Diskussion über das Gesamtdesignprojekt der Batterie

一、Gesamtdesignmerkmale des Moduls

Das Batteriemodul kann als Zwischenprodukt zwischen der Batteriezelle und dem Batteriepaket verstanden werden, das durch die Kombination der Lithium-Ionen-Batteriezelle in Reihe und Parallel und der Spannungs- und Temperaturüberwachungs- und -managementvorrichtung der einzelnen Batterie gebildet wird. Seine Struktur muss die Zelle stützen, befestigen und schützen, und die Designanforderungen müssen die Anforderungen an mechanische Festigkeit, elektrische Leistung, Wärmeableitungsleistung und Fehlerbehandlungsfähigkeit erfüllen.Ob es die Position der Zelle vollständig fixieren und sie vor Verformungen schützen kann, die die Leistung beeinträchtigen, wie die Anforderungen an die Stromführungsleistung erfüllt werden, wie die Kontrolle der Temperatur der Zelle erfüllt wird, ob das Ausschalten bei schwerwiegenden Anomalien erfolgen soll, ob Die Vermeidung der Ausbreitung von thermischem Durchgehen usw. ist das Kriterium für die Beurteilung der Vorzüge des Batteriemoduls.
 

Abbildung 1: Quadratischer Hartschalen-Akku

 

Abbildung 2: Quadratischer Softpack-Power-Akku

Abbildung 3: Zylindrischer Akku

二、Elektrische Leistungsanforderungen

● Anforderungen an die Zellgruppenkonsistenz:

Aufgrund der Einschränkungen des Produktionsprozesses ist es unmöglich, die vollständige Konsistenz der Parameter jeder Zelle zu erreichen. Bei der Seriennutzung wird die Zelle mit großem Innenwiderstand zunächst entladen und zunächst vollständig aufgeladen. Bei Langzeitgebrauch wird der Unterschied in Kapazität und Spannung jeder Serienzelle immer deutlicher. Bei der Auswahl von Zellen für Module müssen acht Konsistenzanforderungen berücksichtigt werden.
1. Konsistente Kapazität
2. Konsistente Spannung
3. Konsistentes Konstantstromverhältnis
4. Konsistente Leistung
5. Konsistenter Innenwiderstand
6. Konsistente Selbstentladungsrate
7. Konsistente Produktionscharge
8. Konsistente Entladeplattform

● Anforderungen an das Niederspannungsdesign:

Das Modul besteht aus einer bestimmten Anzahl von Batteriezellen in Reihe und parallel, einschließlich zwei Teilen Niederspannungs- und Hochspannungsleitungen. Die Niederspannungsleitung übernimmt die Aufgabe, das Spannungs- und Temperatursignal der Einzelzelle zu sammeln und ist mit der entsprechenden Balanceschaltung ausgestattet. Einige Hersteller entwerfen eine Leiterplatte mit Sicherungen, um die einzelne Batterie einzeln zu schützen, und die Kombination aus Leiterplatte und Sicherungsschutz wird ebenfalls verwendet. Sobald ein bestimmter Fehlerpunkt erreicht ist, funktioniert die Sicherung, die fehlerhafte Batterie wird abgeklemmt, andere Batterien normal arbeiten, und die Sicherheit ist hoch.

Abbildung 4: Strukturdiagramm eines quadratischen Hartschalenmoduls

● Anforderungen an das Hochspannungsdesign:

Wenn die Anzahl der Zellen einen bestimmten Wert erreicht und die sichere Spannung von 60 V überschreitet, wird der Hochspannungskreis gebildet. Der Hochspannungsanschluss muss zwei Anforderungen erfüllen: Erstens müssen die Leiterverteilung und die Kontaktwiderstände zwischen den Zellen gleichmäßig sein, da sonst die Spannungserkennung der einzelnen Zelle gestört wird. Zweitens sollte der Widerstand klein genug sein, um eine Verschwendung elektrischer Energie auf dem Übertragungsweg zu vermeiden. Um die Hochspannungssicherheit zu gewährleisten, sollte auch eine elektrische Isolierung zwischen Hoch- und Niederspannungsleitungen berücksichtigt werden.

三、Designanforderungen für mechanische Strukturen

Die mechanische Struktur des Moduls muss den nationalen Standard-Designanforderungen, Anti-Vibration und Anti-Ermüdung entsprechen. Zwischen dem Schweißen des Batteriekerns und dem Überschweißen gibt es keine virtuelle Schweißung, die Abdichtung des Batteriepakets ist gut. Es versteht sich, dass die Zusammensetzungseffizienz von Modulen und Batteriepaketen in der Industrie wie folgt ist

	Gruppeneffizienz	Effizienz des Akkupacks
Zylindrische Zelle	87 %	65 %
Quadratische Zelle	89 %	68 %
Weiche Zelle	85 %	65 %

Effizienzstatistiken verschiedener Batteriegruppen und Batteriepakete
Die Verbesserung der Raumnutzung ist ein wichtiger Weg zur Optimierung des Moduls. Power-Batterie-Pack-Unternehmen können das Design des Moduls und des Wärmemanagementsystems verbessern, den Zellabstand verringern und so die Raumnutzung im Batteriekasten verbessern. Eine andere Lösung besteht darin, neue Materialien zu verwenden. Beispielsweise wird der Bus im Leistungsbatteriesystem (der Bus im Parallelkreis, im Allgemeinen aus Kupferblech) durch Kupfer mit Aluminium ersetzt, und die Modulbefestigungen werden durch Blechmaterialien mit hochfestem Stahl und Aluminium ersetzt kann auch das Gewicht des Power-Akkus reduzieren.

