动力电池系统内模组汇流排可靠性浅析

doi:10.19799/j.cnki.2095-4239.2024.0026

摘要/Abstract

摘要：

近年来，随着全球环保意识的不断提升，新能源汽车逐渐成为全球汽车产业发展的重要方向，动力电池作为新能源汽车的核心设备，其安全性成为电动汽车发展的关键。行业内针对动力电池系统的热特性开展了大量研究，这些研究大多数只考虑整个动力电池包或者电池模组层面的研究。然而，在动力电池Pack结构设计中，汇流排作为连接的关键零件，其热性能也至关重要。本文以方形动力电池系统内模组研发为基础，论述了电池系统内汇流排的结构设计、强度分析、散热分析方法，同时浅析了过程参数可靠性设置以及产品使用可靠性的验证。希望文中论述的基本过程和基本方法能为电池系统的研发提供一些借鉴。

关键词: 汇流排, 焊接, 温升, 可靠性, 电池系统

Abstract:

With the continuous implementation of several global environmental awareness initiatives in recent years, new energy vehicles have gradually emerged as crucial areas of development within the global automobile industry. Furthermore, ensuring the safe operations of power batteries, which represent the core components of new energy vehicles, has become critical for the development of electric vehicles. Accordingly, numerous studies have investigated the thermal characteristics of power battery systems, primarily focusing on the power battery pack or battery module. However, when designing power battery pack structures, ensuring the thermal performance of busbars, which are critical connecting components, is also crucial. Motivated by this, the current study focuses on the development of modules within square power battery systems, considering the structural designs, strength analyses, and heat dissipation evaluations of busbars in such battery systems. Furthermore, it examines the reliability settings of process parameters and verifications of product reliability. Overall, the findings of the study are anticipated to guide the development of battery systems.

Key words: busbar, welding, temperature rise, reliability, battery systems

中图分类号:

TM 911

赵晓军, 王颖超, 陈猛, 杨鹏, 安占旺, 刘建利, 吴迪. 动力电池系统内模组汇流排可靠性浅析[J]. 储能科学与技术, 2024, 13(7): 2450-2458.

Xiaojun ZHAO, Yingchao WANG, Meng CHEN, Peng YANG, Zhanwang AN, Jianli LIU, Di WU. Reliability analysis of the module busbars of power battery systems[J]. Energy Storage Science and Technology, 2024, 13(7): 2450-2458.

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图23

参考文献 12

1	王芳, 夏军. 电动汽车动力电池系统安全分析与设计[M]. 北京: 科学出版社, 2016.
	WANG F, XIA J. Safety analysis and design of battery pack for electric vehicle[M]. Beijing: Science Press, 2016.
2	国务院办公厅.新能源汽车产业发展规划(2021—2035年)[Z/OL]. (2020-10)[2022-01-05]. https://www.beijing.gov.cn/zhengce/zhengcefagui/202011/t20201102_2127304.html.
	General Office of the State Council. Development Plan for the New Energy Vehicle Industry (2021-2035)[Z/OL]. (2020-10)[2022-01-05]. https://www.beijing.gov.cn/zhengce/zhengcefagui/202011/t20201102_2127304.html.
3	张万良, 王明春, 夏梓朔. 锂电池汇流排温度分布与载流能力的关系研究[J]. 中国汽车, 2021, 31(7): 17-21.
	ZHANG W L, WANG M C, XIA Z S. A study on the relationship between temperature distribution of lithium battery busbar and current-carrying capacity[J]. China Auto, 2021, 31(7): 17-21.
4	彭宇明, 袁明晓, 敬卓鑫, 等. 汇流排产热影响下的电池模组冷却系统改进设计[J]. 汽车工程, 2022, 44(6): 859-867.
	PENG Y M, YUAN M X, JING Z X, et al. Improved design of battery module cooling system under the influence of busbar heat generation[J]. Automotive Engineering, 2022, 44(6): 859-867.
5	王志宝, 寻千秋, 吕霞. 新能源汽车动力电池组汇流排热仿真研究[J]. 中国汽车, 2023, 33(3): 47-52.
	WANG Z B, XUN Q Q, LV X. Thermal simulation of busbar for electric vehicle batteries[J]. China Auto, 2023, 33(3): 47-52.
6	敬卓鑫, 彭宇明, 黄港, 等. 快充条件下考虑汇流排生热的电池模组热管理研究[J]. 制冷与空调(四川), 2023, 37(4): 503-511, 525.
	JING Z X, PENG Y M, HUANG G, et al. Study on thermal management of battery module considering heat generation from busbars under fast charging conditions[J]. Refrigeration & Air Conditioning, 2023, 37(4): 503-511, 525.
7	MYPATI O, ANWAAR T, MITRA D, et al. Characterization and modelling of Al and Cu busbar during charging and discharging of Li-ion battery for electric vehicles[J]. Applied Thermal Engineering, 2023, 218: 119239.
8	MYPATI O, SAHU S, PAL S K, et al. An investigation of mechanical and electrical properties of friction stir welded Al and Cu busbar for battery pack applications[J]. Materials Chemistry and Physics, 2022, 287: 126373.
9	SCHULTE-HUXEL H, BLANKEMEYER S, MERKLE A, et al. Interconnection of busbar-free back contacted solar cells by laser welding[J]. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 2015, 23(8): 1057-1065.
10	ALVES A, DE C M, SAUSEN P S, et al. Thermal model for copper busbar and electrical connections for controlgear design[J]. Journal of Control, Automation and Electrical Systems, 2022, 33(2): 710-717.
11	王芳, 夏军. 电动汽车动力电池系统设计与制造技术[M]. 北京: 科学出版社, 2017.
	WANG F, XIA J. Design and manufacturing technology of battery pack for electric vehicle[M]. Beijing: Science Press, 2017.
12	崔俊芝. 计算机辅助工程(CAE)的现在和未来[J]. 计算机辅助设计与制造, 2000(6): 3-7.

