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动力电池PACK设计

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-01-04  浏览次数:1233   状态:状态
展会日期 2018-01-05 至 2019-01-02
展出城市 浦东新区
展出地址 上海某一会场
展馆名称 上海
主办单位 希迈商务咨询(上海)有限公司
展会说明

动力电池PACK设计

动力电池PACK设计线上沙龙于201712191900-2100在动力电池技术交流微信群完美闭幕,此次沙龙由希迈商务(Polaris)主办,合肥华宇智航动力有限公司工程师王敬国先生担任演讲嘉宾。本次演讲主要分为以下4个部分:

.动力储能电池简介

.动力电池包结构组成

.动力电池PACK方案设计

.动力电池PACK方案仿真验证   



一 动力储能电池简介

动力电池系统(也可称为动力电池包,battery pack),是一个电能存储装置,通常由电池组、机械部件、热交换组件、电子控制单元,以及必要的线束、开关、熔断器和连接器构成,其主要功能是通过电能和化学能的相互转换,来实现电能的存储和释放。

作为动力电池系统的核心,储能电池的选择是至关重要的,这关系到电池系统的能量密度、使用寿命、产品性能、能量密度、成本等关键指标。

按照动力电池系统所采用的储能电池类型,电池PACK产品大概走过了铅酸蓄电池、镍氢电池和锂离子电池三个时代。

1.1铅酸蓄电池

铅酸蓄电池是电极主要由铅及其氧化物组成,电解液是硫酸溶液的一种蓄电池。主要由正极板、负极板、电解液、隔板、电池槽、电池盖等组成。


优点:

    电压稳定、价格便宜

缺点:

    能量密度低、使用寿命短、日常维护频繁

1.2镍氢电池

镍氢电池是采用镍氧化物为正极,金属氢化物作为负极,碱液(主要成分为KOH)作为电解液。主要组成部分包括正极片、负极片、隔膜、盖帽、绝缘层、外壳等。


优点:

    价格低、通用性强、电流大、环保稳定

缺点:

    重量大、电池寿命较短

1.3锂离子电池

锂离子电池是一种主要依靠锂离子在正极和负极之间往返移动来工作的二次电池(充电电池)。在充放电过程中,Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌。

锂离子电池一般由正极、负极、电解质、隔离膜、外壳等构成。


正极材料:钴酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂、镍钴锰三元、镍钴铝三元等锂金属氧化物

负极材料:石墨、无序碳材料、硅碳复合材料、单体硅、硅合金等

优点:

    长寿命、大倍率、高能量密度、无污染

缺点:

成本高


充电时:正极的Li+和电解液中的Li+向负极聚集,得到电子,被还原成Li镶嵌在负极的碳素材料中。

放电时:镶嵌在负极碳素材料中的Li失去电子,进入电解液,电解液内的Li+向正极移动。

•充电过程:

电源给电池充电,此时正极上的电子e从通过外部电路跑到负极上,正锂离子Li+从正极“跳进”电解液里,“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞,“游泳”到达负极与早就跑过来的电子结合在一起。正极上发生的反应为LiMn2O4 ==Li1-xMn2O4+Xli++Xe(电子)负极上发生的反应为6C+XLi+Xe==LixC6

•放电过程:

电池放电,此时负极上的电子e从通过外部电路跑到正极上,正锂离子Li+从负极“跳进”电解液里,“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞,“游泳”到达正极,与早就跑过来的电子结合在一起。正极上发生的反应为Li1-xMn2O4+xli++xe(电子) ==LiMn2O4  负极上发生的反应为LixC6 == 6C+xLi+xe



二 动力电池包结构组成

2.1单体动力电池

构成动力电池的最小单元。一般由正极、负极、电解质、隔膜、外壳及端子(极端)等组合而成,可实现电能与化 学能之间的直接转换。

2.2动力电池模块

单体动力电池在物理结构上电路的串联、并联联接构成了动力电池包或系统的最小分组称为电池模块,其可以作为一个单元来替换。模组的特性:电芯串联电压相加。电芯并联容量相加。

