电池PACK设计概论

电池PACK设计概论2020/2/22加燃料油罐或储气罐燃料使用内燃机系统机械传动系统车轮动力驱动力充电动力电池系统放电/回馈电驱动系统机械传动系统车轮动力驱动力图1传统汽车的能源转换为驱动力示意图图2电动汽车的电能转换为驱动力示意图电动汽车与传统汽车的区别：2020/2/22电动汽车PACK设计概论单体动力电池：构成动力电池模块的最小单元。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。电池模组/电池模块：单体电池通过串联和并联在物理结构和电路上连接起来构成动力电池包或最小分组，可作为一个单元替换。电池包（PACK）：能量存储装置，包括单体或模块，通常还包括电池电子部件、高压电路、过流保护装置、电池箱以及其他外部系统（如冷却、高压、辅助低压和通讯等）的接口。电池管理系统（BMS）：为了能够提高电池的利用率，防止电池出现过充电和过放电，延长电池的使用寿命，监控电池的状态。其主要功能包括：电池物理参数实时监测；电池状态估计；在线诊断与预警；充、放电与预充控制；均衡管理和热管理等。动力电池的组成：2020/2/22电动汽车PACK设计概论从单体到系统——单体电池：圆柱形锂电池生产工艺成熟，PACK成本较低，电池产品良率以及电池组的一致性较高;由于电池组散热面积大，其散热性能优于方型电池铝壳包装而成的电池，采用激光封口工艺，全密封，铝壳技术已非常成熟，且对材料技术，如气胀率、膨胀率等指标，要求不高。软包即软包锂电池，是在液态锂离子电池套上一层聚合物外壳的电池，采用铝塑复合膜包装，软包锂电池的机械强度不高，在出现安全事故如内短路等情况下，电池容易鼓起排气，降低了爆炸风险。2020/2/22电动汽车PACK设计概论从单体到系统——电池模组：方形电池模组软包电池模组圆柱电池模组2020/2/22电动汽车PACK设计概论从单体到系统——动力电池包：2020/2/22电动汽车PACK设计概论1.如果我们手头只有容量50Ah的电芯，想要设计成容量为100Ah的电池模组，怎么办？2.一个由容量50Ah电芯组成2P12S的电池模组，如何计算它的电量有多少？容量：电池性能的重要性能指标之一是电池容量，它表示在一定条件下(放电率、温度、终止电压等)电池放出的电量(可用JS-150D做放电测试)，即电池的容量，通常以安培·小时为单位（简称安时，以Ah表示）电量：表示物体所带电荷的多少。一般来说，电荷的数量叫电量。通常以瓦特·小时为单位（简称瓦时，以Wh表示）电量计算公式：电量=容量x电压2020/2/22电动汽车PACK设计概论电池的串联1、电池串联的方法将一个电池的负极与一个另一个电池的正极相接，这个电池的负极再与一个电池的正极相接；第一个电池的正极就是这个电池组的正极，最后一个电池的负极就是这个电池组的负极。2、串联电池组的图形符号3、串联电池组的总电动势EEEEnE321（E1、E2、E3、En为各个电池的电动势）E=nE1（各个电池电势差相同）4、串联电池组的内阻●如果每个电池的内阻相同则RRRRRn3210nRR105、串联电池组所供给的电流RRRREEEEnnRI321321串联电池组与负载电阻R构成闭合回路时2020/2/22电动汽车PACK设计概论电池的并联1、电池并联的方法把所有电池的正极连接在一起，成为电池组的正极；把所有电池的负极连接在一起，成为电池组的负极。2、图形符号3、并联电池组的总电动势4、并联电池组的电流I1、I2、I3、In分别为各个电池的额定电流5、并联电池组的总内阻R01为单个电池的内阻，n为并联电池的个数EEEEn321IIIInI321nRR0102020/2/22电动汽车PACK设计概论图例优点缺点应用范围先并后串并联电芯当做一个电芯，监控构架简单，BMS管理通道少，成本低。