電池PACK設(shè)計概論

1、電池PACK設(shè)計概論第一頁，共33頁。加燃料油罐或儲氣罐燃料使用內(nèi)燃機系統(tǒng)機械傳動系統(tǒng)車輪動力驅(qū)動力充電動力電池系統(tǒng)放電/回饋電驅(qū)動系統(tǒng)機械傳動系統(tǒng)車輪動力驅(qū)動力圖1 傳統(tǒng)汽車的能源轉(zhuǎn)換為驅(qū)動力示意圖圖2 電動汽車的電能轉(zhuǎn)換為驅(qū)動力示意圖電動汽車與傳統(tǒng)汽車的區(qū)別：電動汽車PACK設(shè)計概論2022/10/8第二頁，共33頁。單體動力電池：構(gòu)成動力電池模塊的最小單元。一般由正極、負極、電解質(zhì)、隔膜、外殼及端子（極端）等組合而成，可實現(xiàn)電能與化學能之間的直接轉(zhuǎn)換。電池模組/電池模塊：單體電池通過串聯(lián)和并聯(lián)在物理結(jié)構(gòu)和電路上連接起來構(gòu)成動力電池包或最小分組，可作為一個單元替換。電池包（PACK）：能量

2、存儲裝置，包括單體或模塊，通常還包括電池電子部件、高壓電路、過流保護裝置、電池箱以及其他外部系統(tǒng)（如冷卻、高壓、輔助低壓和通訊等）的接口。電池管理系統(tǒng)（BMS）：為了能夠提高電池的利用率，防止電池出現(xiàn)過充電和過放電，延長電池的使用壽命，監(jiān)控電池的狀態(tài)。其主要功能包括：電池物理參數(shù)實時監(jiān)測；電池狀態(tài)估計；在線診斷與預(yù)警；充、放電與預(yù)充控制；均衡管理和熱管理等。動力電池的組成：電動汽車PACK設(shè)計概論2022/10/8第三頁，共33頁。從單體到系統(tǒng)單體電池：圓柱形鋰電池生產(chǎn)工藝成熟，PACK成本較低，電池產(chǎn)品良率以及電池組的一致性較高;由于電池組散熱面積大，其散熱性能優(yōu)于方型電池鋁殼包裝而成的電池

3、，采用激光封口工藝，全密封，鋁殼技術(shù)已非常成熟，且對材料技術(shù)，如氣脹率、膨脹率等指標，要求不高。軟包即軟包鋰電池，是在液態(tài)鋰離子電池套上一層聚合物外殼的電池，采用鋁塑復(fù)合膜包裝，軟包鋰電池的機械強度不高，在出現(xiàn)安全事故如內(nèi)短路等情況下，電池容易鼓起排氣，降低了爆炸風險。電動汽車PACK設(shè)計概論2022/10/8第四頁，共33頁。從單體到系統(tǒng)電池模組：方形電池模組軟包電池模組圓柱電池模組電動汽車PACK設(shè)計概論2022/10/8第五頁，共33頁。從單體到系統(tǒng)動力電池包：電動汽車PACK設(shè)計概論2022/10/8第六頁，共33頁。1.如果我們手頭只有容量50Ah的電芯，想要設(shè)計成容量為100Ah的

4、電池模組，怎么辦？2.一個由容量50Ah電芯組成2P12S的電池模組，如何計算它的電量有多少？容量：電池性能的重要性能指標之一是電池容量，它表示在一定條件下(放電率、溫度、終止電壓等)電池放出的電量(可用JS-150D做放電測試)，即電池的容量，通常以安培小時為單位（簡稱安時，以Ah表示）電量：表示物體所帶電荷的多少。一般來說，電荷的數(shù)量叫電量。通常以瓦特小時為單位（簡稱瓦時，以Wh表示）電量計算公式：電量=容量x電壓 電動汽車PACK設(shè)計概論2022/10/8第七頁，共33頁。電池的串聯(lián)1、電池串聯(lián)的方法將一個電池的負極與一個另一個電池的正極相接，這個電池的負極再與一個電池的正極相接；第一個

