Discussie over het algemene ontwerpproject van de batterij

一、Algemene ontwerpkenmerken van de module

De batterijmodule kan worden opgevat als een tussenproduct tussen de batterijcel en het batterijpakket, gevormd door de combinatie van de lithium-ionbatterijcel in serie en parallel, en het spannings- en temperatuurbewakings- en beheerapparaat van de enkele batterij. De structuur ervan moet de cel ondersteunen, fixeren en beschermen, en de ontwerpvereisten moeten voldoen aan de eisen van mechanische sterkte, elektrische prestaties, warmteafvoerprestaties en foutafhandelingsvermogen.Of het de celpositie volledig kan fixeren en deze kan beschermen tegen vervorming die de prestaties schaadt, hoe te voldoen aan de eisen van stroomdraagprestaties, hoe te voldoen aan de controle van de temperatuur van de cel, of uit te schakelen bij ernstige afwijkingen, of het vermijden van thermische voortplanting, enz., zullen de criteria zijn voor het beoordelen van de verdiensten van de batterijmodule.
 

Figuur 1: Vierkant batterijpakket met harde schaal

 

Figuur 2: Vierkant accupakket met zachte accu

Figuur 3: Cilindrische accu

二、Elektrische prestatie-eisen

● Consistentievereisten voor celgroepen:

Vanwege de beperking van het productieproces is het onmogelijk om de volledige consistentie van de parameters van elke cel te bereiken. Tijdens seriegebruik wordt de cel met een grote interne weerstand eerst ontladen en eerst volledig opgeladen. Bij langdurig gebruik wordt het verschil in capaciteit en spanning van elke seriecel steeds duidelijker. Er zijn acht consistentievereisten waarmee rekening moet worden gehouden bij het selecteren van cellen voor modules.
1.Consistente capaciteit
2.Consistente spanning
3. Consistente constante stroomverhouding
4.Consistente kracht
5.Consistente interne weerstand
6. Consistente zelfontlading
7. Consistente productiebatch
8. Consistent afvoerplatform

● Ontwerpvereisten voor laagspanning:

De module bestaat uit een bepaald aantal batterijcellen in serie en parallel, inclusief twee delen van laagspannings- en hoogspanningslijnen. De laagspanningslijn heeft de taak om het spannings- en temperatuursignaal van de enkele cel te verzamelen en is uitgerust met het bijbehorende balanscircuit. Sommige fabrikanten ontwerpen een printplaat met zekeringen om de enkele batterij één voor één te beschermen, en de combinatie van printplaat en zekeringbescherming wordt ook gebruikt. Zodra een bepaald storingspunt werkt, werkt de zekering, wordt de foutbatterij losgekoppeld en andere batterijen normaal werken, en de veiligheid is hoog.

Figuur 4: Structuurdiagram van vierkante module met harde schaal

● Ontwerpvereisten voor hoogspanning:

Wanneer het aantal cellen een bepaald niveau bereikt en de veilige spanning van 60V overschrijdt, wordt het hoogspanningscircuit gevormd. De hoogspanningsverbinding moet aan twee eisen voldoen: ten eerste moet de verdeling van de geleiders en de contactweerstand tussen de cel uniform zijn, anders wordt de spanningsdetectie van de enkele cel verstoord. Ten tweede moet de weerstand klein genoeg zijn om verspilling van elektrische energie op het transmissiepad te voorkomen. Er moet ook rekening worden gehouden met elektrische isolatie tussen hoog- en laagspanningslijnen om de veiligheid van hoogspanning te garanderen.

三、Ontwerpvereisten voor mechanische constructies

De mechanische structuur van de module moet voldoen aan de nationale standaardontwerpvereisten, anti-vibratie en anti-vermoeidheid. Er is geen virtueel laswerk tussen het lassen van de batterijkern, en in het geval van overlassen is de afdichting van het batterijpakket goed. Het is duidelijk dat de samenstellingsefficiëntie van modules en batterijpakketten in de industrie als volgt is

	Groepsefficiëntie	Efficiëntie van het batterijpakket
Cilindrische cel	87%	65%
Vierkante cel	89%	68%
Zachte cel	85%	65%

Efficiëntiestatistieken van verschillende batterijgroepen en batterijpakketten
Het verbeteren van het ruimtegebruik is een belangrijke manier om de module te optimaliseren. Power Battery PACK-bedrijven kunnen het ontwerp van de module en het thermische beheersysteem verbeteren, de celafstand verkleinen, om het gebruik van de ruimte in de accubak te verbeteren. Een andere oplossing is het gebruik van nieuwe materialen. De bus in het batterijsysteem (de bus in het parallelle circuit, meestal gemaakt van koperplaat) wordt bijvoorbeeld vervangen door koper met aluminium, en de modulebevestigingen worden vervangen door plaatmateriaal met hoogwaardig staal en aluminium, wat kan ook het gewicht van de accu verminderen.