1.若电芯较大，直接并联工艺可能导致电芯间不均流；2.若电芯较大，并联点很多，并联电流大，过流能力不易提高。适用于功率要求低的慢充系统先串后并只在两端并联，系统过流能力强，两支路间电池均流好。每个支路电芯需独立监控，BMS管理通道多，成本高适用于有快充需求或功率要求高的系统混联电芯容量较小而系统容量需求较大的系统2020/2/22电动汽车PACK设计概论电池模组典型设计案例-方形模组铝侧板1.5mm或1.2mm铝端板131*20*186.5端板绝缘片侧板绝缘片模组盖板铝片1.5mm厚分解图线束隔离板此处焊接（4处）此处焊接（N处）2020/2/22电动汽车PACK设计概论电池模组典型设计案例-软包模组2020/2/22电动汽车PACK设计概论电池模组典型设计案例-圆柱模组镍片电池支架塑料柱电池支架镍片PC片2020/2/22电动汽车PACK设计概论电池包典型设计案例2020/2/22电动汽车PACK设计概论结构电气系统的设计：（1）一般要求1、具有维护的方便性。2、在车辆发生碰撞或电池发生自燃等意外情况下，宜考虑防止烟火、液体、气体等进入车厢的结构或防护措施。3、电池箱应留有铭牌与安全标志布置位置，给保险、动力线、采集线、各种传感元件的安装留有足够的空间和固定基础。4、所有无级基本绝缘的连接件、端子、电触头应采取加强防护。在连接件、端子、电触头接合后应符合GB4208-2008防护等级为3的要求。（2）外观与尺寸1、外表面无明显的划伤、变形等缺陷，表面涂镀层应均匀。2、零部件紧固可靠，无锈蚀、毛刺、裂纹等缺陷和损伤。（3）机械强度1、耐振动强度和耐冲击强度，在试验后不应有机械损坏、变形和紧固部位的松动现象，锁止装置不应受到损坏。GB/T31467.3-20152、采取锁止装置固定的蓄电池箱，锁止装置应可靠，具有防误操作措施。（4）安全要求1、在试验后，电池箱防护等级不低于IP67。2、人员触电防护应符合相关要求。2020/2/22电动汽车PACK设计概论电池PACK常用结构件：1.塑料件常用材料有PP、PC、ABS、PC+ABS、PET、PBT、PA66、PA6、PVC等用途：电气绝缘、结构强度件案例：tesla2020/2/22电动汽车PACK设计概论电池PACK常用结构件：2.钣金件常用钢板或者铝板，钢板如DC01（SPCC），DC04，B340/590DP等铝板1060-O，5083等用途：固定安装支架，箱体等案例：依维柯A42电池箱BMU固定支架2020/2/22电动汽车PACK设计概论电池PACK常用结构件：3.压铸件或铝型材常用铝合金6061,6063,5052等用途：结构强度件，箱体等案例：2020/2/22电动汽车PACK设计概论电气安全设计：1.绝缘设计（1）电芯绝缘设计利用隔膜较好的力学性能和绝缘特征保护正负极之间的绝缘；在正负极集流体叠片或者卷绕完成后，通常在卷绕2-3层隔膜以保证电池芯与外壳的绝缘；（2）模组绝缘设计电芯与电芯之间的绝缘：多采用PET薄膜电芯与模组外壳之间的绝缘：采用薄膜电芯与采样线之间的绝缘：塑胶件（3）电池系统总成绝缘设计2.屏蔽防护电磁波是电磁能量传播的主要方式，高频电路工作时，会向外辐射电磁波，对邻近的其它设备产生干扰。另一方面，空间的各种电磁波也会感应到电路中，对电路造成干扰。电磁屏蔽的作用是切断电磁波的传播途径，从而消除干扰。在解决电磁干扰问题的诸多手段中，电磁屏蔽是最基本和有效的。3.等电位连接（1）等电位连接的作用a）人体触电防护b）静电防护c）电磁干扰防护2020/2/22电动汽车PACK设计概论电气安全设计：4.电气隔离（1）电气间隙定义：在两个导电零部件之间或导电零部件与设备防护界面之间测得的最短空间距离。即在保证电气性能稳定和安全的情况下，通过空气能实现绝缘的最短距离。（2）爬电距离定义：在两个导电部分之间沿绝缘材料表面的最短距离。