Razprava o celotnem načrtovalskem projektu baterije

一、Splošne oblikovne značilnosti modula

Baterijski modul je mogoče razumeti kot vmesni izdelek med baterijsko celico in baterijskim sklopom, ki ga tvori kombinacija litij-ionske baterijske celice v seriji in vzporedno ter naprave za nadzor in upravljanje napetosti in temperature ene baterije. Njegova struktura mora podpirati, pritrditi in zaščititi celico, konstrukcijske zahteve pa morajo izpolnjevati zahteve mehanske trdnosti, električne zmogljivosti, učinkovitosti odvajanja toplote in sposobnosti odpravljanja napak.Ali lahko popolnoma popravi položaj celice in jo zaščiti pred deformacijami, ki poškodujejo delovanje, kako izpolniti zahteve zmogljivosti tokovne nosilnosti, kako izpolniti nadzor temperature celice, ali izklopiti napajanje, ko naleti na resne nepravilnosti, ali izogibanje širjenju toplotnega odmika itd., bo merilo za presojo prednosti baterijskega modula.
 

Slika 1: kvadratni napajalni paket s trdo lupino

 

Slika 2: Kvadratna mehka baterija

Slika 3: Cilindrični baterijski paket

二、Zahteve glede električne zmogljivosti

● Zahteve glede skladnosti skupine celic:

Zaradi omejenosti proizvodnega procesa je nemogoče doseči popolno skladnost parametrov vsake celice. V procesu serijske uporabe se celica z velikim notranjim uporom najprej izprazni in najprej popolnoma napolni, pri dolgotrajni uporabi postaja razlika v kapaciteti in napetosti vsake serijske celice vedno bolj očitna. Pri izbiri celic za module je treba upoštevati osem zahtev glede skladnosti.
1. Dosledna zmogljivost
2. Dosledna napetost
3. Dosledno razmerje konstantnega toka
4. Dosledna moč
5. Dosleden notranji upor
6. Dosledna stopnja samopraznjenja
7. Dosledna proizvodna serija
8. Dosledna izpustna ploščad

● Zahteve za nizko napetost:

Modul je sestavljen iz določenega števila zaporedno in vzporedno povezanih baterijskih celic, vključno z dvema deloma nizkonapetostnega in visokonapetostnega voda. Nizkonapetostni vod nosi nalogo zbiranja napetostnega in temperaturnega signala posamezne celice in je opremljen z ustreznim uravnoteženim vezjem. Nekateri proizvajalci bodo oblikovali ploščo tiskanega vezja z varovalkami za zaščito posamezne baterije eno za drugo, uporablja pa se tudi kombinacija plošče tiskanega vezja in zaščite z varovalko, ko pride do določene točke okvare, varovalka deluje, baterija z napako je odklopljena, druge baterije delujejo normalno in varnost je visoka.

Slika 4: Strukturni diagram kvadratnega trdega modula

● Visokonapetostne konstrukcijske zahteve:

Ko število celic doseže določeno stopnjo in preseže varno napetost 60 V, se oblikuje visokonapetostno vezje. Visokonapetostna povezava mora izpolnjevati dve zahtevi: prvič, porazdelitev vodnikov in kontaktni upor med celico morata biti enakomerna, sicer bo zaznavanje napetosti posamezne celice moteno. Drugič, upor mora biti dovolj majhen, da se prepreči izguba električne energije na prenosni poti. Za zagotovitev visokonapetostne varnosti je treba upoštevati tudi električno izolacijo med visokonapetostnimi in nizkonapetostnimi vodi.

三、Konstrukcijske zahteve za mehanske strukture

Mehanska struktura modula mora izpolnjevati nacionalne standardne zahteve za načrtovanje, proti vibracijam, proti utrujenosti. Med varjenjem jedra akumulatorja ni navideznega varjenja, v primeru prekomernega varjenja pa je tesnjenje paketa baterij dobro. Razume se, da je učinkovitost sestave modulov in baterijskih paketov v industriji naslednja

	Skupinska učinkovitost	Učinkovitost paketa baterij
Cilindrična celica	87 %	65 %
Kvadratna celica	89 %	68 %
Mehka celica	85 %	65 %

Statistika učinkovitosti različnih skupin baterij in baterijskih sklopov
Izboljšanje izkoriščenosti prostora je pomemben način za optimizacijo modula, podjetja PACK za napajanje baterij lahko izboljšajo zasnovo modula in sistema za upravljanje toplote, zmanjšajo razmik med celicami, da izboljšajo izkoriščenost prostora znotraj škatle za baterije. Druga rešitev je uporaba novih materialov. Na primer, vodilo v napajalnem akumulatorskem sistemu (vodilo v vzporednem vezju, običajno iz bakrene plošče) je nadomeščeno z bakrom z aluminijem, pritrdilni elementi modula pa so nadomeščeni s pločevinastimi materiali z visokotrdnostnim jeklom in aluminijem, kar lahko tudi zmanjša težo napajalne baterije.

