電池模組內(nèi)的溫度傳感器的設(shè)計(jì)研究

作者　 陸珂?zhèn)?上海汽車捷能技術(shù)有限公司(上海 201300)

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

摘要：電動(dòng)汽車的發(fā)展對(duì)電池模組的熱管理提出了更高的設(shè)計(jì)要求，尤其是需要解決對(duì)電池的溫度準(zhǔn)確的采集。在原有早期的設(shè)計(jì)中，原有設(shè)計(jì)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圓線進(jìn)行導(dǎo)出。隨著工藝需求的改進(jìn)，在模組內(nèi)采用柔性線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(xiàn)失效問題，然后提出了一種采用表貼NTC熱敏電阻在柔性線路板，并采用多余的銅片通過熱傳導(dǎo)的方法，并用激光點(diǎn)焊的方式實(shí)現(xiàn)此方案的較好處理。實(shí)際方案應(yīng)用在多個(gè)車型上，經(jīng)受了實(shí)際應(yīng)用的的檢驗(yàn)。

0 引言

　　隨著中國新能源汽車的發(fā)展，PHEV/EV的電池系統(tǒng)的需求快速上升，其生產(chǎn)規(guī)模也快速達(dá)到了萬臺(tái)的規(guī)模。電池壽命是電池系統(tǒng)的核心考核因素，而電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)是其中最為核心子系統(tǒng)，在電池的整個(gè)生命周期內(nèi)，熱管理系統(tǒng)可將動(dòng)力電池控制在最佳工作溫度范圍內(nèi)，提升電池壽命，對(duì)提高整車性能有很大的影響。

　　本文針對(duì)熱管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)，電芯和電池模組母線排溫度的采集的設(shè)計(jì)方法入手，根據(jù)早前的設(shè)計(jì)，原有設(shè)計(jì)采用金屬夾固定溫度傳感器，然后采用氬弧焊接后通過圓線導(dǎo)出。隨著工藝需求的改進(jìn)，在模組內(nèi)采用柔性線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(xiàn)了出現(xiàn)失效問題，然后提出了一種采用表貼NTC熱敏電阻在柔性線路板，采用多余的銅片通過熱傳導(dǎo)的方法，并用激光點(diǎn)焊的方式實(shí)現(xiàn)此方案的較好處理。本文通過對(duì)比外加溫度傳感器和實(shí)際的溫度差異，整個(gè)連接的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的驗(yàn)證作為基準(zhǔn)，并將實(shí)際方案應(yīng)用在多個(gè)車型上，經(jīng)受了實(shí)際應(yīng)用的的檢驗(yàn)。

1 電池溫度采集點(diǎn)的原理

　　把鋰電池應(yīng)用到車用動(dòng)力驅(qū)動(dòng)單元里面，核心的問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，通過合理的模組設(shè)計(jì)，可以通過有限的幾個(gè)采樣點(diǎn)來得到整個(gè)模組內(nèi)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(xiàn)異常情況下，電芯的溫度會(huì)出現(xiàn)較大的溫差。因此在模組內(nèi)布置需要考慮電芯的溫度采集和母線排的溫度情況，通過3~4個(gè)采集點(diǎn)來監(jiān)控整個(gè)模組的溫度，通過電池管理單元采集溫度數(shù)據(jù)后推算出整個(gè)模組的溫度情況。所以一個(gè)車用的動(dòng)力電池系統(tǒng)，需要采用大量的溫度傳感器，通常電動(dòng)汽車需要有幾十個(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(yīng)和自加熱誤差。通過對(duì)于溫度傳感器的篩選，一般采用負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻來實(shí)現(xiàn)對(duì)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，這是直接采用樹脂的方式封裝好以后的產(chǎn)品，通過圓線導(dǎo)出;然后通過連線連接到電池管理單元之后獲取溫度。

　　在之前的設(shè)計(jì)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)金屬夾子來包裹容納NTC熱敏電阻，采用良好的導(dǎo)熱膠固定之后，可以把母線排上的溫度準(zhǔn)確的采集出來。

2 電池模組工藝的改進(jìn)和柔性線路板的采用

　　隨著電池模組的工藝改進(jìn)，越來越多的模組采樣線開始采用柔性線路板。柔性電路板，是用柔性的絕緣基材制成的印刷電路。近年來軟式電路結(jié)構(gòu)明顯地重要，相比于原有的圓線采樣線，軟式結(jié)構(gòu)有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

　　● 柔性線路板的輕量化：在體積和重量上面，F(xiàn)PC占有很大的優(yōu)勢(shì)，相比之前的設(shè)計(jì)減少了重量;

