電池模組內的溫度傳感器的設計研究

作者　 陸珂偉 上海汽車(chē)捷能技術(shù)有限公司(上海 201300)

　　陸珂偉(1973-)，男，上海汽車(chē)捷能技術(shù)有限公司電池部總監，研究方向：電池系統。

摘要：電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展對電池模組的熱管理提出了更高的設計要求，尤其是需要解決對電池的溫度準確的采集。在原有早期的設計中，原有設計采用了金屬夾子，把溫度傳感器進(jìn)行固定，然后采用氬弧焊接后通過(guò)圓線(xiàn)進(jìn)行導出。隨著(zhù)工藝需求的改進(jìn)，在模組內采用柔性線(xiàn)路板采集電池電壓以后，如何處理溫度傳感器成了一個(gè)新的課題。這里首先采用了一種粘接處理的辦法，在實(shí)踐中工藝上出現失效問(wèn)題，然后提出了一種采用表貼NTC熱敏電阻在柔性線(xiàn)路板，并采用多余的銅片通過(guò)熱傳導的方法，并用激光點(diǎn)焊的方式實(shí)現此方案的較好處理。實(shí)際方案應用在多個(gè)車(chē)型上，經(jīng)受了實(shí)際應用的的檢驗。

0 引言

　　隨著(zhù)中國新能源汽車(chē)的發(fā)展，PHEV/EV的電池系統的需求快速上升，其生產(chǎn)規模也快速達到了萬(wàn)臺的規模。電池壽命是電池系統的核心考核因素，而電池熱管理系統是其中最為核心子系統，在電池的整個(gè)生命周期內，熱管理系統可將動(dòng)力電池控制在最佳工作溫度范圍內，提升電池壽命，對提高整車(chē)性能有很大的影響。

　　本文針對熱管理系統的基礎，電芯和電池模組母線(xiàn)排溫度的采集的設計方法入手，根據早前的設計，原有設計采用金屬夾固定溫度傳感器，然后采用氬弧焊接后通過(guò)圓線(xiàn)導出。隨著(zhù)工藝需求的改進(jìn)，在模組內采用柔性線(xiàn)路板采集電池電壓以后，如何處理溫度傳感器成了一個(gè)新的課題。這里首先采用了一種粘接處理的辦法，在實(shí)踐中出現了出現失效問(wèn)題，然后提出了一種采用表貼NTC熱敏電阻在柔性線(xiàn)路板，采用多余的銅片通過(guò)熱傳導的方法，并用激光點(diǎn)焊的方式實(shí)現此方案的較好處理。本文通過(guò)對比外加溫度傳感器和實(shí)際的溫度差異，整個(gè)連接的結構強度的驗證作為基準，并將實(shí)際方案應用在多個(gè)車(chē)型上，經(jīng)受了實(shí)際應用的的檢驗。

1 電池溫度采集點(diǎn)的原理

　　把鋰電池應用到車(chē)用動(dòng)力驅動(dòng)單元里面，核心的問(wèn)題是要知道鋰電池單體本身的溫度。電池模組主要由多片電芯所組成，通過(guò)合理的模組設計，可以通過(guò)有限的幾個(gè)采樣點(diǎn)來(lái)得到整個(gè)模組內電芯的溫度。正常工作的時(shí)候，電芯的溫度是均勻的，而在電池出現異常情況下，電芯的溫度會(huì )出現較大的溫差。因此在模組內布置需要考慮電芯的溫度采集和母線(xiàn)排的溫度情況，通過(guò)3~4個(gè)采集點(diǎn)來(lái)監控整個(gè)模組的溫度，通過(guò)電池管理單元采集溫度數據后推算出整個(gè)模組的溫度情況。所以一個(gè)車(chē)用的動(dòng)力電池系統，需要采用大量的溫度傳感器，通常電動(dòng)汽車(chē)需要有幾十個(gè)，所以我們要全面考慮溫度傳感器的成本、精度、溫度范圍、快速熱響應和自加熱誤差。通過(guò)對于溫度傳感器的篩選，一般采用負溫度系數(NTC)熱敏電阻來(lái)實(shí)現對溫度的采集。其中最通用的是如下圖1所示的珠型NTC傳感器，這是直接采用樹(shù)脂的方式封裝好以后的產(chǎn)品，通過(guò)圓線(xiàn)導出;然后通過(guò)連線(xiàn)連接到電池管理單元之后獲取溫度。

　　在之前的設計中，采用了一個(gè)特殊的金屬夾固定溫度傳感器，再用氬弧焊焊接進(jìn)行固定。這種方法是在早期的試制過(guò)程中采用的。如圖1所示，想要直接獲取電芯的溫度，把電芯粘在電芯上面是比較困難的。因此考慮采用一個(gè)金屬夾子來(lái)包裹容納NTC熱敏電阻，采用良好的導熱膠固定之后，可以把母線(xiàn)排上的溫度準確的采集出來(lái)。

2 電池模組工藝的改進(jìn)和柔性線(xiàn)路板的采用

　　隨著(zhù)電池模組的工藝改進(jìn)，越來(lái)越多的模組采樣線(xiàn)開(kāi)始采用柔性線(xiàn)路板。柔性電路板，是用柔性的絕緣基材制成的印刷電路。近年來(lái)軟式電路結構明顯地重要，相比于原有的圓線(xiàn)采樣線(xiàn)，軟式結構有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

　　● 柔性線(xiàn)路板的輕量化：在體積和重量上面，FPC占有很大的優(yōu)勢，相比之前的設計減少了重量;

