一、方壳电池模组概述
方壳电池模组在能源领域占据着至关重要的地位，凭借其独特的技术优势，在众多领域得到了广泛的应用。
（一）常见应用领域列举
在电动汽车领域，方壳电池模组作为核心部件之一，为车辆提供动力支持。其高能量密度能够满足新能源汽车对于续航里程的要求，例如市场上主流的新能源汽车品牌如大疆、亿航等，其产品大多采用锂电池作为动力来源，续航能力达到 30 分钟以上，满足用户拍摄需求。同时，方壳电池模组具有长循环寿命、高安全性和良好的环境适应性等特点，能够满足新能源汽车对于动力性能、安全性和成本效益等多方面的需求。
在储能设备领域，方壳电池模组主要用于构建大规模的储能系统，以平衡电网供需、提高电网稳定性和可靠性。这些储能系统可以在电网负荷低谷时储存电能，在高峰时释放电能，从而有效缓解电网峰谷差，提高电网运行的经济性和效率。此外，方壳电池模组还广泛应用于可再生能源的储能解决方案中，如太阳能和风能发电站的储能系统，以确保可再生能源的稳定供应和高效利用。
在无人机领域，电池作为无人机的核心组件之一，方壳电池模组因其高能量密度、轻便、长循环寿命等特点，为无人机提供了有力的动力保障。例如在我国，无人机市场在过去几年呈现出高速增长的态势，已在航拍、农业、林业、电力、物流等多个领域展现出巨大的潜力。
在航空航天领域，方壳电池模组凭借其高可靠性、高安全性等优势，得到了广泛的应用。方壳电池模组在设计和制造过程中，注重提高产品的可靠性和稳定性。通过采用优质的材料、先进的工艺和严格的质量控制体系，确保了电池模组在各种工况下都能保持稳定的性能。
二、方壳电池模组设计要点
（一）高能量密度优势
方壳电池模组的电芯形状为方形，这使得其在相同的体积和重量下，能够存储更多的电能。这种设计充分利用了电池组内部空间，提高了空间的利用效率。以电动汽车为例，高能量密度的方壳电池模组能够显著提升车辆的续航里程，满足用户对于长途出行的需求。在储能设备领域，高能量密度同样至关重要，它可以在有限的空间内存储更多的电能，满足大规模储能的需求。据统计，采用方壳电池模组的储能设备，其能量密度相比传统电池可提高 20% 以上。
（二）高空间利用率特点
与传统的圆柱形电池相比，方壳电池模组的方形设计能够更加紧密地排列在一起。这不仅减少了空间的浪费，还使得电池包在有限的体积内能够搭载更多的电池，从而提高了整体能量密度。在电动汽车等空间受限的应用场景中，高空间利用率尤为重要。例如，在一些紧凑型电动汽车中，空间有限，方壳电池模组的高空间利用率能够为车辆提供更多的电池容量，从而增加续航里程。
（三）高安全性保障
方壳电池模组通常采用铝材等高强度材料作为外壳，具有较高的强度和韧性。这种设计可以有效防止电池短路、漏液等问题，提高了电池的安全性。此外，方壳电池模组还采用了激光封口工艺等先进技术，增强了电池包的密封性，进一步保障了电池的安全性。例如，一些方壳电池模组在经过严格的安全测试后，能够在极端条件下保持稳定的性能，如高温、高压、碰撞等情况下，电池不会发生爆炸、起火等危险情况。
（四）高可靠性体现
在设计和制造过程中，方壳电池模组注重提高产品的可靠性和稳定性。通过采用优质的材料、先进的工艺和严格的质量控制体系，确保了电池模组在各种工况下都能保持稳定的性能。例如，在航空航天领域，对电池的可靠性要求极高，方壳电池模组凭借其高可靠性，能够在恶劣的环境下稳定工作，为飞行器提供可靠的动力支持。
（五）可定制化程度高
方形设计使得方壳电池模组具有较高的可定制化程度。由于方形设计具有更多的自由度，因此可以根据不同的应用场景和需求进行定制化设计。例如，可以根据车型、电池容量、充电速度等要求，定制出符合需求的电池模组。这种灵活性使得方壳电池模组能够更好地适应市场需求，满足不同客户的个性化需求。
（六）环保和可持续性
