بحث در مورد پروژه طراحی کلی باتری

一、ویژگی های طراحی کلی را ماژول کنید

ماژول باتری را می توان به عنوان یک محصول میانی بین سلول باتری و بسته باتری که از ترکیب سلول باتری لیتیوم یون به صورت سری و موازی و دستگاه نظارت و مدیریت ولتاژ و دما یک باتری تشکیل شده است درک کرد. ساختار آن باید سلول را پشتیبانی، تعمیر و محافظت کند و الزامات طراحی باید الزامات مقاومت مکانیکی، عملکرد الکتریکی، عملکرد اتلاف گرما و توانایی رسیدگی به خطا را برآورده کند.اینکه آیا می‌تواند موقعیت سلول را کاملاً ثابت کند و از آن در برابر تغییر شکلی که به عملکرد آسیب می‌زند محافظت کند، چگونه الزامات عملکرد حمل جریان را برآورده کند، چگونه کنترل دمای سلول را برآورده کند، آیا هنگام مواجهه با ناهنجاری‌های جدی خاموش شود یا خیر. اجتناب از انتشار فرار حرارتی و غیره، معیاری برای قضاوت در مورد شایستگی ماژول باتری خواهد بود.
 

شکل 1: بسته باتری قدرت پوسته سخت مربعی شکل

 

شکل 2: بسته مربعی نرم باتری قدرت

شکل 3: بسته باتری استوانه ای

الزامات عملکرد الکتریکی

● الزامات سازگاری گروه سلولی:

با توجه به محدودیت فرآیند تولید، دستیابی به سازگاری کامل پارامترهای هر سلول غیرممکن است. در فرآیند استفاده سری، ابتدا سلول با مقاومت داخلی زیاد تخلیه می شود و ابتدا با شارژ کامل، استفاده طولانی مدت، تفاوت ظرفیت و ولتاژ هر سلول سری بیش از پیش آشکار می شود. هشت الزام سازگاری وجود دارد که باید هنگام انتخاب سلول ها برای ماژول ها در نظر گرفته شود.
1. ظرفیت ثابت
2. ولتاژ ثابت
3.نسبت جریان ثابت ثابت
4-قدرت ثابت
5. مقاومت داخلی ثابت
6. نرخ خود تخلیه ثابت
7. دسته تولید ثابت
8. پلت فرم تخلیه ثابت

● الزامات طراحی ولتاژ پایین：

این ماژول از تعداد مشخصی سلول باتری به صورت سری و موازی تشکیل شده است که شامل دو قسمت خطوط فشار ضعیف و فشار قوی می باشد. خط ولتاژ پایین وظیفه جمع آوری سیگنال ولتاژ و دمای یک سلول را بر عهده دارد و به مدار تعادل مربوطه مجهز است. برخی از تولید کنندگان یک برد PCB با فیوز طراحی می کنند تا از باتری تکی محافظت کند و از ترکیب برد PCB و محافظ فیوز نیز استفاده می شود، هنگامی که یک نقطه خرابی خاص، فیوز کار می کند، باتری خطا قطع می شود، باتری های دیگر به طور معمول کار می کند و ایمنی بالا است.

شکل 4: نمودار ساختار ماژول پوسته سخت مربعی

● الزامات طراحی ولتاژ بالا:

هنگامی که تعداد سلول ها به درجه خاصی برسد و از ولتاژ مطمئن 60 ولت بیشتر شود، مدار ولتاژ بالا تشکیل می شود. اتصال ولتاژ بالا باید دو الزام را برآورده کند: اول، توزیع هادی ها و مقاومت تماس بین سلول باید یکنواخت باشد، در غیر این صورت تشخیص ولتاژ تک سلولی با اختلال مواجه می شود. ثانیاً، مقاومت باید به اندازه کافی کوچک باشد تا از هدر رفتن انرژی الکتریکی در مسیر انتقال جلوگیری شود. عایق الکتریکی بین خطوط فشار قوی و فشار ضعیف نیز باید برای اطمینان از ایمنی ولتاژ بالا در نظر گرفته شود.

الزامات طراحی برای سازه های مکانیکی

ساختار مکانیکی ماژول باید مطابق با الزامات طراحی استاندارد ملی، ضد لرزش، ضد خستگی باشد. هیچ جوش مجازی بین جوش هسته باتری وجود ندارد و در صورت جوشکاری بیش از حد، آب بندی بسته باتری خوب است. قابل درک است که راندمان ترکیب ماژول ها و بسته های باتری در صنعت به شرح زیر است

	کارایی گروه	کارایی بسته باتری
سلول استوانه ای	87%	65%
سلول مربعی	89%	68%
سلول نرم	85%	65%

آمار کارایی گروه های مختلف باتری و بسته های باتری
بهبود استفاده از فضا یک راه مهم برای بهینه‌سازی ماژول است، شرکت‌های PACK باتری قدرت می‌توانند طراحی سیستم مدیریت حرارتی و ماژول را بهبود بخشند، فاصله سلولی را کاهش دهند تا استفاده از فضای داخل جعبه باتری را بهبود بخشند. راه حل دیگر استفاده از مواد جدید است. به عنوان مثال، باس در سیستم باتری قدرت (اتوبوس در مدار موازی، معمولاً از صفحه مسی ساخته شده است) با مس با آلومینیوم جایگزین می شود، و اتصال دهنده های ماژول با مواد ورق فلزی با فولاد و آلومینیوم با مقاومت بالا جایگزین می شوند. همچنین می تواند وزن باتری برق را کاهش دهد.