2.3电池加热板

硅橡胶加热器的特点

1、硅胶电热膜优异的物理强度及柔软性能;给电热膜施以外力,可以使电热元件和被加热物体良好接触

2、硅橡胶电热膜可制成任意的形状,包括立体形状,也可预留各种开孔以方便安装;

3、硅胶电热片重量轻,厚度可以较大范围调节(最小厚度仅为0.9mm),热损耗小,可达到很快的加热速率

    以及较高的温度控制精度;

4、硅胶具有良好的耐候性和抗老化性,作为电热膜的表面绝缘材料可以有效防止了产品表面开裂及增强机械强度,大大延长了产品的使用寿命;

 5、精密的金属电热膜电路可进一步提高硅橡胶加热元件的表面功率密度,提高表面加热功率的均匀性,延长使用寿命并且具有良好的操控性能;

6、硅胶电热膜具有良好的抗化学腐蚀能力,可用于潮湿、腐蚀性气体等环境比较恶劣的场所。

7、该产品主要是由镍铬合金电热丝和硅橡胶高温绝缘布组成。它发热快、温度均匀、热效率高、强度高、使用方便、安全寿命长达十年,不易老化。

2.4电池防爆阀

♦ 基本功能压力平衡(电池箱内外压力平衡)

♦ 泄压(电芯异常排气后,可快速排气,防止压力过大对电池箱其他结构件造成损坏)

♦ 防护等级:IP67

♦ 防爆等级达ExIIC T4/UL94-V0

♦ 内嵌高分子多孔膜憎液、耐腐蚀,防止常态下化学液的外泄;

2.5电池管理系统

电池管理系统(Battery management system,BMS )是动力电池系统不可或缺的一部分,也是电动汽车中一个重要的电子管理系统,对保障电动汽车的安全运行、提升电池系统的性能等方面有重要作用。

BMS作为一个管理电池的电子控制系统,包括传感器、控制器、各种控制、驱动开关以及信息通信储存模块,等等。

2.6高压电气箱

高压电气系统主要包括接触器、预充电阻、电流/电压传感器、高压线缆或铜巴、汇流排、保险丝或手动服务开关(MSD)、高压接插件等相互连接组成。将动力电池系统的电能输送到车辆高压系统。

2.7系统控制板

l  BMS

l  继电器

l  熔断器

l  加热继电器

l  加热保险丝

l  霍尔传感器

l  连接铜排

2.8动力电池包

能量储存装置,包括电芯单体或模块,通常还包括电池电子部件、高压电路、过流保护装置,电池箱以及与其它外部系统(如冷却、高压、辅助低压和通讯等)的接口。

三.动力电池PACK方案 设计

3.1  PACK设计目标


3.2电池的串并联

电池包是由单体电池和模块通过串并联来组成。

电池:串联增加电压,容量不变Vn=n×Vi  Cn=Ci   并联增加容量,电压不变Cn=n×Ci   Vn=Vi总能量=电压×容量

注意:组合电池数越多,电池组的可靠性越差,一般在组合电池时,应采用同一系列,同一规格尺寸,性能相同的电池。这就是我们常说的电池的均匀性的问题。通常表现的参数:电压、容量和内阻。

3.3电池组的设计

例:为某车企设计的物流车电池组,客户要求采用两个电池箱,总电压384V,容量184AH。若采用中兴ZFP54175200电芯,电压3.2V,容量184AH,需要怎样进行设计电池组?

