Diskuse o celkovém konstrukčním projektu baterie

一、Celkové konstrukční vlastnosti modulu

Bateriový modul lze chápat jako meziprodukt mezi bateriovým článkem a bateriovou sadou tvořenou kombinací lithium-iontového bateriového článku v sérii a paralelně a zařízením pro monitorování a řízení napětí a teploty jedné baterie. Jeho struktura musí podporovat, fixovat a chránit článek a konstrukční požadavky musí splňovat požadavky na mechanickou pevnost, elektrický výkon, výkon rozptylu tepla a schopnost zvládat poruchy.Zda dokáže plně zafixovat polohu článku a ochránit jej před deformací, která poškozuje výkon, jak splnit požadavky na výkon při přenášení proudu, jak splnit kontrolu teploty článku, zda vypnout napájení při setkání s vážnými abnormalitami, zda kritériem pro posouzení předností bateriového modulu bude zamezení tepelného nekontrolovaného šíření atd.
 

Obrázek 1: Čtyřhranná napájecí baterie s pevným pouzdrem

 

Obrázek 2: Čtvercová soft pack napájecí baterie

Obrázek 3: Válcová baterie

二、Požadavky na elektrický výkon

● Požadavky na konzistenci skupin buněk:

Vzhledem k omezení výrobního procesu je nemožné dosáhnout úplné konzistence parametrů každé buňky. V procesu sériového použití je článek s velkým vnitřním odporem nejprve vybit a nejprve plně nabit, při dlouhodobém používání je rozdíl v kapacitě a napětí každého sériového článku stále zřetelnější. Existuje osm požadavků na konzistenci, které je třeba vzít v úvahu při výběru buněk pro moduly.
1.Konzistentní kapacita
2.Konzistentní napětí
3.Konzistentní konstantní poměr proudu
4.Konzistentní síla
5.Stálý vnitřní odpor
6.Konzistentní rychlost samovybíjení
7. Konzistentní výrobní dávka
8. Konzistentní vypouštěcí platforma

● Požadavky na nízkonapěťový design：

Modul je složen z určitého počtu bateriových článků v sérii a paralelně, včetně dvou částí nízkonapěťového a vysokonapěťového vedení. Nízkonapěťové vedení má za úkol sbírat signál napětí a teploty jednotlivého článku a je vybaveno odpovídajícím balančním obvodem. Někteří výrobci navrhnou desku plošných spojů s pojistkami pro ochranu jedné baterie jednu po druhé a používá se také kombinace desky plošných spojů a pojistkové ochrany, jakmile dojde k určitému bodu poruchy, pojistka funguje, baterie poruchy je odpojena, jiné baterie fungovat normálně a bezpečnost je vysoká.

Obrázek 4:  Schéma struktury modulu čtvercového tvrdého pláště

● Požadavky na design pro vysoké napětí:

Když počet článků dosáhne určitého stupně a překročí bezpečné napětí 60V, vytvoří se vysokonapěťový obvod. Vysokonapěťové připojení musí splňovat dva požadavky: za prvé, rozložení vodičů a přechodový odpor mezi článkem by měly být jednotné, jinak bude rušena detekce napětí jednoho článku. Za druhé, odpor by měl být dostatečně malý, aby se zabránilo plýtvání elektrickou energií na přenosové cestě. Pro zajištění bezpečnosti vysokého napětí by měla být zvážena také elektrická izolace mezi vedením vysokého a nízkého napětí.

三、Konstrukční požadavky na mechanické konstrukce

Mechanická struktura modulu musí splňovat požadavky národních norem na design, antivibrace, odolnost proti únavě. Mezi svařováním jádra baterie a převařením nedochází k žádnému virtuálnímu svařování, utěsnění baterie je dobré. Rozumí se, že účinnost složení modulů a bateriových sad v průmyslu je následující

	Skupinová efektivita	Účinnost bateriového bloku
Cylindrická buňka	87 %	65 %
Čtvercová buňka	89 %	68 %
Měkká buňka	85 %	65 %

Statistiky účinnosti různých skupin baterií a sad baterií
Zlepšení využití prostoru je důležitým způsobem optimalizace modulu, podniky s napájecími bateriemi mohou zlepšit návrh modulu a systému tepelného managementu, snížit rozteč článků, aby se zlepšilo využití prostoru uvnitř bateriového boxu. Dalším řešením je použití nových materiálů. Například sběrnice v systému napájecích baterií (sběrnice v paralelním obvodu, obvykle vyrobená z měděného plechu) je nahrazena mědí hliníkem a upevňovací prvky modulu jsou nahrazeny plechovými materiály s vysokopevnostní ocelí a hliníkem, které může také snížit hmotnost napájecí baterie.