在生产和使用过程中，方壳电池模组注重环保和可持续性。许多生产企业在生产过程中采用无污染的绿色环保材料，并注重节能和减排。此外，方壳电池模组还具有较高的循环寿命和回收价值，有助于降低资源消耗和环境污染。据统计，方壳电池模组的循环寿命可达数千次，相比传统电池具有更高的使用寿命。同时，回收后的方壳电池模组可以进行再利用，进一步减少了对环境的影响。
三、方壳电池模组工艺介绍
（一）材料准备阶段
方壳电池模组 PACK 生产线的工艺始于材料准备阶段，这一阶段至关重要。正极材料、负极材料、电解液等电池组件的原材料如同大厦的基石，其质量直接决定着最终产品的性能。在这个阶段，质量控制尤为关键，生产厂家需建立严格的质量检测体系，确保每一种原材料都符合高标准的品质要求。例如，对正极材料的纯度进行严格检测，确保其能在电池充放电过程中高效地进行离子传输。同时，对负极材料的稳定性进行评估，防止在使用过程中出现不良反应。只有经过严格筛选的原材料，才能为后续的工艺环节奠定坚实的基础。
（二）电芯制造工序
电芯作为电池的核心组件，其制造过程采用先进的电芯生产技术。卷绕或堆叠等工艺能够精准地将正负极材料组合在一起，形成稳定的电芯结构。在这个过程中，需要高度的精度和一致性。例如，通过精确控制卷绕的张力和速度，确保每一个电芯的内部结构均匀一致，从而保证性能的稳定性。同时，堆叠工艺需要严格控制每一层材料的厚度和对齐度，以提高电芯的能量密度和循环寿命。这一步骤的关键在于确保电芯的一致性和性能稳定性，为后续的工艺环节提供优质的核心组件。
（三）电芯测试环节
完成电芯制造后，紧接着进行电芯测试。通过对电芯的电性能进行全面测试，如电压、容量、内阻等参数的检测，筛选出符合标准的电芯。这一环节如同对士兵的选拔，只有最优秀的电芯才能进入下一个阶段。据统计，经过严格测试筛选后的电芯，在后续的生产中能够发挥出更好的性能，大大提高了整个电池模组的质量和可靠性。确保每个电芯都能在后续的生产中发挥良好的性能，为模组的组装提供可靠的基础。
（四）模组组装过程
在模组组装阶段，高度自动化的装配设备发挥着重要作用。电芯被有序地组装成模组，完成电芯排列、连接线焊接、绝缘材料添加等步骤。自动化设备能够确保每个模组的组装精度和速度，提高生产效率。例如，在电芯排列过程中，通过精确的机械定位，确保电芯之间的间距均匀，有利于散热和提高性能。连接线的焊接需要高精度的焊接设备，确保连接牢固可靠，减少电阻，提高电能传输效率。绝缘材料的添加则能够有效防止漏电和短路，提高电池模组的安全性。
（五）电芯匹配技术
为了提高整体性能，方壳电池模组 PACK 生产线采用电芯匹配技术。通过对电芯的性能进行精准匹配，确保每个模组在充放电过程中的一致性。这就如同组建一支优秀的乐队，每个乐器都要协调一致，才能演奏出美妙的乐章。例如，根据电芯的容量、内阻等参数进行匹配，使得每个模组中的电芯在充放电过程中能够同步工作，减少能量损失，提升了电池组件的整体性能和使用寿命。
（六）包装与质检步骤
完成模组组装后，产品进入包装阶段。同时，对电池组件进行全面的质检，确保产品符合质量标准。在包装过程中，采用环保、坚固的包装材料，既保护产品在运输和存储过程中不受损坏，又符合环保要求。质检环节对产品的外观和功能进行全方位的检测，包括检查外壳是否有划痕、连接是否牢固、性能是否符合标准等。以保证用户获得高质量、可靠的电池产品。
（七）成品测试流程
生产线进行最终的成品测试，对整体电池模组 PACK 进行电性能、安全性等多方面的全面检测。这一步骤如同对产品的最后一次大考，确保产品出厂前的质量水平，满足市场和客户的需求。例如，进行电性能测试，检测电池模组的容量、电压、内阻等参数是否符合设计要求；进行安全性测试，包括过充、过放、短路、高温等情况下的性能表现。只有通过了这些严格测试的产品，才能走向市场，为用户提供可靠的动力支持。
四、方壳电池模组设计案例
（一）上汽通用 Ultium 电池模组设计
1.三种模组特点介绍
上汽通用的 Ultium 电池模组设计具有独特的特点。其由一颗软包电池加两颗不同厚度的方壳电芯组成了电芯基础，这种设计使得模组从整体尺寸上具有兼容性。无论是在电动汽车的不同型号中，还是在不同的使用场景下，都能够灵活应用。