　　● 柔性線(xiàn)路板的安全性和可靠性：在裝配和容錯這里，可以避免很多線(xiàn)束設計中由于手工出現的差錯，相比較圓銅線(xiàn)，柔性線(xiàn)路板上可以設計板載的保險絲或者采用細的線(xiàn)徑來(lái)實(shí)現采樣線(xiàn)的短路保護;

　　● 成本和工藝改進(jìn)：從成本來(lái)看，柔性線(xiàn)路板本身的成本并不高，采用了柔性線(xiàn)路板以后可以實(shí)現不同的工藝方法可以實(shí)現較高的工藝自動(dòng)化。

　　因此在電池模組導入柔性線(xiàn)路板作為采集線(xiàn)束以后，如何把溫度傳感器和柔性線(xiàn)路板連接起來(lái)成了一個(gè)需要解決的問(wèn)題。通過(guò)方案對比，找到了以下集中方案：

　　1.原有方案：無(wú)法采用，由于原有方案取消了中間連接的母線(xiàn)排，使得原有金屬夾子無(wú)法通過(guò)焊接固定，此方案無(wú)法繼續使用;

　　2.采用NTC熱敏電阻外圍金屬殼體，采用超聲波焊接之后固定在母線(xiàn)排上，這種方法是建立在第一種原有方法的集成方案，通過(guò)把金屬殼體提早與NTC熱敏電阻連接，然后再通過(guò)焊接處理的辦法來(lái)改進(jìn)工藝加快生產(chǎn)速度;

　　3.采用表貼的NTC溫度傳感器在柔性線(xiàn)路板上表貼，然后封膠處理之后背面。

　　對比兩種方法后，考慮到第二種方法需要沿用之前的圓線(xiàn)，使得圓線(xiàn)和柔性線(xiàn)路板之間還要有一次額外的連接，因此選擇了第三種方法進(jìn)行操作。通過(guò)實(shí)驗驗證發(fā)現，通過(guò)底部粘接高導熱的粘接膠可以很好地把溫度的數據快速地反應出來(lái)，溫度的熱容比較小，能夠快速反應溫度的變化情況。

　　在實(shí)際使用過(guò)程中，發(fā)現以下問(wèn)題：柔性線(xiàn)路板溫度傳感器往上翹起，涂膠困難，實(shí)際在生產(chǎn)中往往需要施加一定的力讓傳感器可以與母線(xiàn)排粘牢。NTC內部的基材陶瓷屬于易碎材料，在過(guò)程處理中不能施加過(guò)大壓力，可能會(huì )造成斷線(xiàn)、短路或引線(xiàn)涂層斷裂，這就引起了部分產(chǎn)品的失效。另一方面，粘接膠的拉力在某些情況下也會(huì )導致水分容易侵入，造成NTC熱敏電阻的失效這讓這種方法實(shí)踐中遇到了很大的困難。

　　在通過(guò)不同的方法之后，我們在原有的基礎上把柔性線(xiàn)路板的一端進(jìn)行延展，然后將多余出來(lái)的銅片設計成焊盤(pán)，直接利用激光焊接在母線(xiàn)排上。激光焊接技術(shù)屬于熔融焊接，以激光束為能源，使其沖擊在焊件接頭上以達到焊接目的的技術(shù)。通過(guò)焊接的方法代替粘膠來(lái)把柔性線(xiàn)路板固定在母線(xiàn)排上，而且使用金屬直接傳熱來(lái)進(jìn)一步減小熱容。

　　通過(guò)測試發(fā)現，溫度的溫升結果比較均一化，傳熱的效果滿(mǎn)足設計的預期。

　　在焊接點(diǎn)的控制上，也做了一些考慮，在選用幾個(gè)點(diǎn)符合足夠的強度上，做了以下的測試。根據設計要求，連接的喇叭里要超過(guò)60 N。對多個(gè)激光焊接強度控制的實(shí)驗后確認：在1個(gè)焊點(diǎn)狀態(tài)良好且焊接狀態(tài)穩定的情況下，焊接強度可以滿(mǎn)足對連接狀態(tài)的需求;為了避免焊接不穩定出現虛焊情況的產(chǎn)生，焊點(diǎn)應不少于3個(gè)，振動(dòng)和沖擊試驗對此性能影響較小。并通過(guò)壓降法測試，可以確認整個(gè)焊接的可靠性，這樣可以解決之前的粘膠穩定性的檢測問(wèn)題，這個(gè)方法很好地解決了對傳感器產(chǎn)生損害的問(wèn)題根源。

　　從總體來(lái)說(shuō)，這種設計實(shí)現了模組新的設計，在柔性線(xiàn)路板上實(shí)現了較低的成本，并在工藝方面簡(jiǎn)化的加工步驟，使得手動(dòng)涂膠過(guò)程改成了自動(dòng)激光電焊，改進(jìn)了工時(shí)。通過(guò)工藝改進(jìn)節約了膠水的成本，通過(guò)金屬直接傳導和激光焊接，使得NTC的感溫過(guò)程更準確。通過(guò)對焊接點(diǎn)進(jìn)行100%全檢，保證了焊接的質(zhì)量和溫度采集的有效性，并實(shí)現了對NTC接觸的可靠性全檢，提高了電池管理溫度的基礎的穩固性。

3 結論

　　本文提出了一種在電池模組內溫度傳感器的處理研究，解決了應用柔性線(xiàn)路板作為電池模組內的連接線(xiàn)路后溫度傳感器如何布置和設計的問(wèn)題，取得了較好的設計效果。

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　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第8期第46頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。