Обговорення загального дизайн-проекту батареї

一、Загальні конструктивні особливості модуля

Модуль батареї можна розуміти як проміжний продукт між елементом батареї та блоком акумуляторів, утвореним комбінацією елемента літій-іонної батареї в послідовному та паралельному з’єднанні та пристрою моніторингу та керування напругою та температурою однієї батареї. Його структура повинна підтримувати, фіксувати та захищати комірку, а вимоги до конструкції мають відповідати вимогам щодо механічної міцності, електричних характеристик, ефективності розсіювання тепла та здатності усунути несправності.Чи може він повністю фіксувати положення елемента та захистити його від деформації, що погіршує продуктивність, як відповідати вимогам щодо продуктивності струму, як відповідати контролю температури елемента, чи вимикати живлення при виявленні серйозних відхилень, чи уникнення розповсюдження теплового випромінювання тощо буде критерієм для оцінки достоїнств акумуляторного модуля.
 

Малюнок 1: Акумуляторна батарея квадратної форми

 

Рисунок 2: Акумуляторна батарея квадратної форми

Малюнок 3: Циліндричний акумулятор

二、Вимоги до електричних характеристик

● Вимоги до узгодженості групи клітинок:

Через обмеження виробничого процесу неможливо досягти повної узгодженості параметрів кожної комірки. У процесі послідовного використання клітина з великим внутрішнім опором спочатку розряджається, а спочатку повністю заряджається, при тривалому використанні різниця в ємності та напрузі кожної послідовної клітини стає все більш очевидною. Є вісім вимог узгодженості, які необхідно враховувати при виборі комірок для модулів.
1. Послідовна ємність
2. Послідовна напруга
3. Послідовний постійний коефіцієнт струму
4. Послідовна потужність
5. Послідовний внутрішній опір
6. Послідовна швидкість саморозряду
7. Послідовна партія виробництва
8. Послідовна розвантажувальна платформа

● Вимоги до конструкції низької напруги:

Модуль складається з певної кількості елементів батареї, розташованих послідовно та паралельно, включаючи дві частини ліній низької та високої напруги. Лінія низької напруги виконує завдання збору сигналу напруги та температури окремої комірки та оснащена відповідною схемою балансування. Деякі виробники розробляють друковану плату із запобіжниками для захисту окремої батареї по черзі, а також використовується комбінація друкованої плати та захисту запобіжником, коли в певній точці відмови запобіжник спрацьовує, несправна батарея від’єднується, інші батареї працюють нормально, а безпека висока.

Рисунок 4: Структурна схема квадратного твердого модуля

● Вимоги до конструкції високої напруги:

Коли кількість комірок досягає певного ступеня і перевищує безпечну напругу 60 В, утворюється ланцюг високої напруги. Високовольтне з’єднання має відповідати двом вимогам: по-перше, розподіл провідників і контактний опір між коміркою має бути рівномірним, інакше виявлення напруги в одній комірці буде перешкоджати. По-друге, опір має бути достатньо малим, щоб уникнути марної витрати електроенергії на шляху передачі. Електрична ізоляція між лініями високої та низької напруги також повинна бути розглянута для забезпечення безпеки високої напруги.

三、Вимоги до проектування механічних конструкцій

Механічна структура модуля повинна відповідати вимогам національного стандарту дизайну, антивібрації, антивтоми. Немає віртуального зварювання між зварюванням сердечника батареї та випадком надмірного зварювання, герметизація акумуляторної батареї хороша. Зрозуміло, що ефективність композиції модулів і батарейних блоків у промисловості така

	Ефективність групи	Ефективність акумуляторної батареї
Циліндрична клітина	87%	65%
Квадратна клітина	89%	68%
М'яка клітина	85%	65%

Статистика ефективності різних груп батарей і блоків батарей
Поліпшення використання простору є важливим способом оптимізації модуля, підприємства живлення батареї PACK можуть покращити конструкцію модуля та системи керування температурою, зменшити відстань між осередками, щоб покращити використання простору всередині акумуляторної коробки. Ще один вихід – використання нових матеріалів. Наприклад, шина в системі батареї живлення (шина в паралельному ланцюзі, як правило, зроблена з мідної пластини) замінена міддю на алюміній, а кріпильні елементи модуля замінено листовим металевим матеріалом із високоміцною сталлю та алюмінієм, який також може зменшити вагу акумулятора.