5、電池的正極就是這個電池組的正極，最后一個電池的負極就是這個電池組的負極。2、串聯(lián)電池組的圖形符號3、串聯(lián)電池組的總電動勢（E1、E2、E3、En為各個電池的電動勢）E=nE1（各個電池電勢差相同）4、串聯(lián)電池組的內(nèi)阻如果每個電池的內(nèi)阻相同則5、串聯(lián)電池組所供給的電流串聯(lián)電池組與負載電阻R構(gòu)成閉合回路時電動汽車PACK設(shè)計概論2022/10/8第八頁，共33頁。電池的并聯(lián)1、電池并聯(lián)的方法把所有電池的正極連接在一起，成為電池組的正極；把所有電池的負極連接在一起，成為電池組的負極。2、圖形符號3、并聯(lián)電池組的總電動勢4、并聯(lián)電池組的電流I1、I2、I3、In分別為各個電池的額定電流5、并聯(lián)電池組的

6、總內(nèi)阻R01為單個電池的內(nèi)阻，n為并聯(lián)電池的個數(shù)電動汽車PACK設(shè)計概論2022/10/8第九頁，共33頁。圖例優(yōu)點缺點應(yīng)用范圍先并后串并聯(lián)電芯當做一個電芯，監(jiān)控構(gòu)架簡單，BMS管理通道少，成本低。1.若電芯較大，直接并聯(lián)工藝可能導(dǎo)致電芯間不均流；2.若電芯較大，并聯(lián)點很多，并聯(lián)電流大，過流能力不易提高。適用于功率要求低的慢充系統(tǒng)先串后并只在兩端并聯(lián)，系統(tǒng)過流能力強，兩支路間電池均流好。每個支路電芯需獨立監(jiān)控，BMS管理通道多，成本高適用于有快充需求或功率要求高的系統(tǒng)混聯(lián)電芯容量較小而系統(tǒng)容量需求較大的系統(tǒng)電動汽車PACK設(shè)計概論2022/10/8第十頁，共33頁。電池模組典型設(shè)計案例-方形模

7、組鋁側(cè)板1.5mm或1.2mm鋁端板131*20*186.5端板絕緣片側(cè)板絕緣片模組蓋板鋁片1.5mm厚分解圖線束隔離板此處焊接（4處）此處焊接（N處）電動汽車PACK設(shè)計概論2022/10/8第十一頁，共33頁。電池模組典型設(shè)計案例-軟包模組電動汽車PACK設(shè)計概論2022/10/8第十二頁，共33頁。電池模組典型設(shè)計案例-圓柱模組鎳片電池支架塑料柱電池支架鎳片PC片電動汽車PACK設(shè)計概論2022/10/8第十三頁，共33頁。電池包典型設(shè)計案例電動汽車PACK設(shè)計概論2022/10/8第十四頁，共33頁。結(jié)構(gòu)電氣系統(tǒng)的設(shè)計： （1）一般要求 1、具有維護的方便性。 2、在車輛發(fā)生碰撞或電池

8、發(fā)生自燃等意外情況下，宜考慮防止煙火、液體、氣體等進入車廂的結(jié)構(gòu)或防護措施。 3、電池箱應(yīng)留有銘牌與安全標志布置位置，給保險、動力線、采集線、各種傳感元件的安裝留有足夠的空間和固定基礎(chǔ)。 4、所有無級基本絕緣的連接件、端子、電觸頭應(yīng)采取加強防護。在連接件、端子、電觸頭接合后應(yīng)符合GB 4208-2008防護等級為3的要求。 （2）外觀與尺寸 1、外表面無明顯的劃傷、變形等缺陷，表面涂鍍層應(yīng)均勻。 2、零部件緊固可靠，無銹蝕、毛刺、裂紋等缺陷和損傷。 （3）機械強度 1、耐振動強度和耐沖擊強度，在試驗后不應(yīng)有機械損壞、變形和緊固部位的松動現(xiàn)象，鎖止裝置不應(yīng)受到損壞。 GB/T 31467.3-2

