Discussione sul progetto di progettazione generale della batteria

一、Caratteristiche generali del design del modulo

Il modulo batteria può essere inteso come un prodotto intermedio tra la cella della batteria e il pacco batteria formato dalla combinazione della cella della batteria agli ioni di litio in serie e parallelo, e del dispositivo di monitoraggio e gestione della tensione e della temperatura della singola batteria. La sua struttura deve supportare, fissare e proteggere la cella e i requisiti di progettazione devono soddisfare i requisiti di resistenza meccanica, prestazioni elettriche, prestazioni di dissipazione del calore e capacità di gestione dei guasti.Se può fissare completamente la posizione della cella e proteggerla dalla deformazione che danneggia le prestazioni, come soddisfare i requisiti di prestazione di trasporto di corrente, come soddisfare il controllo della temperatura della cella, se spegnere quando si riscontrano anomalie gravi, se evitare la propagazione dell'instabilità termica, ecc., saranno i criteri per giudicare i meriti del modulo batteria.
 

Figura 1: Pacco batteria quadrato con guscio rigido

 

Figura 2: Batteria di alimentazione soft pack quadrata

Figura 3: pacco batteria cilindrico

二、Requisiti di prestazione elettrica

● Requisiti di coerenza del gruppo di celle:

A causa delle limitazioni del processo di produzione, è impossibile ottenere la completa coerenza dei parametri di ciascuna cella. Nel processo di utilizzo in serie, la cella con grande resistenza interna viene prima scaricata e prima completamente caricata, nell'uso a lungo termine, la differenza di capacità e tensione di ciascuna cella in serie diventa sempre più evidente. Esistono otto requisiti di coerenza da considerare quando si selezionano le celle per i moduli.
1.Capacità costante
2.Tensione costante
3. Rapporto di corrente costante costante
4. Potenza costante
5. Resistenza interna costante
6. Tasso di autoscarica costante
7.Lotto di produzione coerente
8. Piattaforma di scarico coerente

● Requisiti di progettazione a bassa tensione:

Il modulo è composto da un certo numero di celle della batteria in serie e in parallelo, comprese due parti di linee a bassa e alta tensione. La linea a bassa tensione ha il compito di raccogliere il segnale di tensione e temperatura della singola cella ed è dotata del relativo circuito di bilanciamento. Alcuni produttori progettano una scheda PCB con fusibili per proteggere la singola batteria una per una e viene utilizzata anche la combinazione di scheda PCB e protezione con fusibile. Una volta raggiunto un certo punto di guasto, il fusibile funziona, la batteria difettosa viene scollegata, le altre batterie lavorare normalmente e la sicurezza è elevata.

Figura 4: diagramma della struttura del modulo quadrato con guscio rigido

● Requisiti di progettazione dell'alta tensione:

Quando il numero di celle raggiunge un certo livello e supera la tensione sicura di 60 V, si forma il circuito ad alta tensione. Il collegamento ad alta tensione deve soddisfare due requisiti: in primo luogo, la distribuzione dei conduttori e la resistenza di contatto tra le celle deve essere uniforme, altrimenti il ​​rilevamento della tensione della singola cella verrà disturbato. In secondo luogo, la resistenza dovrebbe essere sufficientemente piccola da evitare lo spreco di energia elettrica nel percorso di trasmissione. Per garantire la sicurezza dell'alta tensione, è necessario prendere in considerazione anche l'isolamento elettrico tra le linee ad alta e bassa tensione.

三、Requisiti di progettazione per strutture meccaniche

La struttura meccanica del modulo deve soddisfare i requisiti di progettazione standard nazionali, antivibranti e anti-fatica. Non c'è alcuna saldatura virtuale tra la saldatura del nucleo della batteria e, in caso di saldatura eccessiva, la tenuta del pacco batteria è buona. Resta inteso che l'efficienza della composizione dei moduli e dei pacchi batteria nel settore è la seguente

	Efficienza del gruppo	Efficienza del pacco batteria
Cella cilindrica	87%	65%
Cella quadrata	89%	68%
Cella morbida	85%	65%

Statistiche sull'efficienza di diversi gruppi di batterie e pacchi batteria
Migliorare l'utilizzo dello spazio è un modo importante per ottimizzare il modulo, le aziende Power Battery PACK possono migliorare la progettazione del modulo e del sistema di gestione termica, ridurre la spaziatura delle celle, in modo da migliorare l'utilizzo dello spazio all'interno della scatola della batteria. Un’altra soluzione è utilizzare nuovi materiali. Ad esempio, il bus nel sistema della batteria di alimentazione (il bus nel circuito parallelo, generalmente realizzato in lamiera di rame) viene sostituito da rame con alluminio e gli elementi di fissaggio dei moduli vengono sostituiti da materiali in lamiera con acciaio ad alta resistenza e alluminio, che può anche ridurre il peso della batteria di alimentazione.