四、 Тепловий дизайн модуля

В даний час управління температурою систем живлення акумуляторів можна розділити на чотири категорії: природне охолодження, повітряне охолодження, рідинне охолодження та пряме охолодження. Серед них природне охолодження є пасивним методом управління теплом, тоді як повітряне охолодження, рідинне охолодження та пряме охолодження є активними, і головна відмінність між ними полягає в різниці в теплоносії.

● Природне охолодження

Природне охолодження немає додаткового пристрою для передачі тепла.

● Повітряне охолодження

Повітряне охолодження використовує повітря як теплоносій. Пасивне повітряне охолодження поділяється на пасивне повітряне охолодження та активне повітряне охолодження. Це означає пряме використання зовнішнього повітряного теплообміну. Активне повітряне охолодження можна розглядати як нагрівання або охолодження зовнішнього повітря з метою розсіювання або нагрівання батареї.

● Рідинне охолодження

Рідинне охолодження використовує антифриз (наприклад, етиленгліколь) як теплоносій. У схемі, як правило, є багато різних контурів теплообміну, таких як VOLT з радіаторним контуром, контур кондиціонування повітря, контур PTC, система керування батареєю відповідно до стратегії теплового керування для регулювання реакції та перемикання. TESLA Model S має послідовний контур охолодження двигуна. Коли батарею необхідно нагріти при низькій температурі, контур охолодження двигуна включений послідовно з контуром охолодження батареї, і двигун може нагріти батарею. Коли батарея живлення має високу температуру, контур охолодження двигуна та контур охолодження акумулятора регулюватимуться паралельно, а дві системи охолодження розсіюватимуть тепло незалежно.

● Пряме охолодження

Пряме охолодження з використанням холодоагенту (матеріалу, що змінює фазу) як середовища передачі тепла, холодоагент може поглинати багато тепла в процесі зміни рідкої фази, порівняно з холодоагентом ефективність теплопередачі може бути збільшена більш ніж у три рази, швидше забрати тепло всередині акумуляторної системи. Пряме охолодження використовувалося в BMW i3.
Крім ефективності охолодження, рішення для керування температурою акумуляторної системи мають враховувати постійність усіх температур акумулятора. PACK містить сотні або тисячі клітин, і датчик температури не може виявити кожну клітинку. Наприклад, в модулі Tesla Model S стоять сотні акумуляторів, а точки вимірювання температури розташовані лише дві. Таким чином, батарея має бути максимально узгодженою через систему управління температурою. А краща стабільність температури є передумовою постійного заряду батареї, терміну служби, SOC та інших параметрів продуктивності.

На даний момент основний метод охолодження на ринку змінився на комбінацію рідинного охолодження та охолодження матеріалу зі зміною фаз. Охолодження матеріалу зі зміною фази можна використовувати в поєднанні з рідинним охолодженням або окремо в менш суворих умовах навколишнього середовища. Крім того, існує процес, який все ще ширше використовується в Китаї, а процес термопровідності наноситься на нижню частину модуля батареї. Теплопровідність термоклею набагато вище, ніж у повітря. Тепло, що випромінюється елементом батареї, передається теплопровідним клеєм до корпусу модуля, а потім далі розсіюється в навколишнє середовище.

Резюме:

У майбутньому великі заводи-виробники та акумуляторні батареї будуть вести жорстку конкуренцію в розробці та виробництві модулів навколо підвищення продуктивності та зниження вартості. Продуктивність повинна відповідати вимогам щодо механічної міцності, електричних характеристик, ефективності розсіювання тепла та іншим трьом аспектам для подальшого підвищення основної конкурентоспроможності продукту. З точки зору вартості, проводяться поглиблені дослідження стандартизації розумних комірок, щоб закласти основу для подальшого розширення виробничих потужностей, а гнучкості транспортних засобів можна досягти за рахунок поєднання різних типів стандартизованих комірок, і, зрештою, значного скорочення у собівартості продукції.