基于APQP开发流程的LFP 280Ah锂电池电芯设计研究

基于APQP开发流程的LFP 280Ah锂电池电芯设计研究

廉闯

江苏正力新能电池技术有限公司

摘要：本论文旨在探讨基于APQP开发流程的LFP 280Ah锂电池电芯设计。首先，通过概述APQP的基本原理和在汽车电池工业中的应用，明确了APQP在电池设计中的重要性。随后，对锂电池电芯的基础知识进行了介绍，包括LFP电池的概述、电池电芯结构和工作原理，以及对LFP 280Ah锂电池电芯的需求分析。在此基础上，提出了基于APQP的LFP 280Ah锂电池电芯设计流程，详细介绍了各个阶段的任务和步骤。最后，阐述了电池电芯设计的输出与验证，包括产品结构、规格和测试。本研究旨在为电池电芯设计提供系统化的方法和流程，以满足汽车电池工业中的质量要求和技术需求。

关键词：APQP；LFP电池；锂电池电芯；电子信息

引言

在汽车电动化和可再生能源的迅速发展下，锂电池作为一种高效、环保的能量储存方案，正在成为汽车动力系统的主流选择之一。在这个背景下，针对电池电芯设计的研究和开发显得尤为重要。本论文旨在探讨基于APQP（Advanced Product Quality Planning）开发流程的LFP（锂铁磷酸）280Ah锂电池电芯设计，希望为锂电池电芯的设计提供一个系统且可行的方法。

1APQP开发流程概述

1.1APQP概述

APQP，全称为"Advanced Product Quality Planning"，即先进产品质量计划，是一种质量管理工具，广泛应用于制造业中，特别是在汽车行业中[1]。APQP使用一系列工具和方法，包括但不限于质量功能展开（QFD）、故障模式与效果分析（FMEA）、控制计划（CP）、生产部件批准过程（PPAP）等，以确保质量目标的达成。APQP强调持续改进的重要性，通过不断收集反馈信息、评估产品和过程的性能，并实施相应的改进措施，不断提高产品质量和生产效率。

1.2APQP在汽车电池工业中的应用

在汽车电池设计中，APQP起着关键作用。它帮助团队明确质量目标和计划，确保在设计阶段充分考虑客户和行业标准的要求。通过风险管理工具如FMEA，APQP帮助团队识别潜在的设计风险，并采取措施保障电池设计的质量和安全性。在供应链管理方面，APQP有助于选择合格供应商，确保各环节符合质量要求。持续改进是APQP的核心理念，通过不断收集反馈信息、评估产品性能并实施改进措施，提高电池设计的质量水平和客户满意度。

2锂电池电芯设计基础

2.1LFP（锂铁磷酸）电池概述

LFP电池是一种锂离子电池，其中的“LFP”代表锂铁磷酸（Lithium Iron Phosphate）[2]。LFP电池相对安全，因为其化学稳定性高，不容易发生过热或起火。且LFP电池的循环寿命较长，可以进行更多次的充放电循环而不损坏性能。此外，LFP电池具有高温稳定性和良好的快速充电能力，适用于许多应用领域，如电动汽车、储能系统和电动工具等。

2.2锂电池电芯结构与工作原理

2.2.1锂电池电芯结构

（1）正极（正极活性物质）：通常由氧化物（如钴酸锂、三元材料、磷酸铁锂等）构成，是电池中储存正极材料的部分。

（2）负极（负极活性物质）：由碳（如石墨、石墨烯等）构成，用于储存锂离子。

（3）电解质：通常为有机溶剂和锂盐的混合物，位于正负极之间，用于传导锂离子。

（4）隔膜：将正负极隔开，防止短路，同时允许锂离子的通行。

（5）集流体：负责电子传导和电流集合，通常由铜箔和铝箔构成。

2.2.2锂电池电芯工作原理

当电池充电时，锂离子从正极材料中解离并向负极移动，同时电子通过外部电路流动到负极，使得正负极之间电压升高。当电池放电时，锂离子从负极材料中解离并向正极移动，同时电子通过外部电路流动到正极，使得正负极之间电压降低。在充放电过程中，正负极材料发生氧化还原反应，使得锂离子在正负极之间移动，电池产生电能。

2.3对LFP 280Ah锂电池电芯的需求分析

本次研究的LFP 280Ah锂电池电芯要满足IATF16949体系，具体需求可分为技术层面和质量层面。

首先，在技术层面，单体电芯要求0.5C放电容量达到至少280Ah，并且符合规定的尺寸为72*174*204mm。其次，对循环寿命的要求是在充放电8000次后，电池仍需保持70%的SOH（State of Health 电池健康状态），或在充放电6000次后仍需保持80%的SOH。在存储寿命方面，要求在25℃、100%SOC条件下，电池具备15年的存储寿命，并且在不同工况下的10年/15年/20年存储，电池需保持不同的SOH，其中15年存储期望SOH约为70%。此外，电池组内容量不超过2Ah。

电池的质量目标为SOP（Start of Production生产开始）三个月后，TTL（Total Throughput Yield 通过产品比例）应超过80%，初始过程能力PPK（Initial Process Capability）应达到1.67以上，量产后CPK（Process Capability）应维持在1.33以上，产能/生产节拍需符合规定，其中L1为12PPm，L2为10PPm。

3基于APQP的LFP 280Ah锂电池电芯设计流程

3.1各个阶段的任务和步骤

APQP旨在确保在新产品的开发和生产过程中，充分考虑和满足客户的质量要求，并在整个产品生命周期中保持质量的稳定性和一致性。APQP的流程和各阶段任务如图3-1所示。