三种模组都采用了模组集成式冷却的方式，将水冷板在底部进行了集成化处理。这种设计能够有效地降低电池温度，提高电池的性能和寿命。据相关数据显示，采用模组集成式冷却方式的电池模组，相比传统冷却方式，能够降低电池温度 10% 以上。
方壳模组采用两端出线方式，软包模组则是单端出线。这种设计使得 Pack 兼容两种不同的高压母排连接，由于少了低压采样和通信线，整体设计得到了简化。这不仅降低了生产成本，还提高了生产效率。
2.方壳模组设计展示
上汽通用明确展示了 Ultium 的方壳电池，主要分成两种不同厚度的电池（高度和宽度一致）。在电芯喷发泄压阀的设计上，两种电池做了不同的处理。这种设计能够有效地提高电池的安全性，防止电池在过充、过放、短路等情况下发生爆炸。
在热失控防护方面，主要有以下措施：每片电芯之间的间隔都采用隔热材料来进行防护，电芯泄压阀的上方都用了云母片进行阻隔，这样即使电池模组的上盖是塑料的，也能保证电池的安全性。同时，集成化的冷却也可以帮助电芯提高平时和热失控状态的散热，降低电池温度，提高电池的性能和寿命。
在这个模组里面没有看到低压接口设计，凸起的部分可能是塞入的无线 CMU 的 PCBA，这部分通过 FPC 进行供电和采样先桥接。这种设计不仅提高了电池模组的集成度，还降低了生产成本。
3.软包模组设计阐述
软包模组的设计由于不是中国发布设计的重点，因此只摆了一个模组，也没有进行剖解。软包模组与方壳模组有一样的尺寸、安装点，在模组的母线输出接口上做了同端出的处理。由于在模组的 Z 方向有空间，这里也没看到凸出的无线 CMU 的部分结构。
软包模组的设计展示了电芯和设计的动画事宜，这方面其实有点和大众的 MEB 软包和方壳兼容设计完全相似的理念。由于本身软包模组，通用就安排了两个方向不同的堆叠的理念，不同的高度和容量设计，为用户提供了更多的选择。
（二）特斯拉 LFP 版 Model 3 电池设计
1.模组兼容设计尺寸说明
特斯拉 LFP 版 Model 3 电池模组采用兼容设计，有两种不同的配置，分别是 25 个电芯和 28 个电芯，合计 106 个电芯，做成两个模组规格去兼容原有三元模组的设计。这种设计能够有效地降低生产成本，提高生产效率。
据相关数据显示，采用这种兼容设计的电池模组，相比传统设计，能够降低生产成本 20% 以上。同时，这种设计还能够提高电池的性能和寿命，满足用户对于电动汽车续航里程的要求。
2.水冷板及安装结构设计介绍
水冷板内置集成在模组底面，外部有完整的结构和这个水冷板配合，一方面让这个模组有足够的机械强度，一方面也有足够的隔热距离。水冷板在 LFP 上面最主要是低温加热，在后续的 NCM 版本上面就是散热问题要解决。
设计 82mm 厚度的电芯，比较大的挑战是如何实现 250kW 的超级快充。在这个设计里面，由于方壳电芯高度加上模组相应的采样和绝缘板，特斯拉把 CMU 的采样板的布置做了调整，不在原来的模组躺的部分，采用柔性线路板延伸的模式来做的，这里只有剪断的这部分。
3.CMU 采样板布置调整解释
由于方壳电芯高度加上模组相应的采样和绝缘板，特斯拉把 CMU 的采样板的布置做了调整，采用柔性线路板延伸的模式来做。这种设计能够有效地降低生产成本，提高生产效率。
据相关数据显示，采用柔性线路板延伸模式的 CMU 采样板布置，相比传统设计，能够降低生产成本 15% 以上。同时，这种设计还能够提高电池模组的集成度，降低电池模组的重量，提高电动汽车的续航里程。
五、方壳电池模组工艺的发展趋势
（一）自动化生产线特点
1. 高效率生产
随着科技的不断进步，自动化生产线在方壳电池模组生产中的作用愈发凸显。引入机器人和自动化设备后，生产效率得到了极大的提升。例如，在电芯模组的组装环节，自动化设备能够以极快的速度完成复杂的操作，大大缩短了生产周期。据统计，相比传统的手工操作，自动化生产线能够在相同时间内完成数倍甚至数十倍的工作量，满足了市场对电池模组日益增长的需求。这不仅提高了企业的生产能力，还能更好地适应快速变化的市场环境。
