分享

腾讯内容开放平台

 一点进步 2022-01-19

【烟烟说】坚果同学计划写纯电动汽车电池系统的关键技术三部曲。第一部在这里:电芯技术篇,今天是关于电池总体设计方案的探讨的:

第二部 电池模组篇

动力电池系统的三大关键技术,包含的关键技术如图1。此次计划围绕这纯电动汽车动力电池系统关键技术开展系列文章,目的是梳理目前一些技术瓶颈以及探讨当前市场上的应对方案,希望能够对大家有一定的帮助。

这次讨论关于电池总体设计方案的探讨三部曲之电池模组篇。

图1 纯电动汽车电池系统关键技术

模组总体设计特点

电池模组可以理解为锂离子电芯经串并联方式组合,加装单体电池电压和温度监控管理装置后形成的电芯与电池包的中间产品。其结构必须对电芯起到支撑、固定和保护作用,设计要求需要满足机械强度,电性能,散热性能,故障处理能力四个方面的要求。是否能够完好固定电芯位置并保护其不发生有损性能的形变,如何满足载流性能要求,如何满足对电芯温度的控制,遇到严重异常时能否断电,能否避免热失控的传播等等,都将是评判电池模组优劣的标准。

图2 方形硬壳动力电池组

图3 方形软包动力电池组

图4 圆柱形电池组

电性能要求

●电芯成组一致性要求:

电芯由于生产工艺所限,不可能做到每一个电芯的各项参数做到完全一致。在串联使用的过程中,内阻大的电芯先放完电,又先充满电,长期使用,各个串联电芯的容量和电压的差异也越来越明显。在筛选电芯组成模组时,需要考虑八个一致性的要求。

图5 电芯筛选一致性要求

●低压设计要求:

模组是通过一定数量的电芯串并联组合构成,包含低压和高压两部分线路。低压线路肩负着单体电芯电压和模组温度信号采集的任务,同时配备相应的平衡电路。有些厂家会设计用带保险丝的PCB板,对单体电池逐一进行保护,组合时也采用PCB 板加保险丝保护,一旦某点故障,保险丝工作,故障电池断路,其它电池正常工作,安全性高。

图6 方形硬壳模组结构图

●高压设计的要求:

当电芯数量达到一定程度,超过安全电压60V时,即形成高压电路。高压连接需要达到两个方面的要求:一是电芯之间的导电件和接触电阻分布要均匀,否则单体电压检测将受到干扰。其次,电阻要足够小,避免电能在传递路径上的浪费。高低压线路之间也要考虑电气隔离保证高压安全。

机械结构的设计要求

对模组的机械结构需要达到国标设计要求,抗震动,抗疲劳。电芯的焊接之间无虚焊,过焊的情况,组成电池包密封性良好。据了解,行业内模组和电池包的组成效率如下表:

表1 不同电池成组和电池包的效率统计

提升空间利用率是优化模组的一个重要途径,动力电池PACK企业可以通过改进模组和热管理系统设计,缩小电芯间距,从而提升电池箱体内空间的利用率。还有一种解决方案, 即使用新材料。比如,动力电池系统内的汇流排(并联电路中的总线,一般用铜板做成)由铜替换成铝,模组固定件由钣金材料替换为高强钢和铝,这样也能减轻动力电池重量。

模组的散热设计

目前动力电池系统的热管理主要可分为四类,自然冷却、风冷、液冷、直冷。其中自然冷却是被动式的热管理方式,而风冷、液冷、直冷是主动式的,这三者的主要区别在于换热介质的不同。

●自然冷却

自然冷却没有额外的装置进行换热。例如比亚迪在秦,唐,宋等采用LFP电芯的车型上都采用了自然冷却。据了解后续BYD在采用三元电芯的车型将切换为液冷。

●风冷

风冷采用空气作为换热介质。分为被动风冷和主动风冷,被动风冷指直接采用外部空气换热冷却。主动风冷可以考虑对外部空气加热或冷却在对电池进行散热或升温。早期许多日韩系的电动车型采用风冷方案。

●液体冷却

液冷采用防冻液(比如乙二醇)作为换热介质。方案中一般会有多路不同的换热回路,例如VOLT具有散热器回路、空调回路、PTC回路,电池管理系统根据热管理策略进行响应调节和切换。而TESLA Model S有一个与电机冷却串联的回路,当电池在低温状态下需要加热时,电机冷却回路与电池冷却回路串联,电机可为电池加热。当动力电池处于高温时,电机冷却回路与电池冷却回路将被调节为并联,两套冷却系统独立散热。

●直冷

直冷采用制冷剂(相变材料)作为换热介质,制冷剂能在气液相变过程中吸收了大量的热,相比冷冻液而言换热效率可提升三倍以上,更快速的将电池系统内部的热量带走。BMW i3中曾采用过直冷方案。

电池系统热管理方案除了需要考虑冷却效率以外还需要考虑所有电池温度的一致性。PACK有着成百上千个电芯,而温度传感器必然无法检测到每一个电芯。例如Tesla Model S的一个模块中上百个电芯,而布置的温度检测点仅有2个。因此需要通过热管理设计使得电池尽可能保持一致。并且较好的温度一致性是电池功率、寿命、SOC等性能参数一致的前提。

目前市面上主流的冷却方式,已经转变为液冷以及相变材料冷却相结合的方式。相变材料冷却可以配合液冷一起使用,或者单独在环境不太恶劣的条件下使用。另外还有一种当前国内仍然较多应用的工艺,在电池模组底部涂导热胶工艺。导热胶导热系数远大于空气。由导热胶将电芯散发的热量传递到模组壳体上,再进一步散发到环境中。

标准化设计

标准化设计是企业追求降低成本的有效方式,模组标准化的基础是电芯的标准化。埃隆马斯克在2020年9月23号电池日上发布无极耳,硅负极,无钴技术加持的4680电池,将会助力2022年特斯拉电池每千瓦时的成本降低32%。

图7 特斯拉发布4680标准化电芯

大众汽车集团在2021年3月举行的“Power Day”(电池日)上表示,大众集团将采用植入了智能化技术的标准电芯,计划2023年全面铺开,至2030年将覆盖大众汽车集团旗下80%的电动车型。大众集团同时表示,植入了智能化技术的标准电芯在量产车型中的成本将降低30%,在入门级车型中将降低50%。

图8 大众发布未来采用标准化电芯车型

总结:未来各大主机厂和电池工厂在模组的设计生产方面将围绕性能的提升和成本降低开展激烈的竞争。性能方面需要满足机械强度,电性能,散热性能等三个方面的要求,进一步提升产品的核心竞争力。在成本方面,开展智能电芯标准化的深入研究,为产能进一步扩大奠定基础,并可以通过不同种类标准化电芯组合实现车型灵活性,最终实现生产成本的大幅度降低。

豪华车企的高级工程师,从发动机测试转入电池测试。

目前专注于电池测试技术研究,

希望与大家一起“电动化,向未来”!

    本站是提供个人知识管理的网络存储空间,所有内容均由用户发布,不代表本站观点。请注意甄别内容中的联系方式、诱导购买等信息,谨防诈骗。如发现有害或侵权内容,请点击一键举报。
    转藏 分享 献花(0

    0条评论

    发表

    请遵守用户 评论公约

    类似文章 更多