Discussão sobre o projeto geral de design da bateria

一、Recursos gerais de design do módulo

O módulo de bateria pode ser entendido como um produto intermediário entre a célula da bateria e o conjunto de baterias formado pela combinação da célula da bateria de íons de lítio em série e paralelo, e o dispositivo de monitoramento e gerenciamento de tensão e temperatura da bateria única. Sua estrutura deve suportar, fixar e proteger a célula, e os requisitos de projeto precisam atender aos requisitos de resistência mecânica, desempenho elétrico, desempenho de dissipação de calor e capacidade de tratamento de falhas.Se ele pode fixar totalmente a posição da célula e protegê-la contra deformações que prejudicam o desempenho, como atender aos requisitos de desempenho de transporte de corrente, como atender ao controle da temperatura da célula, se deve desligar ao encontrar anormalidades graves, se deve evitar a propagação de fuga térmica, etc., serão os critérios para julgar os méritos do módulo de bateria.
 

Figura 1: Bateria quadrada rígida

 

Figura 2: Bateria quadrada macia

Figura 3: Bateria cilíndrica

二、 Requisitos de desempenho elétrico

● Requisitos de consistência do grupo de células:

Devido à limitação do processo de produção, é impossível atingir a consistência completa dos parâmetros de cada célula. No processo de uso em série, a célula com grande resistência interna é primeiro descarregada e primeiro totalmente carregada. No uso a longo prazo, a diferença na capacidade e tensão de cada célula em série está se tornando cada vez mais óbvia. Existem oito requisitos de consistência que precisam ser considerados ao selecionar células para módulos.
1. Capacidade consistente
2. Tensão consistente
3. Relação atual constante e consistente
4. Potência consistente
5. Resistência interna consistente
6. Taxa de autodescarga consistente
7. Lote de produção consistente
8. Plataforma de descarga consistente

● Requisitos de projeto de baixa tensão:

O módulo é composto por um certo número de células de bateria em série e em paralelo, incluindo duas partes de linhas de baixa e alta tensão. A linha de baixa tensão assume a tarefa de coletar o sinal de tensão e temperatura da célula única e está equipada com o circuito de equilíbrio correspondente. Alguns fabricantes projetarão uma placa PCB com fusíveis para proteger a única bateria, um por um, e a combinação de placa PCB e proteção de fusível também é usada, uma vez que um certo ponto de falha, o fusível funciona, a bateria com falha é desconectada, outras baterias trabalhe normalmente e a segurança é alta.

Figura 4: Diagrama da estrutura do módulo rígido quadrado

● Requisitos de projeto de alta tensão:

Quando o número de células atinge um certo grau e excede a tensão segura de 60V, o circuito de alta tensão é formado. A conexão de alta tensão precisa atender a dois requisitos: primeiro, a distribuição dos condutores e a resistência de contato entre a célula deve ser uniforme, caso contrário, a detecção de tensão da célula única sofrerá interferência. Em segundo lugar, a resistência deve ser suficientemente pequena para evitar o desperdício de energia eléctrica no caminho de transmissão. O isolamento elétrico entre linhas de alta e baixa tensão também deve ser considerado para garantir a segurança de alta tensão.

三、Requisitos de projeto para estruturas mecânicas

A estrutura mecânica do módulo precisa atender aos requisitos de projeto do padrão nacional, antivibração e antifadiga. Não há soldagem virtual entre a soldagem do núcleo da bateria e, em caso de soldagem excessiva, a vedação da bateria é boa. Entende-se que a eficiência da composição de módulos e baterias na indústria é a seguinte

	Eficiência do grupo	Eficiência da bateria
Célula cilíndrica	87%	65%
Célula quadrada	89%	68%
Célula macia	85%	65%

Estatísticas de eficiência de diferentes grupos de baterias e conjuntos de baterias
Melhorar a utilização do espaço é uma forma importante de otimizar o módulo, as empresas PACK de bateria de energia podem melhorar o design do módulo e do sistema de gerenciamento térmico, reduzir o espaçamento das células, de modo a melhorar a utilização do espaço dentro da caixa da bateria. Outra solução é utilizar novos materiais. Por exemplo, o barramento no sistema de bateria de energia (o barramento no circuito paralelo, geralmente feito de placa de cobre) é substituído por cobre por alumínio, e os fixadores do módulo são substituídos por materiais de chapa metálica com aço de alta resistência e alumínio, que também pode reduzir o peso da bateria.