2. 降低人工成本
自动化生产线的应用减少了对大量工人的依赖，从而降低了人工成本。在传统的生产模式中，需要大量的工人进行重复性的劳动，不仅人力成本高，而且生产效率和质量也难以保证。而自动化生产线能够实现无人化或少人化生产，只需要少量的技术人员进行监控和维护。同时，自动化生产线的运行更加稳定，减少了因人为因素导致的生产波动和错误，进一步提高了生产效率和产品质量。
3. 提高产品质量稳定性
精确的机械操作和严格的质量控制是自动化生产线确保产品一致性和准确性的关键。自动化设备能够以高精度的动作完成每一个生产环节，确保电芯模组的组装精度和质量。例如，在连接线焊接环节，自动化焊接设备能够确保焊接点的牢固可靠，减少电阻，提高电能传输效率。此外，自动化生产线还可以对生产过程中的数据进行实时监控和追溯，一旦发现问题，能够及时进行调整和处理。这有助于及时发现并解决问题，提高产品质量稳定性。
4. 安全性提升
方壳电池模组在组装过程中涉及高电压和高能量密度材料，手工操作可能带来安全风险。自动化生产线通过采用安全防护措施和智能控制系统，降低了操作风险，提高了生产安全性。例如，在电池模组的测试环节，自动化测试设备能够对电池的电性能和安全性进行全面检测，确保产品符合安全标准。同时，智能控制系统能够实时监测生产过程中的安全隐患，一旦发现异常情况，能够及时采取措施，保障生产人员的安全。
5. 灵活性增强
模块化的设计使得自动化生产线具有很强的灵活性，能够根据不同的产品需求和工艺变化进行调整。例如，当市场需求发生变化时，企业可以通过调整自动化生产线的模块组合，快速生产出符合市场需求的产品。这种灵活性使得生产线能够适应市场变化，满足多样化的生产需求。同时，模块化设计也便于生产线的维护和升级，降低了企业的运营成本。
6. 环保节能
自动化生产线通过优化生产流程和减少不必要的能源浪费，有助于实现环保节能。例如，在生产过程中，自动化设备能够根据实际需求合理调整能源消耗，避免能源的浪费。此外，自动化生产线还可以减少生产过程中的废弃物和污染物排放，符合绿色制造的发展趋势。这不仅有利于保护环境，还能为企业树立良好的社会形象，提高企业的竞争力。
（二）方形叠片工艺前景
1. 叠片与卷绕工艺对比分析
卷绕工艺在动力电池领域长期占据主流地位，主要是因为其生产效率高、成本低。从发展历史来看，卷绕工艺从消费电池开始应用，经历了手动绕线机、半自动绕线机到全自动绕线机的发展过程，生产效率大幅提升。在消费电池向动力电池发展的过程中，卷绕工艺也随之而来，广泛应用于方形电池和圆柱形电池。目前，我国新能源汽车方形动力电池总装机量约为 42.25GWh，占总装机量的 74.1%，其中大部分采用卷绕工艺。相比之下，叠片工艺目前主要应用于市场份额较小的软包电池领域。叠片工艺存在生产效率低、工艺复杂度高、质量控制难、设备占地面积大、每瓦时投资比高等明显劣势。目前国内层压机行业的效率一般是单工位 1 - 1.2 秒 / 片，只有效率提高到 0.2 秒 / 片左右，叠片工艺才能与卷绕工艺成本相当。
2. 电池尺寸变长与叠片优势
随着电动车的发展，企业开始为电动汽车开发底盘，电池模组和电芯尺寸越来越大。大众的 MEB 平台就是一个典型例子，其电池的模组和电芯尺寸都在变大。业内普遍认为，大模组、大电池是未来动力电池的发展趋势。随着电池越来越长，卷绕工艺将越来越难实现。而叠片工艺在性能上具有明显优势，在同等条件下，叠片工艺可使电池能量密度提高 5%，循环寿命提高 10%，成本降低 5%。例如，蜂巢能源总经理杨洪信介绍，叠片工艺生产的电池能量密度更高，能够满足电动汽车对于续航里程的需求；循环寿命更长，降低了用户的使用成本；成本更低，提高了企业的竞争力。
3. 叠片工艺生产设备突破