技术参数

电压:192V

电芯:ZFP54175200-184AH

能量:35.33KWH

尺寸:1200×645×251mm

重量:292Kg

能量密度:120.1WH/Kg

3.4必须满足国家的对电池的相关标准和规范

•    GB/T 31484-2015 电动汽车用动力蓄电池循环寿命要求及试验方法

•    GB/T 31485-2015 电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法

•    GB/T 31486-2015 电动汽车用动力蓄电池性能要求及试验方法

•    GB/T 31467.1-2015 电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统 第1部分:高功率应用测试规程

•    GB/T 31467.2-2015电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统 第2部分:高能量应用测试规程

•    GB/T 31467.3-2015电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统 第3部分:安全性要求与测试方法

四 动力电池PACK方案仿真

4.1电池箱结构分析

CAE分析作用:

Ø  产品提前预判  

Ø  指导设计

Ø  提高设计质量

Ø  提升技术水平

Ø  减少测试成本

Ø  缩短开发周期

Ø  快速验证

CAE分析应用:

Ø  电池包结构设计

Ø  热管理

Ø  轻量化

Ø  振动、冲击

Ø  跌落、碰撞

Ø  挤压、翻转

Ø  疲劳、优化等

参会人员经典问题及解答

目前市面上有电池包上的接插件将高压和通信接口集成在一起了,这种设计是否有风险?

这个要具体情况具体分析,首先要看电池包的电压和电流的大小,电流大的,最好分开会好一些。当然如果接插件选用带屏蔽的,可能会好一些,一般没什么问题。但是如果遇到大电流最好还是分开。

我有个关于soc的问题,我们在大电流放电时soc跟着电压一起快速下降,业内的soc算法都有电压有着较大联系,然后大电流放电时也会这样吗?

其实SOC不只是跟电压的计算有关,它还跟电流有关,就瞬间电流乘以时间再乘以电压来积累,这里面会有一套很复杂的一个微积分的算法,算法比较复杂。总体而言就是瞬间的大电流放电不会很快把soc拉的很低,他还需要时间效应。长时间的大电流才会拉低SOC。此外,如果某单体电压迅速被降的很低而短时间内又不能恢复的话,SOC为了保护电池而迅速降低,这是个校正的过程。校正还包括当充电充至60%时,但是某个单体的电压已经达到3.65V了,它就会立即停下来,就认为这个电池包的电已经充满了,就会把soc自动校正100%。当单体很快放到零以后,假如soc还在50%时,它就瞬间根据你电压超过我的正常范围,或者降到2.0以下,它就瞬间把那个soc就降到0%,然这样的话重新来开始计算。这都是从保护电池不能过充和过放的角度考虑的。

一般来讲soc还是比较准确的。就是说像这种充满电了,soc还没到100%,或者放电都已经放到0或者2.0以下,它的soc还是显示很高的话,这一般都是车辆长期停放,没有充电,或者电池是刚生产出来的,BMS中的SOC它的预设值。只要经过几次充满再彻底放掉就可以校正回来了。

那个铜排给什么导电,作用是什么?

电芯都是串起来或者并联起来想成电池包的,电池包把电能输送出去会有很高的电流,铜排就起到把总电流输送出去或者是充电电流进来的载体。简单的说,就是个导电体。因为导线过粗不容易固定而使用铜排。

在热带地区冷却怎么处理?

热带地区的电池一般的冷却方式是水冷,我们把水管布进去,靠外面的水冷来进行冷却。

电池外壳的材料选择上是否有什么需要特殊考虑的点?

主要是考虑选用硬度高,质量轻,强度大的材料,然后还要考虑到防水等,我们之前的电池箱都选用铁皮箱,铁皮箱它有个不好就是不能防水容易生锈,我们对它的外表进行喷漆防水。当然现在市场上也出现了一种玻璃钢材质的,效果也很好。

HVD的作用是什么?

HVD的作用就是售后维修的时候,可以及时把总电源断掉,因为检修时带电操作有很大的危险性,需要有个切断电源的东西,HVD就是起到这个作用。同时,如果车辆着火,必须先切断电源,在进行灭火,切断电源只有它可以最迅速的切断,还不会产生电弧的作用。

更多动力电池PACK设计相关问题及交流可以拨打电话13564704514进行咨询,后续2018年有燃料电池、自动驾驶等汽车技术的沙龙,线上线下均是免费参与,期待您的参与。

 

 


联系方式
联系人:Abby (张女士)
地址:上海市浦东新区东方路1381号蓝村大厦23楼B座
电话:
Email:
 
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