四、 طراحی حرارتی ماژول

در حال حاضر، مدیریت حرارتی سیستم های باتری قدرت را می توان به طور عمده به چهار دسته خنک کننده طبیعی، خنک کننده هوا، خنک کننده مایع و خنک کننده مستقیم تقسیم کرد. در این میان، خنک کننده طبیعی یک روش مدیریت حرارتی غیرفعال است، در حالی که خنک کننده هوا، خنک کننده مایع و خنک کننده مستقیم فعال هستند و تفاوت اصلی بین این سه، تفاوت در محیط انتقال حرارت است.

● خنک کننده طبیعی

خنک کننده طبیعی هیچ وسیله اضافی برای انتقال حرارت وجود ندارد.

● خنک کننده هوا

خنک کننده هوا از هوا به عنوان وسیله انتقال حرارت استفاده می کند. خنک کننده هوای غیرفعال که به خنک کننده هوای غیرفعال و خنک کننده هوای فعال تقسیم می شود، به استفاده مستقیم از خنک کننده انتقال حرارت خارجی هوا اشاره دارد. خنک کننده فعال هوا را می توان برای گرم کردن یا خنک کردن هوای خارجی به منظور دفع یا گرم کردن باتری در نظر گرفت.

● خنک کننده مایع

خنک کننده مایع از ضد یخ (مانند اتیلن گلیکول) به عنوان محیط انتقال حرارت استفاده می کند. در این طرح، به طور کلی بسیاری از مدارهای تبادل حرارت مختلف، مانند ولتاژ با مدار رادیاتور، مدار تهویه مطبوع، مدار PTC، سیستم مدیریت باتری با توجه به استراتژی مدیریت حرارتی برای تنظیم پاسخ و سوئیچینگ وجود دارد. تسلا مدل S دارای مدار سری با خنک کننده موتور است. هنگامی که باتری باید در دمای پایین گرم شود، مدار خنک کننده موتور با مدار خنک کننده باتری سری است و موتور می تواند باتری را گرم کند. هنگامی که باتری برق در دمای بالا باشد، مدار خنک کننده موتور و مدار خنک کننده باتری به صورت موازی تنظیم می شوند و دو سیستم خنک کننده به طور مستقل گرما را دفع می کنند.

● خنک کننده مستقیم

خنک کننده مستقیم با استفاده از مبرد (مواد تغییر فاز) به عنوان یک رسانه انتقال حرارت، مبرد می تواند گرمای زیادی را در فرآیند تغییر فاز مایع جذب کند، در مقایسه با راندمان انتقال حرارت مبرد می تواند بیش از سه برابر افزایش یابد، سریعتر از بین برود. گرمای داخل سیستم باتری خنک کننده مستقیم در BMW i3 استفاده شد.
راه‌حل‌های مدیریت حرارتی سیستم باتری علاوه بر راندمان خنک‌کننده، باید ثبات تمام دمای باتری را نیز در نظر بگیرند. PACK صدها یا هزاران سلول دارد و سنسور دما نمی تواند هر سلول را تشخیص دهد. به عنوان مثال، صدها باتری در یک ماژول تسلا مدل S وجود دارد و تنها دو نقطه تشخیص دما مرتب شده است. بنابراین، باتری باید تا حد امکان از طریق طراحی مدیریت حرارتی سازگار باشد. و سازگاری دمایی بهتر، پیش‌فرض ثابت قدرت باتری، عمر، SOC و سایر پارامترهای عملکرد است.

در حال حاضر، روش خنک کننده اصلی در بازار به ترکیبی از خنک کننده مایع و خنک کننده مواد تغییر فاز تغییر یافته است. خنک کننده مواد تغییر فاز می تواند همراه با خنک کننده مایع یا به تنهایی در شرایط محیطی کمتر سخت استفاده شود. علاوه بر این، فرآیندی وجود دارد که هنوز به طور گسترده در چین استفاده می شود و فرآیند چسب هدایت حرارتی در قسمت پایین ماژول باتری اعمال می شود. رسانایی حرارتی چسب حرارتی بسیار بالاتر از هوا است. گرمای ساطع شده توسط سلول باتری توسط چسب رسانای حرارتی به محفظه ماژول منتقل می شود و سپس بیشتر به محیط پخش می شود.

خلاصه:

در آینده، کارخانه‌های سازنده اصلی و باتری‌سازی، رقابت شدیدی را در طراحی و تولید ماژول‌ها پیرامون بهبود عملکرد و کاهش هزینه انجام خواهند داد. عملکرد باید الزامات استحکام مکانیکی، عملکرد الکتریکی، عملکرد اتلاف حرارت و سه جنبه دیگر را برآورده کند تا رقابت اصلی محصول را افزایش دهد. از نظر هزینه، تحقیقات عمیقی در مورد استانداردسازی سلول‌های هوشمند انجام می‌شود تا پایه‌ای برای گسترش بیشتر ظرفیت تولید ایجاد شود و انعطاف‌پذیری خودرو را می‌توان از طریق ترکیب انواع مختلف سلول‌های استاندارد و در نهایت کاهش قابل توجهی به دست آورد. در هزینه های تولید