四、 Toplotna zasnova modula

Trenutno lahko toplotno upravljanje baterijskih sistemov v glavnem razdelimo v štiri kategorije, naravno hlajenje, zračno hlajenje, hlajenje s tekočino in neposredno hlajenje. Med njimi je naravno hlajenje pasivna metoda toplotnega upravljanja, medtem ko so zračno hlajenje, tekočinsko hlajenje in neposredno hlajenje aktivni, glavna razlika med tremi pa je razlika v mediju za prenos toplote.

● Naravno hlajenje

Naravno hlajenje ni dodatne naprave za prenos toplote.

● Zračno hlajenje

Zračno hlajenje uporablja zrak kot medij za prenos toplote. Pasivno zračno hlajenje, razdeljeno na pasivno zračno hlajenje in aktivno zračno hlajenje, se nanaša na neposredno uporabo zunanjega zračnega prenosa toplote. Aktivno zračno hlajenje se lahko šteje za ogrevanje ali hlajenje zunanjega zraka, da se razprši ali segreje baterija.

● Tekočinsko hlajenje

Tekočinsko hlajenje uporablja antifriz (kot je etilen glikol) kot medij za prenos toplote. V shemi je na splošno veliko različnih krogov za izmenjavo toplote, kot so VOLT z radiatorskim krogom, krog klimatske naprave, PTC krog, sistem za upravljanje baterije v skladu s strategijo toplotnega upravljanja za prilagoditev odziva in preklapljanje. TESLA Model S ima vezje v seriji s hlajenjem motorja. Ko je treba akumulator segreti pri nizki temperaturi, je hladilni krog motorja zaporedno povezan s hladilnim krogom akumulatorja in motor lahko segreje akumulator. Ko je napajalna baterija pri visoki temperaturi, se hladilni krog motorja in hladilni krog akumulatorja prilagajata vzporedno, oba hladilna sistema pa bosta neodvisno odvajala toploto.

● Neposredno hlajenje

Neposredno hlajenje z uporabo hladilnega sredstva (material za spremembo faze) kot medija za prenos toplote, hladilno sredstvo lahko absorbira veliko toplote v procesu spremembe tekoče faze, v primerjavi s hladilnim sredstvom se lahko učinkovitost prenosa toplote poveča za več kot trikrat, hitreje odvzame toplota znotraj akumulatorskega sistema. Neposredno hlajenje je bilo uporabljeno v BMW i3.
Rešitve toplotnega upravljanja akumulatorskega sistema morajo poleg učinkovitosti hlajenja upoštevati tudi doslednost vseh temperatur akumulatorja. PACK ima na stotine ali tisoče celic in temperaturni senzor ne more zaznati vsake celice. Na primer, v modulu Tesle Model S je na stotine baterij, urejeni pa sta samo dve točki za zaznavanje temperature. Zato mora biti baterija čim bolj dosledna z zasnovo toplotnega upravljanja. In boljša doslednost temperature je predpostavka za dosledno moč baterije, življenjsko dobo, SOC in druge parametre delovanja.

Trenutno se je glavni način hlajenja na trgu spremenil v kombinacijo hlajenja s tekočino in hlajenja materiala s fazno spremembo. Hlajenje materiala s fazno spremembo se lahko uporablja v povezavi s tekočinskim hlajenjem ali samostojno v manj težkih okoljskih pogojih. Poleg tega obstaja postopek, ki se še vedno pogosteje uporablja na Kitajskem, postopek lepljenja toplotne prevodnosti pa se nanese na dno baterijskega modula. Toplotna prevodnost termičnega lepila je veliko višja od prevodnosti zraka. Toplota, ki jo oddaja baterijska celica, se s toplotno prevodnim lepilom prenese na ohišje modula, nato pa se naprej razprši v okolje.

Povzetek:

V prihodnosti bodo glavni proizvajalci originalne opreme in tovarne baterij izvajali ostro konkurenco pri oblikovanju in proizvodnji modulov v zvezi z izboljšanjem zmogljivosti in znižanjem stroškov. Učinkovitost mora izpolnjevati zahteve glede mehanske trdnosti, električne zmogljivosti, učinkovitosti odvajanja toplote in drugih treh vidikov, da se dodatno poveča glavna konkurenčnost izdelka. Kar zadeva stroške, se izvajajo poglobljene raziskave o standardizaciji pametnih celic, da se postavi temelj za nadaljnjo širitev proizvodnih zmogljivosti, prilagodljivost vozil pa je mogoče doseči s kombinacijo različnih vrst standardiziranih celic in na koncu znatno zmanjšanje v proizvodnih stroških.