蜂巢能源在叠片工艺生产设备的开发上取得了重大突破。目前已完成 45 度旋转高速贴合机的研发和引进，单工位贴合效率可达 0.6 秒 / 张。同时，蜂巢已完成 0.45s / 片的单工位速度验证和样机的开发制造，预计 2023 年可以开发出 0.25s / 片的单工位叠片设备。到 2023 年，0.25 秒的超高速叠片工艺将有效解决叠片工艺的效率问题，有望超越绕线工艺的效率。例如，蜂巢能源在常州金坛工厂的一期产线已提升至单工位 0.6 秒 / 片生产效率，2021 年产能将达到 4GWh；二期可实现 0.45 秒高速叠片，2022 年产能达到 8GWh。此外，蜂巢能源的 0.6 秒高速叠片技术生产设备是与国外设备供应商合作生产的，0.45 秒的设备则是蜂巢能源独自设计，已申请相关专利 10 余项，未来将与两家设备供应商共同开发。
六、方壳电池模组设计与工艺的难点
（一）哪吒天工电池难点
1.结构设计难点分析
天工电池在无模组集成化过程中，面临着诸多结构设计难点。在设计 CTC 方壳电池时，热失控下的整包防护是一个关键挑战。像能量密度为 246Wh/kg 的三元电芯，其能量巨大，接近 1kwh 的电芯热量释放剧烈。为了应对这一问题，天工电池采取了一系列措施。首先，采用一整块的隔热片对复合材料的上盖进行保护，以防止热失控时热量对电池包造成严重损害。同时，为了设计矮边沿的托盘，特意采用复合材料的上盖，一方面可以有效提升足够的边缘覆盖能力，另一方面也需要保证隔热材料能保护上盖在热失控的过程中免受伤害。
此外，天工电池的网格式模组设计也为结构设计带来了挑战。这种设计需要在电芯之间填充航天级低导热系数气凝胶隔热材料，同时要实现 1000 度以上的隔热、UL94 V0 级阻燃，并具备 800V 电绝缘冗余安全设计、采样短路冗余设计、模组及短路冗余安全设计的军工级电器防护，以及轻质高强度铝框架、2000 牛以上的膨胀结构安全、高集成定制化大模组的隔仓式结构防护。这些要求对材料的选择和工艺的精度都提出了极高的要求。
2.电池管理系统难点探讨
加入云端管理后，天工电池的电池管理系统面临着基于大量数据提取的云端 SOH 算法估计等难点。云端管理需要大量的数据采集和高速上传到服务器平台，这对数据传输的稳定性和安全性提出了挑战。同时，如何从海量的数据中准确提取有用信息，进行云端 SOH 算法估计，以实现对电池的更好管理，也是一个技术难题。
在车载系统中，BMS 算法需要更多地提供基础的电池运行状态，结合域控制器和云端的算法来对电池进行管理。这就要求不同算法之间的协同工作要高效、准确，避免出现冲突或误判。而且，随着电池数据的不断积累，如何对数据进行有效的存储、管理和分析，以不断优化电池管理系统，也是一个长期的挑战。
（二）储能方壳电池 pack 模组激光焊接难点
1.方壳电池 PACK 模组汇流排焊接难点阐述
储能方壳电池 PACK 模组汇流排焊接存在多个难点。首先，材料薄是一个突出问题，多片叠焊时容易出现虚焊，导致强度不够和导电性不好。这是因为薄材料在焊接过程中，热量传递不均匀，容易产生焊接不牢固的情况。此外，焊缝连接宽度不够也会导致强度不够，影响电池模组的整体性能。
这些难点对储能电池的安全性和可靠性构成了威胁。如果焊接质量不达标，在电池的使用过程中，可能会出现电流不稳定、发热过度等问题，甚至可能引发安全事故。
2.解决方案提出
针对这些难点，提出了一系列解决方案。首先，控制来料平整度是关键。通过严格的质量检测和筛选，确保焊接材料的平整度符合要求，减少因材料不平整而导致的虚焊问题。其次，设计优良性能的夹具，控制装夹间隙。夹具的设计要能够准确地固定焊接材料，保证焊接过程中的稳定性，避免间隙过大或不均匀而影响焊接质量。
选用小纤芯光纤激光器和采用摆动焊接也是有效的解决方案。小纤芯光纤激光器可以提供更高的能量密度，使焊接更加精准。摆动焊接则可以扩大焊缝连接宽度，提高焊接强度。通过这些解决方案的综合应用，可以有效提高储能方壳电池 PACK 模组汇流排的焊接质量，增强电池的安全性和可靠性。
