Diskusia o celkovom dizajnovom projekte batérie

一、Celkové konštrukčné prvky modulu

Batériový modul možno chápať ako medziprodukt medzi batériovým článkom a batériovou súpravou tvorený kombináciou lítium-iónového batériového článku v sérii a paralelne a zariadenia na monitorovanie a riadenie napätia a teploty jedinej batérie. Jeho štruktúra musí podporovať, fixovať a chrániť článok a konštrukčné požiadavky musia spĺňať požiadavky na mechanickú pevnosť, elektrický výkon, výkon odvádzania tepla a schopnosť zvládať poruchy.Či dokáže úplne zafixovať polohu článku a ochrániť ho pred deformáciou, ktorá poškodzuje výkon, ako splniť požiadavky na výkon pri prenášaní prúdu, ako splniť kontrolu teploty článku, či sa má vypnúť pri výskyte vážnych abnormalít, či treba zamedzenie šírenia tepelného úniku atď. bude kritériom na posúdenie predností batériového modulu.
 

Obrázok 1: Štvorcová napájacia batéria s pevným plášťom

 

Obrázok 2: Štvorcový soft pack napájací akumulátor

Obrázok 3: Cylindrická batéria

二、Požiadavky na elektrický výkon

● Požiadavky na konzistenciu bunkových skupín:

Kvôli obmedzeniu výrobného procesu nie je možné dosiahnuť úplnú konzistentnosť parametrov každej bunky. V procese sériového používania je článok s veľkým vnútorným odporom najskôr vybitý a najskôr plne nabitý, pri dlhodobom používaní je rozdiel v kapacite a napätí každého sériového článku čoraz zreteľnejší. Existuje osem požiadaviek na konzistenciu, ktoré je potrebné zvážiť pri výbere buniek pre moduly.
1.Konzistentná kapacita
2.Konzistentné napätie
3.Konzistentný pomer konštantného prúdu
4.Konzistentná sila
5.Konzistentný vnútorný odpor
6. Konzistentná miera samovybíjania
7. Konzistentná výrobná dávka
8. Konzistentná vypúšťacia platforma

● Požiadavky na dizajn nízkeho napätia：

Modul je zložený z určitého počtu batériových článkov v sérii a paralelne, vrátane dvoch častí nízkonapäťových a vysokonapäťových vedení. Nízkonapäťové vedenie má za úlohu zhromažďovať signál napätia a teploty jednotlivého článku a je vybavené zodpovedajúcim vyrovnávacím obvodom. Niektorí výrobcovia navrhnú dosku plošných spojov s poistkami na ochranu jednej batérie po jednej a používa sa aj kombinácia dosky plošných spojov a poistky, po určitom bode poruchy poistka funguje, chybná batéria je odpojená, iné batérie pracovať normálne a bezpečnosť je vysoká.

Obrázok 4:  Schéma štruktúry modulu štvorcového pevného obalu

● Požiadavky na dizajn vysokého napätia：

Keď počet článkov dosiahne určitý stupeň a prekročí bezpečné napätie 60V, vytvorí sa vysokonapäťový obvod. Vysokonapäťové pripojenie musí spĺňať dve požiadavky: po prvé, rozloženie vodičov a prechodový odpor medzi článkom by mali byť rovnomerné, inak bude rušená detekcia napätia jedného článku. Po druhé, odpor by mal byť dostatočne malý, aby sa zabránilo plytvaniu elektrickou energiou na prenosovej ceste. Na zaistenie bezpečnosti vysokého napätia by sa mala zvážiť aj elektrická izolácia medzi vysokonapäťovými a nízkonapäťovými vedeniami.

三、Požiadavky na dizajn mechanických konštrukcií

Mechanická štruktúra modulu musí spĺňať národné štandardné konštrukčné požiadavky, antivibračné, proti únave. Neexistuje žiadne virtuálne zváranie medzi zváraním jadra batérie a v prípade nadmerného zvárania je utesnenie batérie dobré. Rozumie sa, že účinnosť zloženia modulov a batériových súprav v priemysle je nasledovná

	Skupinová efektivita	Účinnosť akumulátora
Cylindrická bunka	87 %	65 %
Štvorcová bunka	89 %	68 %
Mäkká bunka	85 %	65 %

Štatistiky účinnosti rôznych skupín batérií a súprav batérií
Zlepšenie využitia priestoru je dôležitým spôsobom optimalizácie modulu, podniky s napájacími batériami môžu vylepšiť dizajn modulu a systému tepelného manažmentu, zmenšiť rozstup buniek, aby sa zlepšilo využitie priestoru vo vnútri batériovej skrinky. Ďalším riešením je použitie nových materiálov. Napríklad zbernica v systéme napájacej batérie (zbernica v paralelnom obvode, zvyčajne vyrobená z medeného plechu) je nahradená meďou s hliníkom a upevňovacie prvky modulu sú nahradené plechovými materiálmi s vysokopevnostnou oceľou a hliníkom, ktoré môže tiež znížiť hmotnosť napájacej batérie.