9、015 2、采取鎖止裝置固定的蓄電池箱，鎖止裝置應(yīng)可靠，具有防誤操作措施。 （4）安全要求 1、在試驗后，電池箱防護等級不低于IP67。 2、人員觸電防護應(yīng)符合相關(guān)要求。電動汽車PACK設(shè)計概論2022/10/8第十五頁，共33頁。電池PACK常用結(jié)構(gòu)件： 1.塑料件常用材料有PP、PC、ABS、PC+ABS、PET、PBT、PA66、PA6、PVC等用途：電氣絕緣、結(jié)構(gòu)強度件案例：tesla電動汽車PACK設(shè)計概論2022/10/8第十六頁，共33頁。電池PACK常用結(jié)構(gòu)件： 2.鈑金件常用鋼板或者鋁板，鋼板如DC01（SPCC），DC04，B340/590DP等鋁板1060-O，5083等

10、用途：固定安裝支架，箱體等案例：依維柯A42電池箱BMU固定支架電動汽車PACK設(shè)計概論2022/10/8第十七頁，共33頁。電池PACK常用結(jié)構(gòu)件： 3.壓鑄件或鋁型材常用鋁合金6061,6063,5052等用途：結(jié)構(gòu)強度件，箱體等案例：電動汽車PACK設(shè)計概論2022/10/8第十八頁，共33頁。電氣安全設(shè)計： 1.絕緣設(shè)計（1）電芯絕緣設(shè)計 利用隔膜較好的力學性能和絕緣特征保護正負極之間的絕緣； 在正負極集流體疊片或者卷繞完成后，通常在卷繞2-3層隔膜以保證電池芯與外殼的絕緣；（2）模組絕緣設(shè)計 電芯與電芯之間的絕緣：多采用PET薄膜 電芯與模組外殼之間的絕緣：采用薄膜 電芯與采樣線之間

11、的絕緣：塑膠件（3）電池系統(tǒng)總成絕緣設(shè)計2.屏蔽防護 電磁波是電磁能量傳播的主要方式，高頻電路工作時，會向外輻射電磁波，對鄰近的其它設(shè)備產(chǎn)生干擾。另一方面，空間的各種電磁波也會感應(yīng)到電路中，對電路造成干擾。電磁屏蔽的作用是切斷電磁波的傳播途徑，從而消除干擾。在解決電磁干擾問題的諸多手段中，電磁屏蔽是最基本和有效的。3.等電位連接（1）等電位連接的作用 a）人體觸電防護 b）靜電防護 c）電磁干擾防護電動汽車PACK設(shè)計概論2022/10/8第十九頁，共33頁。電氣安全設(shè)計： 4.電氣隔離（1）電氣間隙 定義：在兩個導(dǎo)電零部件之間或?qū)щ娏悴考c設(shè)備防護界面之間測得的最短空間距離。即在保證電氣性能

12、穩(wěn)定和安全的情況下，通過空氣能實現(xiàn)絕緣的最短距離。（2）爬電距離 定義：在兩個導(dǎo)電部分之間沿絕緣材料表面的最短距離。電動汽車PACK設(shè)計概論（2）爬電距離 定義：在兩個導(dǎo)電部分之間沿絕緣材料表面的最短距離。2022/10/8第二十頁，共33頁。電氣安全設(shè)計： 5.常用電氣件高壓連接器：電池包正負極輸出有些帶屏蔽、高壓互鎖功能低壓連接器：1、信號：電池與電池間、電池與整車通訊2、小電流連接器：加熱維護開關(guān)：電池包內(nèi)部斷開，方便維修人員操作時斷電繼電器：低壓控制高壓電路通斷熔斷器：過流保護電動汽車PACK設(shè)計概論2022/10/8第二十一頁，共33頁。電氣安全設(shè)計： 6.柔性母排銅箔軟連接的制造工

