电池包关键技术解析
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开始下降，内短路产生，电芯内部产生不可逆损伤 ➢ SOC对电池单体机械性能几乎没有影响
电池模组静态挤压试验
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载荷 (kN)
低速-X-载荷
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低速-X-侵入位移
低速-X-总电压
低速-X 1# 电压
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低速-X 2# 电压
低速-X 3# 电压
低速-X 4# 电压
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低速-Y-内短路 10
高速-Y-内短路
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模组总电压 (V)
模组总电压 (V) 载荷 (kN)
载荷 (kN)
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Zc向 160
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侵入位移 (mm)
低速-Z-载荷 高速-Z-载荷
低速-Z-总电压 高速-Z-总电压
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低速-Z-内短路 高速-Z-内短路
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载荷 (kN)
➢ 模组外部结构变形破损严重 ➢ X向堆叠挤压，Y和Z向单体分离
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侵入位移 (mm)
模组总电压 (V)
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侵入位移 (mm)
➢ 冲击速度越高，模组承受载荷越 大，模组内短路的侵入位移越小
➢ X向电压相对稳定，Y和Z向随加 载速度增大模组总电压呈现不稳 定的跳跃异常状态，且试验后总 电压降接近零，这可能是该方向 加载下电极电路板更容易受影响
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电池包模组静动态挤压试验研究
试验类型 低速
X向 高速
内短路时刻 6.13 s 2.95 ms
侵入位移（mm） （相对变形） 27.777（8%）
低速-Z-内短路
低速-X-总电压
低速-Y-总电压 低速-Z-总电压
0
载荷 (kN)
池模组起火
始阶梯式下降→内短路
燃烧剧烈程
➢ Z向：3s时刻，挤压15mm，电压开始
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度高于Y/Z
下降→内短路
10
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➢ 相比X和Y，Z向耐撞性最差，内短路风
险更高，可能与电路板受破坏所致
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侵入位移 (mm)
电池包模组高速碰撞冲击试验研究
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Xa向 160
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低速-X-载荷 高速-X-载荷
低速-X-总电压 0
高速-X-总电压 低速-X-内短路 高速-X-内短路
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Yb向 160
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低速-Y-载荷 高速-Y-载荷 低速-Y-总电压 高速-Y-总电压
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时间 (s)
侵入位移 (mm) 电压 (V) 载荷 (kN)
侵入位移 (mm) 电压 (V) 载荷 (kN)
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时间 (s)
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低速-X-载荷
低速-X-侵入位移
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低速-X-总电压 低速-X 1# 电压
◼ 纯电动乘用车电池系统能量密度的补贴下限从90Wh/kg提高到105Wh/kg ，105120Wh/kg的车型按0.6倍补贴，120-140Wh/kg的车型按1倍补贴，140160Wh/kg的车型按1.1倍补贴，160Wh/kg及以上的车型按1.2倍补贴 。
◼ 磷酸铁锂电池系统能量密度已经能实现105wh/kg，达到120kw/kg有一定挑战三元 锂电池系统的能量密度已经突破105wh/kg，若需达到或超过140kw/kg，需要对电 芯及PACK进行更深入的研发、更高效的成组和更精益的结构设计性
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内短路
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时间 (s)
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模组总电压 (V)
➢X挤压后电
➢ ➢
10%电压降即认为模组内短路失效 X向：6s时刻，载荷最大，电池组
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电压开始下降→内短路
➢ Y向：5s时刻，挤压27mm，电压开 30
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低速-X-载荷
低速-Y-载荷
低速-Z-载荷
低速-X-内短路 10 低速-Y-内短路
组分材料建模表征 单体仿真模型 模组其他部件 仿真模型 模组仿真模型
仿真
电池包组份试验研究
电压下降时刻 内短路发生
电芯刚度突变 内损伤发生
隔膜拉伸
电极拉伸
10
➢ 电芯压缩阶段1：载荷位移曲线呈指数增长趋势 ➢ 电芯压缩阶段2：载荷位移曲线增长缓慢刚度下降 ➢ 拐点- 侵入量3.2/16%，电芯刚度发生突变，电压
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7
新能源汽车带来的机遇和面临的挑战 动力电池PACK包的结构轻量化设计 搅拌摩擦焊应用基础研究与电池包应用 清华苏州研究院汽车轻量化中心简介
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电池失效表征技术路线
组分材料力学试验 单体力学加载试验 模组其他组件材料
试验 模组碰撞加载试验
试 验
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单体内短路触发机 制
单体失效判据
分析
模组损伤容限
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低速-X 2# 电压
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低速-X 3# 电压
低速-X 4# 电压
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低速-Z-载荷
低速-Z-侵入位移 低速-Z-总电压 100 10
低速-Z 1# 电压
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Temperature