四、 Modul thermisches Design

Derzeit kann das Wärmemanagement von Energiebatteriesystemen hauptsächlich in vier Kategorien unterteilt werden: natürliche Kühlung, Luftkühlung, Flüssigkeitskühlung und direkte Kühlung. Unter diesen ist die natürliche Kühlung eine passive Wärmemanagementmethode, während Luftkühlung, Flüssigkeitskühlung und direkte Kühlung aktiv sind und der Hauptunterschied zwischen den dreien der Unterschied im Wärmeübertragungsmedium ist.

● Natürliche Kühlung

Bei der natürlichen Kühlung gibt es keine zusätzliche Vorrichtung zur Wärmeübertragung.

● Luftkühlung

Bei der Luftkühlung wird Luft als Wärmeträgermedium genutzt. Die passive Luftkühlung ist in passive Luftkühlung und aktive Luftkühlung unterteilt und bezieht sich auf die direkte Nutzung der externen Luftwärmeübertragungskühlung. Eine aktive Luftkühlung kann in Betracht gezogen werden, um die Außenluft zu erwärmen oder zu kühlen, um die Batterie abzuleiten oder zu erwärmen.

● Flüssigkeitskühlung

Bei der Flüssigkeitskühlung wird Frostschutzmittel (z. B. Ethylenglykol) als Wärmeübertragungsmedium verwendet. Im Schema gibt es im Allgemeinen viele verschiedene Wärmeaustauschkreise, wie z. B. VOLT mit Kühlerkreis, Klimakreis, PTC-Kreis, Batteriemanagementsystem entsprechend der Wärmemanagementstrategie zur Reaktionsanpassung und -umschaltung. Das TESLA Model S verfügt über einen Kreislauf in Reihe mit der Motorkühlung. Wenn die Batterie auf eine niedrige Temperatur erwärmt werden muss, ist der Motorkühlkreislauf mit dem Batteriekühlkreislauf in Reihe geschaltet, und der Motor kann die Batterie erwärmen. Wenn die Leistungsbatterie eine hohe Temperatur hat, werden der Motorkühlkreislauf und der Batteriekühlkreislauf parallel angepasst und die beiden Kühlsysteme leiten die Wärme unabhängig voneinander ab.

● Direktkühlung

Durch die direkte Kühlung mit Kältemittel (Phasenwechselmaterial) als Wärmeübertragungsmedium kann Kältemittel im Prozess des flüssigen Phasenwechsels viel Wärme absorbieren, wodurch die Wärmeübertragungseffizienz im Vergleich zum Kältemittel um mehr als das Dreifache erhöht und schneller abgeführt werden kann die Hitze im Batteriesystem. Im BMW i3 kam Direktkühlung zum Einsatz.
Wärmemanagementlösungen für Batteriesysteme müssen neben der Kühleffizienz auch die Konsistenz aller Batterietemperaturen berücksichtigen. Das PACK besteht aus Hunderten oder Tausenden von Zellen und der Temperatursensor kann nicht jede Zelle erkennen. Beispielsweise befinden sich in einem Modul des Tesla Model S Hunderte von Batterien, und es sind nur zwei Temperaturerfassungspunkte angeordnet. Daher muss die Batterie hinsichtlich des Wärmemanagementdesigns so konsistent wie möglich sein. Und eine bessere Temperaturkonstanz ist die Voraussetzung für konstante Batterieleistung, Lebensdauer, Ladezustand und andere Leistungsparameter.

Gegenwärtig hat sich die gängige Kühlmethode auf dem Markt zu einer Kombination aus Flüssigkeitskühlung und Phasenwechselmaterialkühlung gewandelt. Die Phasenwechselmaterialkühlung kann in Verbindung mit Flüssigkeitskühlung oder allein unter weniger rauen Umgebungsbedingungen eingesetzt werden. Darüber hinaus gibt es ein Verfahren, das in China noch weiter verbreitet ist und das Wärmeleitklebeverfahren auf die Unterseite des Batteriemoduls aufbringt. Die Wärmeleitfähigkeit von Thermokleber ist viel höher als die von Luft. Die von der Batteriezelle abgegebene Wärme wird durch den Wärmeleitkleber auf das Modulgehäuse übertragen und von dort weiter an die Umgebung abgegeben.

Zusammenfassung:

In Zukunft werden große OEMs und Batteriefabriken einen harten Wettbewerb bei der Entwicklung und Produktion von Modulen um Leistungssteigerung und Kostensenkung austragen. Die Leistung muss die Anforderungen an mechanische Festigkeit, elektrische Leistung, Wärmeableitungsleistung und andere drei Aspekte erfüllen, um die Kernwettbewerbsfähigkeit des Produkts weiter zu verbessern. Im Hinblick auf die Kosten werden eingehende Untersuchungen zur Standardisierung intelligenter Zellen durchgeführt, um den Grundstein für einen weiteren Ausbau der Produktionskapazität zu legen. Durch die Kombination verschiedener Arten standardisierter Zellen kann eine Fahrzeugflexibilität und letztendlich eine erhebliche Reduzierung erreicht werden bei den Produktionskosten.