四、 Tepelný design modulu

V současnosti lze tepelný management systémů napájecích baterií rozdělit především do čtyř kategorií, přirozené chlazení, chlazení vzduchem, chlazení kapalinou a přímé chlazení. Mezi nimi je přirozené chlazení pasivní metodou tepelného managementu, zatímco vzduchové chlazení, kapalinové chlazení a přímé chlazení jsou aktivní a hlavním rozdílem mezi těmito třemi je rozdíl v médiu pro přenos tepla.

● Přirozené chlazení

Přirozené chlazení neexistuje žádné přídavné zařízení pro přenos tepla.

● Chlazení vzduchem

Vzduchové chlazení využívá vzduch jako teplonosné médium. Pasivní chlazení vzduchem, rozdělené na pasivní vzduchové chlazení a aktivní vzduchové chlazení, se týká přímého použití externího chlazení vzduchem. Aktivní chlazení vzduchem může být považováno za ohřívání nebo chlazení vnějšího vzduchu za účelem rozptýlení nebo zahřátí baterie.

● Chlazení kapalinou

Kapalinové chlazení používá jako teplonosné médium nemrznoucí směs (jako je etylenglykol). Ve schématu je obecně mnoho různých okruhů výměny tepla, jako je VOLT s okruhem chladiče, okruh klimatizace, okruh PTC, systém řízení baterie podle strategie řízení teploty pro nastavení odezvy a přepínání. TESLA Model S má okruh v sérii s chlazením motoru. Když je třeba baterii zahřát na nízkou teplotu, chladicí obvod motoru je v sérii s chladicím obvodem baterie a motor může baterii zahřívat. Když má napájecí baterie vysokou teplotu, chladicí okruh motoru a chladicí okruh baterie se nastaví paralelně a oba chladicí systémy budou odvádět teplo nezávisle.

● Přímé chlazení

Přímé chlazení pomocí chladiva (materiálu pro změnu fáze) jako média pro přenos tepla, chladivo může absorbovat velké množství tepla v procesu změny kapalné fáze, ve srovnání s účinností přenosu tepla chladiva lze zvýšit více než třikrát, rychleji odebírat teplo uvnitř bateriového systému. V BMW i3 bylo použito přímé chlazení.
Řešení tepelného managementu bateriového systému musí kromě účinnosti chlazení brát v úvahu také konzistenci všech teplot baterie. PACK má stovky nebo tisíce článků a teplotní senzor nemůže detekovat každý článek. Například v modulu Tesla Model S jsou stovky baterií a jsou uspořádány pouze dva body detekce teploty. Proto musí být baterie co nejkonzistentnější díky návrhu tepelného managementu. A lepší teplotní konzistence je předpokladem konzistentního výkonu baterie, životnosti, SOC a dalších výkonnostních parametrů.

V současné době se hlavní způsob chlazení na trhu změnil na kombinaci chlazení kapalinou a chlazení materiálu s fázovou změnou. Chlazení materiálu s fázovou změnou lze použít ve spojení s kapalinovým chlazením nebo samostatně v méně náročných podmínkách prostředí. Kromě toho existuje proces, který se v Číně stále více používá, a proces lepení tepelné vodivosti se aplikuje na spodní část bateriového modulu. Tepelná vodivost tepelného lepidla je mnohem vyšší než tepelná vodivost vzduchu. Teplo vyzařované bateriovým článkem je přenášeno tepelně vodivým lepidlem do pouzdra modulu a poté dále odváděno do okolí.

Souhrn:

V budoucnu budou hlavní výrobci OEM a továrny na baterie uskutečňovat nelítostnou konkurenci při navrhování a výrobě modulů zaměřených na zlepšení výkonu a snížení nákladů. Výkon musí splňovat požadavky na mechanickou pevnost, elektrický výkon, výkon rozptylu tepla a další tři aspekty, aby se dále zvýšila základní konkurenceschopnost produktu. Pokud jde o náklady, provádí se hloubkový výzkum standardizace inteligentních buněk s cílem položit základy pro další rozšiřování výrobní kapacity a flexibility vozidel lze dosáhnout kombinací různých druhů standardizovaných buněk a v konečném důsledku k výraznému snížení ve výrobních nákladech.