Force (kN) Cell Voltage (V) Temperature (oC) Indentation distance (mm)
19.810（6%）
失效载荷 (kN） 29.320 115.800
低速
5.40 s
Y向
高速
1.25 ms
Z向
低速 高速
3.05 s 1.45 ms
27.442（18%）
8.230（5%） 15.386（14%）
9.920（9%）
21.300
43.680 7.771 5.020
➢ 相同方向试验中，随着加载速度的提高，电池模组的承载能力增强（Z 向除外），失效位移明显降低，动态工况下电池失效提前发生！
汽车动力电池包关键技术解析
新能源汽车带来的机遇和面临的挑战 动力电池PACK包的结构轻量化设计 搅拌摩擦焊应用基础研究与电池包应用 清华苏州研究院汽车轻量化中心简介
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2016年12月，国家首次提出以电池能量密度为一项参考指标，2018年新 能源汽车补贴政策进一步调整了补贴额度、拨付方式以及补贴门槛等
电池模组静态挤压试验
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载荷 (kN)
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低速-X 1# 电压
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低速-X 2# 电压
低速-X 3# 电压
低速-X 4# 电压
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模组总电压 (V)
模组总电压 (V) 载荷 (kN)
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侵入位移 (mm)
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低速-Z-内短路 高速-Z-内短路
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载荷 (kN)
➢ 模组外部结构变形破损严重 ➢ X向堆叠挤压，Y和Z向单体分离
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侵入位移 (mm)
➢ 冲击速度越高，模组承受载荷越 大，模组内短路的侵入位移越小
➢ X向电压相对稳定，Y和Z向随加 载速度增大模组总电压呈现不稳 定的跳跃异常状态，且试验后总 电压降接近零，这可能是该方向 加载下电极电路板更容易受影响
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电池包模组静动态挤压试验研究
试验类型 低速
X向 高速
内短路时刻 6.13 s 2.95 ms
侵入位移（mm） （相对变形） 27.777（8%）
低速-Z-内短路
低速-X-总电压
低速-Y-总电压 低速-Z-总电压
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载荷 (kN)
池模组起火
始阶梯式下降→内短路
燃烧剧烈程
➢ Z向：3s时刻，挤压15mm，电压开始
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度高于Y/Z
下降→内短路
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➢ 相比X和Y，Z向耐撞性最差，内短路风
险更高，可能与电路板受破坏所致
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低速-X-载荷 高速-X-载荷
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侵入位移 (mm) 电压 (V) 载荷 (kN)
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◼ 纯电动乘用车电池系统能量密度的补贴下限从90Wh/kg提高到105Wh/kg ，105120Wh/kg的车型按0.6倍补贴，120-140Wh/kg的车型按1倍补贴，140160Wh/kg的车型按1.1倍补贴，160Wh/kg及以上的车型按1.2倍补贴 。
◼ 磷酸铁锂电池系统能量密度已经能实现105wh/kg，达到120kw/kg有一定挑战三元 锂电池系统的能量密度已经突破105wh/kg，若需达到或超过140kw/kg，需要对电 芯及PACK进行更深入的研发、更高效的成组和更精益的结构设计性
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➢X挤压后电
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10%电压降即认为模组内短路失效 X向：6s时刻，载荷最大，电池组
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电压开始下降→内短路
➢ Y向：5s时刻，挤压27mm，电压开 30
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组分材料建模表征 单体仿真模型 模组其他部件 仿真模型 模组仿真模型
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电池包组份试验研究
电压下降时刻 内短路发生
电芯刚度突变 内损伤发生
隔膜拉伸
电极拉伸
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➢ 电芯压缩阶段1：载荷位移曲线呈指数增长趋势 ➢ 电芯压缩阶段2：载荷位移曲线增长缓慢刚度下降 ➢ 拐点- 侵入量3.2/16%，电芯刚度发生突变，电压
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新能源汽车带来的机遇和面临的挑战 动力电池PACK包的结构轻量化设计 搅拌摩擦焊应用基础研究与电池包应用 清华苏州研究院汽车轻量化中心简介
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电池失效表征技术路线
组分材料力学试验 单体力学加载试验 模组其他组件材料
试验 模组碰撞加载试验
试 验
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单体内短路触发机 制
单体失效判据
分析
模组损伤容限
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低速-Z 2# 电压 80 低速-Z 3# 电压
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Force (kN) Cell Voltage (V) Temperature (oC) Indentation distance (mm)
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失效载荷 (kN） 29.320 115.800
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高速
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➢ 相同方向试验中，随着加载速度的提高，电池模组的承载能力增强（Z 向除外），失效位移明显降低，动态工况下电池失效提前发生！
汽车动力电池包关键技术解析
新能源汽车带来的机遇和面临的挑战 动力电池PACK包的结构轻量化设计 搅拌摩擦焊应用基础研究与电池包应用 清华苏州研究院汽车轻量化中心简介
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2016年12月，国家首次提出以电池能量密度为一项参考指标，2018年新 能源汽车补贴政策进一步调整了补贴额度、拨付方式以及补贴门槛等