四、 Tepelný dizajn modulu

V súčasnosti možno tepelný manažment systémov napájacích batérií rozdeliť najmä do štyroch kategórií, prirodzené chladenie, chladenie vzduchom, chladenie kvapalinou a priame chladenie. Medzi nimi je prirodzené chladenie pasívnou metódou tepelného manažmentu, zatiaľ čo vzduchové chladenie, kvapalinové chladenie a priame chladenie sú aktívne a hlavný rozdiel medzi nimi je rozdiel v médiu na prenos tepla.

● Prirodzené chladenie

Prirodzené chladenie neexistuje žiadne dodatočné zariadenie na prenos tepla.

● Chladenie vzduchom

Vzduchové chladenie využíva vzduch ako teplonosné médium. Pasívne vzduchové chladenie, rozdelené na pasívne vzduchové chladenie a aktívne vzduchové chladenie, sa týka priameho využitia externého vzduchového chladenia prenosom tepla. Aktívne chladenie vzduchom možno považovať za ohrievanie alebo chladenie vonkajšieho vzduchu, aby sa rozptýlila alebo zohriala batéria.

● Chladenie kvapalinou

Kvapalinové chladenie používa nemrznúcu zmes (ako je etylénglykol) ako médium na prenos tepla. V schéme je vo všeobecnosti veľa rôznych okruhov výmeny tepla, ako napríklad VOLT s okruhom chladiča, okruh klimatizácie, okruh PTC, systém riadenia batérie podľa stratégie tepelného manažmentu pre nastavenie odozvy a prepínanie. TESLA Model S má okruh v sérii s chladením motora. Keď je potrebné batériu zahriať pri nízkej teplote, chladiaci okruh motora je v sérii s chladiacim okruhom batérie a motor môže zohrievať batériu. Keď je napájacia batéria pri vysokej teplote, chladiaci okruh motora a chladiaci okruh batérie sa nastavia paralelne a oba chladiace systémy budú odvádzať teplo nezávisle.

● Priame chladenie

Priame chladenie s použitím chladiva (materiál na zmenu fázy) ako média na prenos tepla, chladivo môže absorbovať veľa tepla v procese zmeny kvapalnej fázy, v porovnaní s účinnosťou prenosu tepla chladiva sa môže zvýšiť viac ako trikrát, rýchlejšie odobrať teplo vo vnútri batériového systému. V BMW i3 bolo použité priame chladenie.
Riešenia tepelného manažmentu batériového systému musia okrem účinnosti chladenia zvážiť aj konzistentnosť všetkých teplôt batérie. PACK má stovky alebo tisíce buniek a teplotný senzor nedokáže rozpoznať každú bunku. Napríklad v module Tesla Model S sú stovky batérií a sú usporiadané iba dva body detekcie teploty. Preto musí byť batéria čo najkonzistentnejšia prostredníctvom návrhu tepelného manažmentu. A lepšia teplotná stálosť je predpokladom konzistentného výkonu batérie, životnosti, SOC a ďalších výkonnostných parametrov.

V súčasnosti sa hlavný spôsob chladenia na trhu zmenil na kombináciu chladenia kvapalinou a chladenia materiálu s fázovou zmenou. Chladenie materiálu s fázovou zmenou možno použiť v spojení s kvapalinovým chladením alebo samostatne v menej náročných podmienkach prostredia. Okrem toho existuje proces, ktorý sa v Číne stále viac používa, a proces lepenia tepelnej vodivosti sa aplikuje na spodnú časť batériového modulu. Tepelná vodivosť tepelného lepidla je oveľa vyššia ako tepelná vodivosť vzduchu. Teplo vyžarované batériovým článkom sa prenáša tepelne vodivým lepidlom do krytu modulu a potom sa ďalej odvádza do okolia.

Zhrnutie:

V budúcnosti budú hlavní výrobcovia OEM a továrne na batérie uskutočňovať tvrdú konkurenciu pri navrhovaní a výrobe modulov v oblasti zlepšenia výkonu a zníženia nákladov. Výkon musí spĺňať požiadavky na mechanickú pevnosť, elektrický výkon, výkon odvádzania tepla a ďalšie tri aspekty, aby sa ďalej posilnila základná konkurencieschopnosť produktu. Pokiaľ ide o náklady, vykonáva sa hĺbkový výskum štandardizácie inteligentných buniek s cieľom položiť základy pre ďalšie rozširovanie výrobnej kapacity a flexibilitu vozidiel možno dosiahnuť kombináciou rôznych druhov štandardizovaných buniek a v konečnom dôsledku výrazne znížiť vo výrobných nákladoch.