13、藝為壓焊或者釬焊。壓焊： 壓焊是將銅箔疊片部分壓在一起，采用分子擴散焊，通過大電流加熱壓焊成型。 銅箔厚度：0.05mm至0.3mm。 接觸面可按用戶要求鍍錫或鍍銀。釬焊： 釬焊是將銅箔疊片部分壓在一起，采用銀基釬焊料，與扁銅塊對焊成型。 銅箔厚度：0.05mm至0.3mm。 接觸面可按用戶要求鍍錫或鍍銀柔性母排又稱疊片式絕緣軟母排，俗稱軟銅片或者軟鋁排柔性母排，是由多層防電暈的扁平薄銅片導(dǎo)體疊加，外層采用擠塑方式包覆絕緣層制作而成。特點：1）易加工成型2）高載流量：交流適用3）安裝方便電動汽車PACK設(shè)計概論2022/10/8第二十二頁，共33頁。導(dǎo)線實際載流：I=Inf1f2f3f4In：

14、導(dǎo)線額定載流f1:環(huán)境溫度升高對載流的影響f2:導(dǎo)體溫度升高對載流的影響f3:多心線對載流的影響f4:頻率增加對載流的影響來自來自集膚效應(yīng) 當任意大導(dǎo)體對磁場交變時，這種導(dǎo)體就會感應(yīng)電流，產(chǎn)生渦流現(xiàn)象。f1f2f3f4束縛數(shù)123456-78-1011-12折算10.80.70.60.550.50.450.4集膚效應(yīng)多芯線7.載流量影響因素電動汽車PACK設(shè)計概論2022/10/8第二十三頁，共33頁。匯流排實際載流注：表中分數(shù)的分子表示交流負荷，分母表示直流負荷。影響匯流排載流的因數(shù)：F1: 集膚效應(yīng)；F2, 母線平放安裝時，載流應(yīng)該小于豎直安裝；F3,匯流排表面有無絕緣層。集膚效應(yīng)安裝方向

15、表面包裹厚度寬度7.載流量影響因素電動汽車PACK設(shè)計概論2022/10/8第二十四頁，共33頁。電池管理系統(tǒng)設(shè)計：電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）的主要任務(wù)是保證電池系統(tǒng)的設(shè)計性能：1）安全性，保護電池單體或電池組免受損壞，防止出現(xiàn)安全事故；2）耐久性，使電池工作在可靠的安全區(qū)域內(nèi)，延長電池的使用壽命；3）動力性，維持電池工作在滿足車輛要求的狀態(tài)下。具體來看，包括數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測、均衡控制、熱管理、安全保護、信息管理等功能。電動汽車PACK設(shè)計概論2022/10/8第二十五頁，共33頁。電池管理系統(tǒng)設(shè)計：BMS數(shù)據(jù)采集：主要采集電池單體的電壓和溫度

16、2022/10/8第二十六頁，共33頁。熱管理系統(tǒng)設(shè)計：（1）電池溫度的準確測量和監(jiān)控；（2）電池組溫度過高時的有效散熱和通風；（3）低溫條件下的快速加熱,使電池組能夠正常工作；（4）有害氣體產(chǎn)生時的有效通風；（5）保證電池組溫度場的均勻分布。電池熱管理系統(tǒng)主要功能:2022/10/8第二十七頁，共33頁。1）沒有熱管理系統(tǒng)，也就是不刻意讓電池散熱，采用自然降溫的方式，比如Leaf電動車。2）采用風冷：主要有通過電池包內(nèi)循環(huán)降溫散熱和通過外部風扇通風降溫，其中前者占絕大部分，后者比較少。3）水冷或者別的液體介質(zhì)降溫由水泵、散熱器、冷卻風扇、節(jié)溫器、補償水桶、發(fā)動機機體和氣缸蓋中的水套以及其他附屬裝置等組成。2.風冷系統(tǒng)：通過溫度監(jiān)測點的溫度實