四、 Projeto térmico do módulo

Atualmente, o gerenciamento térmico de sistemas de baterias de energia pode ser dividido principalmente em quatro categorias: resfriamento natural, resfriamento a ar, resfriamento líquido e resfriamento direto. Entre eles, o resfriamento natural é um método de gerenciamento térmico passivo, enquanto o resfriamento a ar, o resfriamento líquido e o resfriamento direto são ativos, e a principal diferença entre os três é a diferença no meio de transferência de calor.

● Resfriamento natural

Resfriamento natural não há dispositivo adicional para transferência de calor.

● Resfriamento a ar

O resfriamento a ar usa o ar como meio de transferência de calor. Dividido em resfriamento de ar passivo e resfriamento de ar ativo, o resfriamento de ar passivo refere-se ao uso direto de resfriamento por transferência de calor com ar externo. O resfriamento de ar ativo pode ser considerado para aquecer ou resfriar o ar externo para dissipar ou aquecer a bateria.

● Resfriamento líquido

O resfriamento líquido usa anticongelante (como etilenoglicol) como meio de transferência de calor. No esquema, geralmente existem muitos circuitos de troca de calor diferentes, como VOLT com circuito de radiador, circuito de ar condicionado, circuito PTC, sistema de gerenciamento de bateria de acordo com a estratégia de gerenciamento térmico para ajuste e comutação de resposta. O TESLA Model S possui um circuito em série com o resfriamento do motor. Quando a bateria precisa ser aquecida em baixa temperatura, o circuito de resfriamento do motor fica em série com o circuito de resfriamento da bateria e o motor pode aquecer a bateria. Quando a bateria está em alta temperatura, o circuito de resfriamento do motor e o circuito de resfriamento da bateria serão ajustados em paralelo e os dois sistemas de resfriamento dissiparão o calor de forma independente.

● Resfriamento direto

Resfriamento direto usando refrigerante (material de mudança de fase) como meio de transferência de calor, o refrigerante pode absorver muito calor no processo de mudança de fase líquida, em comparação com a eficiência de transferência de calor do refrigerante pode ser aumentada em mais de três vezes, mais rapidamente tirar o calor dentro do sistema de bateria. O resfriamento direto foi usado no BMW i3.
As soluções de gerenciamento térmico do sistema de bateria precisam considerar a consistência de todas as temperaturas da bateria, além da eficiência de resfriamento. O PACK possui centenas ou milhares de células e o sensor de temperatura não consegue detectar todas as células. Por exemplo, existem centenas de baterias em um módulo do Tesla Model S e apenas dois pontos de detecção de temperatura estão dispostos. Portanto, a bateria precisa ser tão consistente quanto possível através do projeto de gerenciamento térmico. E uma melhor consistência de temperatura é a premissa de potência consistente da bateria, vida útil, SOC e outros parâmetros de desempenho.

Atualmente, o método de resfriamento convencional no mercado mudou para uma combinação de resfriamento líquido e resfriamento de material por mudança de fase. O resfriamento do material por mudança de fase pode ser usado em conjunto com o resfriamento líquido ou sozinho em condições ambientais menos adversas. Além disso, existe um processo ainda mais utilizado na China, e o processo adesivo de condutividade térmica é aplicado na parte inferior do módulo da bateria. A condutividade térmica da cola térmica é muito maior que a do ar. O calor emitido pela célula da bateria é transferido pelo adesivo condutor térmico para a carcaça do módulo e depois dissipado para o meio ambiente.

Resumo:

No futuro, os principais OEMs e fábricas de baterias realizarão uma competição acirrada no design e produção de módulos em torno da melhoria de desempenho e redução de custos. O desempenho precisa atender aos requisitos de resistência mecânica, desempenho elétrico, desempenho de dissipação de calor e outros três aspectos para aumentar ainda mais a competitividade central do produto. Em termos de custos, são realizadas pesquisas aprofundadas sobre a padronização de células inteligentes para estabelecer as bases para uma maior expansão da capacidade de produção, e a flexibilidade dos veículos pode ser alcançada através da combinação de diferentes tipos de células padronizadas e, em última análise, uma redução significativa nos custos de produção.