（大连中比动力电池有限公司 辽宁省大连市 116450）
摘要：锂电池具有电压高、重量轻、高能量密度、寿命周期长、无记忆效应等优点，发展出很多储能类产品。而每当锂电池产品出现安全事故时，往往会造成严重的人身伤害以及财产的巨大损失。本文将从锂电池PACK设计端分析载流设计中的一些关键因素，以供参考。
关键词：锂电池PACK；载流能力
引言
锂电池储能产品目前广泛应用于出行、生活电器、数码产品等领域。锂电池在大幅度提高人们生活品质的同时，也存在起火、爆炸的风险，事实证明很多电动车、手机起火爆炸事故都是由锂电池失控引发的，锂电池的热失控是导致锂电池类产品起火爆炸的关键因素。锂电池热失控是指当锂电池输出功率超过电池本身和系统的承载能力时，其温升会超出锂电池的安全工作范围，这时锂电池会出现过度发热以及电解液泄漏，产生有毒气体或爆炸等现象。锂电池PACK产品中的电流过载是导致热失控的主要原因，所以锂电池PACK中的载流设计是锂电池产品安全性能的关键因素。
1.锂电池PACK简介
锂电池PACK通常是指将一定数量的单体电芯串联和并联，以提升电压和容量，并加装具有过充、过放、过流、过温、短路等保护功能的电路板，按尺寸要求组成某一形状，我们称之为PACK。在PACK行业，把组装前不用焊接，能够直接使用的电池叫做电芯，而把焊接保护板，具有控制、保护等功能的成品叫做电池。锂电池PACK包括电芯成块、模块成组、系统连接三大部分，过程如图1所示。
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电芯成块 模块成组 系统连接
图1
2.锂电池PACK电芯成块
锂电池电芯成块是指将单体电芯按照一定的串并联方式，通过电阻焊、激光焊等焊接方式组合成PACK系统中最小单元模块。最小单元模块往往只需要电芯支架、镍片物料，不需要复杂的连接和固定。
电芯成块可以通过二种工艺方式实现，第一种是使用电阻焊等焊接方式，优点是可靠性较好，但电芯不易更换。第二种是通过端板将连接片和电芯正极、负极压紧，但是弹性接触往往会导致接触不良，通常适用于小型储能产品。对于动力电池PACK产品，如新能源汽车电池系统，由于要实现大电流充电和放电功能，必须使用焊接。模块的汇流片通常会选择镍片材质，而不是铜，这是因为铜的晶体结构和不锈钢的差别较大，电芯极片为钢材质，电阻焊不适用于异种材料焊接。焊接方法和焊接工艺的选用，将直接影响电池的成本、质量、安全以及电池的一致性。
汇流片材质在只考虑载流能力的情况下，使用铜镀镍最好，由于不易焊接较少使用。其次是使用纯镍带，名牌手机电池大多数都是使用纯镍带，但是价格偏高，性价比低，不适合大批量使用。最后是镀镍钢带，价格相对便宜，并且对于点焊来说，镀镍钢带也较为容易焊接，也是目前使用最多的材料。
随着电芯容量及放电倍率的增加，单纯靠镍汇流片过载已经越来越勉强，铜具有高导电性能，导电率达77%，是纯镍片的3.3倍，高散热特性，显著降低电池发热，相同时间，相同电流下，较纯镍降低20℃以上，因此铜镍复合片的出现同时解决了镍片载流不足和铜片无法焊接的问题。以18650为代表性的电芯，其极耳一般为不锈钢材质，汇流排铜镍复合汇流排的镍的部分用于和电芯不锈钢外壳电阻焊接，铜的部分用于过流，增强了过流能力。
3.锂电池PACK模块成组
锂电池模组是指将一定数量的最小单元模块通过导线连接或者机械压接的方式组合成能够连接电气件、设计有安装点能够固定到外箱体上，相对较大尺寸、规格的电池组。
模块成组工艺有传统的铜排、导线连接方式和压接过流方式等。传统工艺使用铜排、导线串联如图2所示，模块之间通过导线和铜排实现点对点的载流连接，通常只适用于小型储能产品。而对于需要大电流充放电的大型储能系统，如新能源汽车电池包，则需要模块的汇流片实现面对面的压接。如图3所示，模组采用3个穿孔位，利用M8螺杆和螺母进行穿杆紧固，采用此方式电流走向路径最短，减少了整体系统的电阻，而且相对于传统铜排连接有组装和拆卸便捷，节省工时，提高效率等优点。压接工艺既满足强度及过流要求等，也易于其他方面的设计，如布线、高压器件的布置等，能够降低成本，节省空间。压接模组设计相对简单化，易于安装固定在箱体上，电池包整体布置美观。
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图2
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图3
4.锂电池PACK系统连接
锂电池PACK系统连接是指电池模组与保险、分流器、继电器、保护板或者BMS等电气元件连接。锂电池PACK电气连接时，通常使用铜导线和硬、软铜排来作为过电流的载体，当铜导线过粗不容易折弯时，这时考虑使用铜排，因为铜具有电阻小、电导率高、可加工性、抗氧化等等一系列优点，并且铜资源很丰富，比较经济，适宜在锂电池PACK产品大批量使用。
通常，锂电池PACK中导体的选择主要是指载流量的设计，也就是电流大小。由焦耳定律可知，导线的自身发热量和电流成正比关系，电流过大导线会严重发热引起火灾。所以，通过越高的电流，这时就需要电阻越小的导体，而电阻的大小与导线的截面成反比关系，即导线截面越大，阻抗越小，能够通过的电流也就越大，根据大量试验总结得出，通常铜导线应该按5-8A/mm²来进行设计。
5.锂电池PACK短路保护
锂电池储存的能量很高，短路的瞬间，会释放大量的热，极易引发安全事故。为了降低短路出现的可能性，往往需要在PACK主回路中增加熔断器或者空气开关，当外部发生短路时，熔断器会熔断保护，从而避免事故的发生。
熔断器是指当通过其自身的电流值超过设计值时，产生的热量使熔断器内的熔体熔化，其特殊设计可以熄灭电弧，进而将电路安全断开的一种保护型装置。熔断器通常是串联在主回路中，它在电路中出现过电流、过热等异常工况时，会在很短的时间内切断主回路，防止异常现象进一步扩大，避免发生安全事故。
空气开关是短路保护的另一种关键电气件，其优点是可以重复使用，不像熔断器属于损耗品。空气开关在低压电动自行车电池中应用比较多，主要对电动车电路中发生的短路、严重过载进行保护，可及时切断回路避免引起更严重后果。在电动车需要检修或者更换电池时，断开空气开关，也能够保护人身安全。空气开关选型时，其额定电压要大于等于工况电压，额定电流值要大于等于电动机的启动电流值，通常根据控制器、电机的实际功率综合进行选择，通常在40A左右。
结束语
锂电池安全的最关键因素是“热失控”，锂电池对环境温度比较敏感，当锂电池的工作温度长期超过60℃或者更高时，就很有可能会发生爆炸。过流、短路是引发动力电池热失控的关键因素之一，这其中锂电池PACK过载能力的设计尤为关键，应尽量减少连接内阻和降低温升，所以载流能力设计的好坏直接决定了电池产品是否安全。
参考文献：
[1]王芳、夏军.电动汽车动力电池系统设计与制造技术[M].科学出版社：北京，2017：95.
[2]黄可龙.锂离子电池原理与关键技术[M].化学工业出版社：北京，2008：45.