标准序	运行序	功率/W	速度/(mm/s)
13	1	5000	60
4	2	3500	60
1	3	3000	60
10	4	4500	60
12	5	4500	120
2	6	3000	90
5	7	3500	90
11	8	4500	90
8	9	4000	90
9	10	4000	120
3	11	3000	120
14	12	5000	90
7	13	4000	60
6	14	3500	120
15	15	5000	120

试验序号	功率/W	速度/(mm/s)	熔深/mm	熔宽/mm
1	5000	60	2	1.59
2	3500	60	0.78	1.28
3	3000	60	0.377	1.18
4	4500	60	1.63	1.63
5	4500	120	0.8	1.34
6	3000	90	0.35	0.82
7	3500	90	0.39	0.89
8	4500	90	1.29	1.39
9	4000	90	0.78	1.16
10	4000	120	0.42	1.05
11	3000	120	0.34	0.7
12	5000	90	1.66	1.47
13	4000	60	1.43	1.65
14	3500	120	0.37	0.91
15	5000	120	1.18	1.29

试验序号	功率/W	速度/(mm/s)	熔深/mm	熔宽/mm
1	5000	60	2	1.59
2	3500	60	0.78	1.28
3	3000	60	0.377	1.18
4	4500	60	1.63	1.63
5	4500	120	0.8	1.34
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9	4000	90	0.78	1.16
10	4000	120	0.42	1.05
11	3000	120	0.34	0.7
12	5000	90	1.66	1.47
13	4000	60	1.43	1.65
14	3500	120	0.37	0.91
15	5000	120	1.18	1.29

[1]	孛衍君, 薛新杰, 王化宁, 赵长颖. 基于相变堆积床的卡诺电池系统设计与实验研究[J]. 储能科学与技术, 2023, 12(9): 2823-2832.
[2]	宗磊, 陈龙, 朱峰, 刘国刚, 孙亚青, 董海书. 多场景下动力电池安全特征参数的阈值测试与分析[J]. 储能科学与技术, 2023, 12(7): 2271-2281.
[3]	李放, 闵永军, 张涌. 基于大数据的动力锂电池可靠性关键技术研究综述[J]. 储能科学与技术, 2023, 12(6): 1981-1994.
[4]	侯美倩, 牛启帆, 邢洁, 单英浩. 计及可靠性的含源配电网储能系统的优化配置[J]. 储能科学与技术, 2023, 12(2): 504-514.
[5]	闵凡奇, 吕桃林, 付诗意, 张立恒, 党国举, 晏莉琴, 解晶莹, 高云智. 锂离子电容器的热特性及热模型[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(8): 2629-2636.
[6]	陈龙, 夏权, 任羿, 曹高萍, 邱景义, 张浩. 多物理场耦合下锂离子电池组可靠性研究现状与展望[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(7): 2316-2323.
[7]	王洋, 张宇新, 卢旭, 刘龙. 基于锂离子嵌入模型的NCM811电池性能[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(12): 3748-3758.
[8]	刘岩, 肖纯, 伍炜, 王雯静, 万昱. 液冷式锂离子电池组可靠性分析及优化设计[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(11): 3566-3573.
[9]	王翔, 徐晶, 陈新文, 丁亚军, 徐鑫. 基于VCHTC的锂电池热力学精细化仿真[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(1): 246-252.
[10]	李夔宁, 谢运成, 谢翌, 白庆华, 郑锦涛. 基于电化学热耦合模型的富镍锂离子电池产热分析[J]. 储能科学与技术, 2021, 10(3): 1153-1162.
[11]	樊彬, 姜成龙, 林春景, 李玉鹏, 余八一, 张晋杰, 张良, 高孟洋, 王伟, 解坤, 常宏. 电动汽车用动力电池系统循环寿命试验[J]. 储能科学与技术, 2021, 10(2): 671-678.
[12]	张志鸿, 牟俊彦, 孟玉发. 风冷圆柱形锂离子电池系统热失控扩展特性[J]. 储能科学与技术, 2021, 10(2): 658-663.
[13]	王莉, 谢乐琼, 田光宇, 何向明. 锂离子电池安全事故：安全性问题，还是可靠性问题[J]. 储能科学与技术, 2021, 10(1): 1-6.
[14]	沈剑, 黄碧雄, 谢兆康, 李嘉寅, 刘宁宁, 贾志强. FSEC赛车动力电池箱内部结构布置与优化设计[J]. 储能科学与技术, 2020, 9(S1): 31-38.
[15]	翟俊香, 何广利, 许壮, 刘聪敏. 空冷型质子交换膜燃料电池系统效率的实验研究[J]. 储能科学与技术, 2020, 9(6): 1885-1889.