2020/2/22电动汽车PACK设计概论（2）爬电距离定义：在两个导电部分之间沿绝缘材料表面的最短距离。电气安全设计：5.常用电气件高压连接器：电池包正负极输出有些带屏蔽、高压互锁功能低压连接器：1、信号：电池与电池间、电池与整车通讯2、小电流连接器：加热维护开关：电池包内部断开，方便维修人员操作时断电继电器：低压控制高压电路通断熔断器：过流保护2020/2/22电动汽车PACK设计概论电气安全设计：6.柔性母排铜箔软连接的制造工艺为压焊或者钎焊。压焊：压焊是将铜箔叠片部分压在一起，采用分子扩散焊，通过大电流加热压焊成型。铜箔厚度：0.05mm至0.3mm。接触面可按用户要求镀锡或镀银。钎焊：钎焊是将铜箔叠片部分压在一起，采用银基钎焊料，与扁铜块对焊成型。铜箔厚度：0.05mm至0.3mm。接触面可按用户要求镀锡或镀银柔性母排又称叠片式绝缘软母排，俗称软铜片或者软铝排柔性母排，是由多层防电晕的扁平薄铜片导体叠加，外层采用挤塑方式包覆绝缘层制作而成。特点：1）易加工成型2）高载流量：交流适用3）安装方便2020/2/22电动汽车PACK设计概论导线实际载流：I=In•f1•f2•f3•f4In：导线额定载流f1:环境温度升高对载流的影响f2:导体温度升高对载流的影响f3:多心线对载流的影响f4:频率增加对载流的影响来自HUBER+SUHNER来自JASOD609集肤效应当任意大导体对磁场交变时，这种导体就会感应电流，产生涡流现象。f1f2f3f4束缚数123456-78-1011-12折算10.80.70.60.550.50.450.4集肤效应多芯线7.载流量影响因素2020/2/22电动汽车PACK设计概论汇流排实际载流注：表中分数的分子表示交流负荷，分母表示直流负荷。影响汇流排载流的因数：F1:集肤效应；F2,母线平放安装时，载流应该小于竖直安装；F3,汇流排表面有无绝缘层。集肤效应安装方向表面包裹厚度宽度7.载流量影响因素2020/2/22电动汽车PACK设计概论电池管理系统设计：电池管理系统（BatteryManagementSystem，BMS）的主要任务是保证电池系统的设计性能：1）安全性，保护电池单体或电池组免受损坏，防止出现安全事故；2）耐久性，使电池工作在可靠的安全区域内，延长电池的使用寿命；3）动力性，维持电池工作在满足车辆要求的状态下。具体来看，包括数据采集、状态监测、均衡控制、热管理、安全保护、信息管理等功能。2020/2/22电动汽车PACK设计概论电池管理系统设计：BMS数据采集：主要采集电池单体的电压和温度2020/2/22电动汽车PACK设计概论热管理系统设计：（1）电池温度的准确测量和监控；（2）电池组温度过高时的有效散热和通风；（3）低温条件下的快速加热,使电池组能够正常工作；（4）有害气体产生时的有效通风；（5）保证电池组温度场的均匀分布。电池热管理系统主要功能:2020/2/22电动汽车PACK设计概论1）没有热管理系统，也就是不刻意让电池散热，采用自然降温的方式，比如Leaf电动车。2）采用风冷：主要有通过电池包内循环降温散热和通过外部风扇通风降温，其中前者占绝大部分，后者比较少。3）水冷或者别的液体介质降温由水泵、散热器、冷却风扇、节温器、补偿水桶、发动机机体和气缸盖中的水套以及其他附属装置等组成。2.风冷系统：通过温度监测点的温度实时调节风扇的转速1.水冷系统：通过水泵将吸收热量后的液体抽到外部散热后再导回到内部电池热管理方式：2020/2/22电池热管理方式：2020/2/22电动汽车PACK设计概论防水设计：2020/2/22电动汽车PACK设计概论防水设计：2020/2/22电动汽车PACK设计概论防水设计：O型密封圈密封垫片涂胶密封2020/2/22电动汽车PACK设计概论谢谢！2020/2/22