模块化技术的锂电池防爆安全模组全自动化流水线生产绿色制造技术；中间过程全影像检测技术。 3、新型防爆盖帽总体结构 本文设计的新型防爆盖帽结构如图1所示，其中关键是SSD翻转片、防爆片、正负复合极柱的设计及选材。 图1 防爆盖帽总体结构 图2 防爆盖帽实物 4、防爆片设计 防爆片安装于电池模组防爆组件零件顶盖片防爆片安装孔内，如图3(c)所示，防爆片通过激光焊焊接与顶盖片无缝密封联结，其观测面由胶粘于其顶盖片上容器外侧的防爆片加以保护，其容器内侧面由焊接联结于其上的材料为Al1060H14的安全支架加以保护。 图3 防爆片几何设计与安装 5、翻转片设计 翻转片几何设计与安装见图4。图4(a)所示为电池模组SSD翻转片，其特征包括周边规格为Φ17 mm×0.60 mm的基体片、基体片中央开设的Φ15 mm以内的减薄翻转膜片区、中央Φ4 mm减薄应力承受平台。翻转片材质为Al1060，材料状态为O态。减薄翻转膜片区工作时，其翻转工作压力为(0.5×0.15)MPa；在翻转气压下，中央Φ4 mm减薄应力承受平台常态时为0.3 mm，翻转时为1.1 mm；工作气压P大小区间为0.35 MPa<P<1.2 MPa。
图4 翻转片几何设计与安装 翻转片安装于电池模组防爆组件零件顶盖片翻转片安装孔内，通过激光焊焊接与顶盖片无缝密封联结，其观测面由极柱上塑胶片和铆接铝块组合件加以保护，其容器内侧面由极柱下塑胶盖加以稳固和保护。 翻转片周边规格为Φ17 mm×0.60 mm规格的基体片为翻转片与顶盖片连接之用；基体片中央开设的Φ15 mm以内的减薄翻转膜片区设计成中间凸、周边凹的形状，以利于中央部位的翻转顶凸；中央Φ4 mm减薄应力承受平台将翻转变形信号传递给组件中的其他部件。
6 、Cu-Al复合电极设计 6.1 冷挤压结构设计 电池模组采用冷墩式Cu-Al复合电极，如图5所示，其构件包括电极铜板端、电极铝柱端以及两者结合的方式。电极铜板端材料为Cu，T2态；电极铝柱端材料为Al-1060，H14态。电极铜板端、铝柱端结合方式采用铝柱端冷墩墩粗结合方式。对复合电极的要求是：采用氦气检验其气密性，泄露率小于107 Pa×m3/s，铝柱极柱放置于1.2 MPa气压下30 s实验时间后无气体泄露发生。 Cu-Al复合电极设计工作原理如下：将图5(b)中所示的铝柱端、铜板端分别设计成图5(c)中所示的铝柱端、图5(d)中所示的铜板端，通过相应的夹具将铝柱端下端插入图5(d)中所示的铜板端的凹槽内，然后在铝柱端上端施加墩粗力，将二者墩粗铆接为一体，从而构成Cu-T2/Al-1060-H14复合电极。
图5 Cu-Al复合电极几何设计与安装 6.2 焊接式结构
7、结论 本文针对现有锂电池防爆盖帽模组成组技术的不足，设计了一种新型锂电池防爆盖帽模组，对其工作原理进行了阐述，对模组中的关键件防爆片、SSD翻转片、Cu-Al复合电极等给出了具体的设计参数和选材，并给出了关键的性能参数。防爆片设计中，在基体片中第一级降低爆破压力所开设的减薄槽内截面为0.21 mm×60 mm，深0.1 mm，第二级为顶面预留0.08 mm厚度；翻转片在工作气压P大小区间为0.35 MPa<P<1.2 MPa的条件下，中央Φ4 mm减薄应力承受平台常态时为0.3 mm，翻转时为1.1 mm；Cu-Al复合电极的工艺条件是电极铜板端材料为Cu，T2态；电极铝柱端材料为Al-1060，H14态，采用摩擦焊焊接。设计的锂电池防爆盖保护模组结构合理、工作稳定、安全可靠，可为同类结构的锂电池保护设计提供有益的借鉴。 来源：电源技术 |
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