四、 Thermisch ontwerp van de module

Momenteel kan het thermische beheer van krachtige batterijsystemen hoofdzakelijk worden onderverdeeld in vier categorieën: natuurlijke koeling, luchtkoeling, vloeistofkoeling en directe koeling. Onder hen is natuurlijke koeling een passieve methode voor thermisch beheer, terwijl luchtkoeling, vloeistofkoeling en directe koeling actief zijn, en het belangrijkste verschil tussen de drie is het verschil in het warmteoverdrachtsmedium.

● Natuurlijke koeling

Natuurlijke koeling, er is geen extra apparaat voor warmteoverdracht.

● Luchtkoeling

Bij luchtkoeling wordt lucht gebruikt als warmteoverdrachtsmedium. Verdeeld in passieve luchtkoeling en actieve luchtkoeling, verwijst passieve luchtkoeling naar het directe gebruik van externe luchtwarmteoverdrachtskoeling. Actieve luchtkoeling kan worden overwogen om de buitenlucht te verwarmen of te koelen om de batterij te verdrijven of te verwarmen.

● Vloeistofkoeling

Vloeistofkoeling maakt gebruik van antivries (zoals ethyleenglycol) als warmteoverdrachtsmedium. In het schema zijn er over het algemeen veel verschillende warmtewisselingscircuits, zoals VOLT met radiatorcircuit, airconditioningcircuit, PTC-circuit, batterijbeheersysteem volgens de thermische beheerstrategie voor responsaanpassing en schakelen. De TESLA Model S heeft een circuit in serie met de motorkoeling. Wanneer de accu op een lage temperatuur moet worden verwarmd, staat het motorkoelcircuit in serie met het accukoelcircuit en kan de motor de accu verwarmen. Wanneer de vermogensaccu een hoge temperatuur heeft, worden het motorkoelcircuit en het accukoelcircuit parallel aangepast en zullen de twee koelsystemen onafhankelijk van elkaar warmte afvoeren.

● Directe koeling

Directe koeling met behulp van koelmiddel (faseveranderingsmateriaal) als warmteoverdrachtsmedium, koelmiddel kan veel warmte absorberen tijdens het proces van vloeibare faseverandering, vergeleken met het koelmiddel kan de warmteoverdrachtsefficiëntie met meer dan drie keer worden verhoogd, sneller worden afgevoerd de hitte in het batterijsysteem. In de BMW i3 werd directe koeling toegepast.
Bij oplossingen voor thermisch beheer van batterijsystemen moet naast de koelingsefficiëntie ook rekening worden gehouden met de consistentie van alle batterijtemperaturen. De PACK heeft honderden of duizenden cellen en de temperatuursensor kan niet elke cel detecteren. Zo zitten er honderden batterijen in een module van Tesla Model S en zijn er slechts twee temperatuurdetectiepunten ingericht. Daarom moet de batterij zo consistent mogelijk zijn door middel van een thermisch beheerontwerp. En een betere temperatuurconsistentie is het uitgangspunt voor consistent batterijvermogen, levensduur, SOC en andere prestatieparameters.

Momenteel is de reguliere koelmethode op de markt veranderd in een combinatie van vloeistofkoeling en faseveranderingsmateriaalkoeling. Faseveranderingsmateriaalkoeling kan worden gebruikt in combinatie met vloeistofkoeling, of alleen in minder zware omgevingsomstandigheden. Bovendien is er een proces dat nog steeds op grotere schaal wordt gebruikt in China, waarbij het thermische geleidbaarheidskleefproces wordt toegepast op de onderkant van de batterijmodule. De thermische geleidbaarheid van thermische lijm is veel hoger dan die van lucht. De door de batterijcel afgegeven warmte wordt door de warmtegeleidende lijm overgebracht naar de modulebehuizing en vervolgens verder afgevoerd naar de omgeving.

Samenvatting:

In de toekomst zullen grote OEM's en batterijfabrieken hevige concurrentie voeren bij het ontwerp en de productie van modules rond prestatieverbetering en kostenreductie. De prestaties moeten voldoen aan de eisen van mechanische sterkte, elektrische prestaties, warmteafvoerprestaties en andere drie aspecten om het kernconcurrentievermogen van het product verder te verbeteren. Wat de kosten betreft, wordt diepgaand onderzoek naar de standaardisatie van slimme cellen uitgevoerd om de basis te leggen voor verdere uitbreiding van de productiecapaciteit, en voertuigflexibiliteit kan worden bereikt door de combinatie van verschillende soorten gestandaardiseerde cellen, en uiteindelijk een aanzienlijke reductie aan productiekosten.