四、 Progettazione termica del modulo

Attualmente, la gestione termica dei sistemi di batterie di alimentazione può essere suddivisa principalmente in quattro categorie: raffreddamento naturale, raffreddamento ad aria, raffreddamento a liquido e raffreddamento diretto. Tra questi, il raffreddamento naturale è un metodo di gestione termica passiva, mentre il raffreddamento ad aria, il raffreddamento a liquido e il raffreddamento diretto sono attivi e la differenza principale tra i tre è la differenza nel mezzo di trasferimento del calore.

● Raffreddamento naturale

Raffreddamento naturale non esiste alcun dispositivo aggiuntivo per il trasferimento del calore.

● Raffreddamento ad aria

Il raffreddamento ad aria utilizza l'aria come mezzo di trasferimento del calore. Diviso in raffreddamento ad aria passivo e raffreddamento ad aria attivo, il raffreddamento ad aria passivo si riferisce all'uso diretto del raffreddamento con trasferimento di calore dell'aria esterna. Si può considerare che il raffreddamento attivo dell'aria riscaldi o raffreddi l'aria esterna per dissipare o riscaldare la batteria.

● Raffreddamento a liquido

Il raffreddamento a liquido utilizza l'antigelo (come il glicole etilenico) come mezzo di trasferimento del calore. Nello schema sono generalmente presenti molti circuiti di scambio termico diversi, come VOLT con circuito di radiatori, circuito di condizionamento, circuito PTC, sistema di gestione della batteria secondo la strategia di gestione termica per la regolazione della risposta e la commutazione. La TESLA Model S ha un circuito in serie con il raffreddamento del motore. Quando la batteria deve essere riscaldata a bassa temperatura, il circuito di raffreddamento del motore è in serie con il circuito di raffreddamento della batteria e il motore può riscaldare la batteria. Quando la batteria di alimentazione è ad alta temperatura, il circuito di raffreddamento del motore e il circuito di raffreddamento della batteria verranno regolati in parallelo e i due sistemi di raffreddamento dissiperanno il calore in modo indipendente.

● Raffreddamento diretto

Raffreddamento diretto utilizzando il refrigerante (materiale a cambiamento di fase) come mezzo di trasferimento del calore, il refrigerante può assorbire molto calore nel processo di cambiamento di fase liquida, rispetto all'efficienza del trasferimento di calore del refrigerante che può essere aumentata di più di tre volte, rimuovendola più rapidamente il calore all'interno del sistema batteria. Nella BMW i3 è stato utilizzato il raffreddamento diretto.
Le soluzioni di gestione termica del sistema batteria devono considerare la coerenza di tutte le temperature della batteria oltre all'efficienza di raffreddamento. Il PACK ha centinaia o migliaia di celle e il sensore di temperatura non è in grado di rilevare ogni cella. Ad esempio, in un modulo della Tesla Model S ci sono centinaia di batterie e sono predisposti solo due punti di rilevamento della temperatura. Pertanto, la batteria deve essere il più coerente possibile attraverso la progettazione della gestione termica. E una migliore uniformità della temperatura è la premessa per una potenza della batteria, una durata, un SOC e altri parametri prestazionali costanti.

Attualmente, il metodo di raffreddamento tradizionale sul mercato è cambiato in una combinazione di raffreddamento a liquido e raffreddamento del materiale a cambiamento di fase. Il raffreddamento del materiale a cambiamento di fase può essere utilizzato insieme al raffreddamento a liquido o da solo in condizioni ambientali meno difficili. Inoltre, esiste un processo ancora più ampiamente utilizzato in Cina e il processo adesivo a conducibilità termica viene applicato sul fondo del modulo batteria. La conduttività termica della colla termica è molto superiore a quella dell'aria. Il calore emesso dalla cella della batteria viene trasferito dall'adesivo termoconduttivo all'alloggiamento del modulo e quindi ulteriormente dissipato nell'ambiente.

Riepilogo:

In futuro, i principali OEM e le fabbriche di batterie svolgeranno una forte concorrenza nella progettazione e produzione di moduli volti al miglioramento delle prestazioni e alla riduzione dei costi. Le prestazioni devono soddisfare i requisiti di resistenza meccanica, prestazioni elettriche, prestazioni di dissipazione del calore e altri tre aspetti per migliorare ulteriormente la competitività principale del prodotto. In termini di costi, viene effettuata una ricerca approfondita sulla standardizzazione delle celle intelligenti per gettare le basi per un’ulteriore espansione della capacità produttiva, e la flessibilità del veicolo può essere ottenuta attraverso la combinazione di diversi tipi di celle standardizzate e, in definitiva, una significativa riduzione nei costi di produzione.