　　● 柔性線路板的安全性和可靠性：在裝配和容錯(cuò)這里，可以避免很多線束設(shè)計(jì)中由于手工出現(xiàn)的差錯(cuò)，相比較圓銅線，柔性線路板上可以設(shè)計(jì)板載的保險(xiǎn)絲或者采用細(xì)的線徑來實(shí)現(xiàn)采樣線的短路保護(hù);

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

　　因此在電池模組導(dǎo)入柔性線路板作為采集線束以后，如何把溫度傳感器和柔性線路板連接起來成了一個(gè)需要解決的問題。通過方案對(duì)比，找到了以下集中方案：

　　1.原有方案：無法采用，由于原有方案取消了中間連接的母線排，使得原有金屬夾子無法通過焊接固定，此方案無法繼續(xù)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排上，這種方法是建立在第一種原有方法的集成方案，通過把金屬殼體提早與NTC熱敏電阻連接，然后再通過焊接處理的辦法來改進(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路板上表貼，然后封膠處理之后背面。

　　對(duì)比兩種方法后，考慮到第二種方法需要沿用之前的圓線，使得圓線和柔性線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。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，通過底部粘接高導(dǎo)熱的粘接膠可以很好地把溫度的數(shù)據(jù)快速地反應(yīng)出來，溫度的熱容比較小，能夠快速反應(yīng)溫度的變化情況。

　　在實(shí)際使用過程中，發(fā)現(xiàn)以下問題：柔性線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排粘牢。NTC內(nèi)部的基材陶瓷屬于易碎材料，在過程處理中不能施加過大壓力，可能會(huì)造成斷線、短路或引線涂層斷裂，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(dǎo)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。

　　在通過不同的方法之后，我們?cè)谠械幕A(chǔ)上把柔性線路板的一端進(jìn)行延展，然后將多余出來的銅片設(shè)計(jì)成焊盤，直接利用激光焊接在母線排上。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(dá)到焊接目的的技術(shù)。通過焊接的方法代替粘膠來把柔性線路板固定在母線排上，而且使用金屬直接傳熱來進(jìn)一步減小熱容。

　　通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，溫度的溫升結(jié)果比較均一化，傳熱的效果滿足設(shè)計(jì)的預(yù)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(qiáng)度上，做了以下的測(cè)試。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，連接的喇叭里要超過60 N。對(duì)多個(gè)激光焊接強(qiáng)度控制的實(shí)驗(yàn)后確認(rèn)：在1個(gè)焊點(diǎn)狀態(tài)良好且焊接狀態(tài)穩(wěn)定的情況下，焊接強(qiáng)度可以滿足對(duì)連接狀態(tài)的需求;為了避免焊接不穩(wěn)定出現(xiàn)虛焊情況的產(chǎn)生，焊點(diǎn)應(yīng)不少于3個(gè)，振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)對(duì)此性能影響較小。并通過壓降法測(cè)試，可以確認(rèn)整個(gè)焊接的可靠性，這樣可以解決之前的粘膠穩(wěn)定性的檢測(cè)問題，這個(gè)方法很好地解決了對(duì)傳感器產(chǎn)生損害的問題根源。

　　從總體來說，這種設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了模組新的設(shè)計(jì)，在柔性線路板上實(shí)現(xiàn)了較低的成本，并在工藝方面簡化的加工步驟，使得手動(dòng)涂膠過程改成了自動(dòng)激光電焊，改進(jìn)了工時(shí)。通過工藝改進(jìn)節(jié)約了膠水的成本，通過金屬直接傳導(dǎo)和激光焊接，使得NTC的感溫過程更準(zhǔn)確。通過對(duì)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(xiàn)了對(duì)NTC接觸的可靠性全檢，提高了電池管理溫度的基礎(chǔ)的穩(wěn)固性。

3 結(jié)論

　　本文提出了一種在電池模組內(nèi)溫度傳感器的處理研究，解決了應(yīng)用柔性線路板作為電池模組內(nèi)的連接線路后溫度傳感器如何布置和設(shè)計(jì)的問題，取得了較好的設(shè)計(jì)效果。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]S Butt,J Hostler,M Ijaz,etc.Flexible voltage nested battery module design United States Patent 8475954[EP].2010.

　　[2]唐曉暉,李廣湘.NTC溫度傳感器失效的實(shí)驗(yàn)分析[J].中國家用電器技術(shù)大會(huì),2010.

　　[3]王利萍.NTC溫度傳感器端子膠座脫落失效分析[J].中國科技博覽,2010,18.

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