由市场开发经理 Olivier Mathieu 发表
先进电子解决方案
我最近在密歇根州诺维市参加了一场美国国际电池展览会，并在展览会上就电动汽车（EV）中电池的连接发表了一场演讲。对于未能与会的各位，我将在此进行一个简短的总结，并简要阐述我的观点。
用母线排为电动汽车/混合动力汽车（HEV）提供动力
电动汽车和混合动力汽车依赖于强劲的电机驱动、大容量电池包、功率逆变器以及从充电电源到电池乃至整个汽车的高效配电。母线排连接作为关键部件，构成收集和分配电流的导电系统，为汽车的各种子系统提供有效的配电。许多不同类型的连接，如电线、电缆和母线排等，在市场上都可以买到。因此，确定适合电动汽车/混合动力汽车应用的最佳匹配方案，其实就是了解不同需求以及各种电力连接会如何以最佳方式满足这些需求。
单体电池以及完整的电池包连接是电动汽车/混合动力汽车电池设计中的必要环节，这部分设计不仅要提供热稳定性，还要保证电气性能，并提供电气保护。目前，汽车电池包通常由大量单体电池组成，有时甚至有上千块单体电池。这些单体电池必须通过可靠的机械与电气连接组装在一起。
在运行过程中，当电池因车辆移动的振动等原因稍微偏离原来的位置时，传统的电池连接（用电线、焊条或接线片焊接）很容易出现故障。这就是为什么新的采用不同母线排解决方案的互连技术被用来解决面临的问题和挑战，特别是圆柱型电池。
电气性能上，连接母线排要承受电池的大电流以及不断升高的电压等级，未来单体电池的电压会达到5.0V。因此，电气绝缘方面，电气间隙和爬电距离的影响将变得至关重要。
机械性能上，用于电动汽车/混合动力汽车电池包的母线排必须经久耐用，在能够承受高强度振动的同时，提供刚性性能保证电池模组的完好，并且又能保持足够的灵活性，从而适应弹力、热力和重力的作用。
连接性能还取决于构成母线排的复合材料。They employ either copper or aluminum conductors in various thicknesses: standard thicknesses from 0.5 to 2.5 mm for copper and from 1.0 to 2.0 mm for aluminum for the battery cells. 鉴于电池模组（指单体电池组合阵列）自身更高的载流要求，用于其连接的母线排需要更厚。与铝相比，铜拥有更优秀的热特性：铜和铝的热导率分别为401 W/mK和237 W/mK，而两者的热膨胀系数分别为16.5 ppm/K和23.1 ppm/K。
铝母线排对单体电池连接具有吸引力的原因是在提供可靠的电学性能的同时，能降低电池包的整体重量，因为铝母线排通常比铜母线排要轻一半。但是，在相同的电气/热性能条件下，铝导体的横截面为2mm，而铜导体仅为1mm。铜母线排在狭小空间中是优秀的解决方案，而铝母线排则能够在降低重量的同时保证高效配电。铝的成本也比铜要低。
下一个挑战便是热管理，母线排选择得当有助于热管理，特别是在圆柱型电池连接这种母线排需要连接上百个单体电池才能形成一个完整模组的情况。对于圆柱形电池，可以从顶部或底部或只从顶部连接正负极。采用顶部和底部连接的缺点在于，它可能会使基于空气或基于液体冷却剂的冷却系统（用于带走电池工作时产生的热量）无法有效运作。这也是为什么一些汽车制造商只选择单体电池顶部连接的原因，即使母线排会更加复杂。在这种情况下，母线排由两个导体组成（通常镀锡或镍以避免氧化），导体间由绝缘膜分隔。同样，母线排表面也覆有这种薄膜，最终将母线排密封/层压为一个整体。
另外，就是电池和母线排之间的连接。降低接触电阻至关重要，其目的是为了降低电气损耗，进而减少母线排接点产生的热量。在某些情况下，用于提高连接可靠性的焊接也会导致电气损耗和发热。为了减小接触电阻，建议采用激光焊接将单体电池焊到母线排上，以组装用于EV/HEV的大型高功率电池包。激光焊接也可以作为自动化装配流程的一部分，以减少大批量生产中的制造成本。
总的来说，母线排形式取决于电池包中使用的单体电池的类型。圆柱型电池的母线排通常由大块扁平的独立导体或层压成一体结构且无额外部件装于其上的导体组成。部分用于方形电池的复杂母线排，如ROLINX® Hybrid母线排，采用混合形式，不仅可以提供电力，而且可以将来自电流或温度传感器的采样信号传输到电动汽车/混合动力汽车电池包中的电池管理系统（BMS）。
方形电池也可采用非常简单的母线排设计，其中每个单体电池的连接主要通过机械接头来执行，例如插入集成外壳的带有极耳的螺栓连接解决方案。母线排以级联的方式将单体电池组合起来，并集成了大量用于电池管理系统（BMS）的小型接线片和电线。
软包电池的机械连接有没有母线排都可以实现。一些电池制造商也采用复杂母线排，将电气连接片/小母线排与BMS和外壳的线缆结合到一起。这一解决方案需要非常精确地定位母线排和电池，有时很难实现。这也是为什么大部分设计都选择去掉母线排，转而采用包含最多四块电池的小型模组，这些电池使用超声波或激光焊接在一起。在焊接后，它们被放入金属壳体中，以形成小型模组。在模组形成后，将若干模组组装在一起形成一个更大的电池模组。模组的堆栈式连接使用类似于方形电池的集成外壳解决方案来实现。
总体而言，我们须谨记，单体电池连接是电池包设计中的一个关键环节，为电池选择母线排也并不如想象中的那样简单。如果您有任何设计方面的问题，或在使用母线排的优化设计应用上需要帮助，罗杰斯的电力电子解决方案专家们随时可以提供帮助。如果您有任何问题，请与我们联系。
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Olivier's Twist 博客, 燃油汽车与电动/混合动力汽车
发布于 2018 年 9 月 28 日