图3-1APQP流程图

3.1APQP开发流程在电池设计中的具体应用

为满足LFP 280Ah锂电池电芯设计的需求，并应用APQP来确保产品符合IATF16949体系的要求，以下是本次研究的具体步骤和措施：

3.2.1质量规划阶段

制定详细的质量计划，包括技术和质量方面的要求，如容量、循环寿命、存储寿命等。确定技术参数的目标值和可接受范围，如0.5C放电容量至少达到280Ah。其次，团队将确定循环寿命和存储寿命的要求，确保在充放电8000次后，电池仍需保持70%的SOH，或在充放电6000次后仍需保持80%的SOH。还会制定存储寿命的标准，包括在不同工况下的10年/15年/20年存储，电池需保持不同的SOH，其中15年存储期望SOH约为70%。此外，设计团队考虑电池组内容量不超过2Ah的要求，并确保电池设计符合质量目标，例如SOP三个月后TTL应超过80%，初始过程能力PPK应达到1.67以上，量产后CPK应维持在1.33以上，以及产能/生产节拍需符合规定（其中L1为12PPm，L2为10PPm）。如0.5C放电容量≥280Ah，并确保尺寸符合规定。

3.2.2设计与开发阶段

进行电池结构设计和参数规划，以满足技术要求，如循环寿命和存储寿命的要求。选择合适的电池材料和工艺，确保生产过程可控且稳定[3]。

3.2.3过程设计与验证阶段

设计生产工艺流程和控制计划，以确保电池生产过程符合要求，如存储条件和循环充放电过程。进行生产工艺验证，评估生产过程的稳定性和可控性，以及对电池性能的影响。

3.2.4产品验证阶段

生产样品电池进行性能测试和验证，确保满足循环寿命和存储寿命的要求，并进行SOH的评估。进行安全性和可靠性测试，评估电池在实际使用中的表现。

3.2.5产品启动与持续改进阶段

实施产品启动和量产准备，确保生产线的正常运行，并建立持续改进机制。监控生产过程，以确保产品质量和生产效率满足要求，如SOP三个月后的TTL、PPK和CPK的指标，以及生产节拍的控制。

3.2电池电芯设计输出与验证

3.3.1产品结构

本次电池电芯结构，如图3-2所示。顶盖片位于电池组件顶部，用于保护电池内部结构，同时具备一定的绝缘作用。铝密封钉和塑胶钉用于固定连接电池组件各个部分，确保其稳定运行。顶盖是电池组件的顶部结构，与顶盖片配合使用，确保电池的密封性和整体结构的稳定性。铜连接片是电池组件中用于导电的关键部件，负责电流的传输。铝连接片和铜压片也起到导电连接的作用，并加强连接的稳定性。裸电芯是电池组件的核心部分，负责储存和释放电能。裸电芯绝缘片防止电芯之间短路，确保安全运行。底托板支撑和固定电池内部结构，提高整体稳定性。铝壳作为外壳具有良好的导电性能和机械强度，保护内部结构并散热。绝缘膜隔离电池导电部件，防止意外短路，确保安全运行。

综上所述，该电池组件由多个部件组成，每个部件都有特定功能，共同确保电池组件的稳定运行和安全性能。

图3-2产品爆炸图

3.3.2产品规格

本次电芯规格如表3-1所示，电芯型号为72174L4-280Ah，拥有额定电压为3.2V和额定容量为280Ah。其设计比能量达到170Wh/kg，说明具备较高的能量密度。内阻不超过0.25mΩ，可有效降低能量损耗，提升电池的效率。重量小于5.50kg，尺寸为71.7174.2206.6mm。自放电率为3%，28天内自放电比例较低，有助于维持电池的储能。循环寿命超过6000次，表明具备较长的使用寿命。工作温度范围为充电时055℃，放电时-3060℃，适用于多种环境条件。储存温度范围为-2045℃，适用于一个月内的储存。工作电压范围为23.65V，是电池正常工作状态下的电压波动范围。

表3-1电芯规格

3.3.3产品测试

本研究针对电池产品进行了一系列测试，如表3-2所示，每个项目都配有相应的测试依据和样品编号。这些测试涵盖了电池的多个方面，包括外观、极性、尺寸与质量、充放电能量、内阻、温度性能、能量保持与恢复、储存性能、循环性能以及安全性等。

这些测试的目的是确保电池在各种环境和工作条件下的性能和安全性。例如，外观检验用于排除制造缺陷，极性检测和尺寸测量验证了电池的物理特性，充放电能量测试评估了其能量效率，而安全性能测试则模拟了极端情况下的电池行为，确保其在异常情况下的安全性。每个测试项目都遵循着明确的测试依据，即执行的国家或行业标准，以确保测试的标准化和可重复性。

表3-2电芯测试表格

4结语

本研究通过基于APQP开发流程的LFP 280Ah锂电池电芯设计研究，深入探讨了电池设计的关键阶段和方法，根据APQP方法指引，一步步完成了电池设计产出并做出了测试验证。然而，研究对于电池设计的具体细节和参数优化方面，需要更深入的研究和探索。未来，研究希望能够进一步拓展电池设计的研究范围，探索更多的设计方法和技术手段，以提升电池产品的性能和品质，为电池设计领域的发展做出更大的贡献。

参考文献

[1]徐博,刘贝.基于APQP的民机项目质量管理研究[J].科技风,2023,(11):148-150.

[2]周云.基于电动汽车锂离子电池健康状态的优化充电方法[J].汽车维修技师,2024,(06):112.

[3]葛瑞.浅谈APQP在动力电池系统研发中的应用[J].汽车工艺与材料,2018,(06):20-24.

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