배터리 디자인 프로젝트 전반에 대한 논의

一、모듈 전체 디자인 기능

배터리 모듈은 리튬이온 배터리 셀의 직렬 및 병렬 결합과 단일 배터리의 전압 및 온도 모니터링 및 관리 장치를 결합하여 형성된 배터리 셀과 배터리 팩의 중간 제품으로 이해될 수 있다. 그 구조는 셀을 지지, 고정 및 보호해야 하며 설계 요구 사항은 기계적 강도, 전기적 성능, 열 방출 성능 및 오류 처리 능력 요구 사항을 충족해야 합니다.셀 위치를 완전히 고정하고 성능을 손상시키는 변형으로부터 보호할 수 있는지 여부, 전류 전달 성능 요구 사항을 충족하는 방법, 셀 온도 제어를 충족하는 방법, 심각한 이상 발생 시 전원을 끌지 여부, 열 폭주 전파 방지 등이 배터리 모듈의 장점을 판단하는 기준이 될 것입니다.
 

그림 1: 정사각형 하드쉘 전원 배터리 팩

 

그림 2: 정사각형 소프트 팩 전원 배터리 팩

그림 3: 원통형 배터리 팩

2, 전기적 성능 요구 사항

● 셀 그룹 일관성 요구 사항:

생산 공정의 한계로 인해 각 셀 매개변수의 완전한 일관성을 달성하는 것은 불가능합니다. 직렬 사용 과정에서 내부 저항이 큰 셀이 먼저 방전되고 처음으로 완전히 충전되어 장기간 사용되면 각 직렬 셀의 용량과 전압 차이가 점점 더 분명해집니다. 모듈용 셀을 선택할 때 고려해야 할 8가지 일관성 요구 사항이 있습니다.
1.일관된 용량
2.일관된 전압
3.일관적인 정전류 비율
4. 일관된 힘
5. 일관된 내부 저항
6.일관적인 자체 방전율
7.일관된 생산 배치
8. 일관된 배출 플랫폼

● 저전압 설계 요구 사항:

모듈은 저전압 및 고전압 라인의 두 부분을 포함하여 직렬 및 병렬로 특정 수의 배터리 셀로 구성됩니다. 저전압 라인은 단일 셀의 전압 및 온도 신호를 수집하는 작업을 담당하며 해당 밸런스 회로가 장착되어 있습니다. 일부 제조업체는 단일 배터리를 하나씩 보호하기 위해 퓨즈가 있는 PCB 보드를 설계하고 PCB 보드와 퓨즈 보호의 조합도 사용합니다. 특정 오류 지점이 발생하면 퓨즈가 작동하고 오류 배터리가 분리되고 다른 배터리도 사용됩니다. 정상적으로 작동하고 안전성이 높습니다.

그림 4: 정사각형 하드쉘 모듈 구조 다이어그램

● 고전압 설계 요구 사항:

셀 수가 일정 수준에 도달하고 안전 전압인 60V를 초과하면 고전압 회로가 형성됩니다. 고전압 연결은 두 가지 요구 사항을 충족해야 합니다. 첫째, 셀 사이의 전도체 분포와 접촉 저항이 균일해야 합니다. 그렇지 않으면 단일 셀의 전압 감지가 방해를 받습니다. 둘째, 전송 경로에서 전기 에너지가 낭비되지 않도록 저항이 충분히 작아야 합니다. 고전압 안전을 보장하려면 고전압 라인과 저전압 라인 사이의 전기적 절연도 고려해야 합니다.

3, 기계 구조의 설계 요구 사항

모듈의 기계적 구조는 국가 표준 설계 요구 사항, 진동 방지, 피로 방지를 충족해야 합니다. 배터리 코어 용접 사이에는 가상 용접이 없으며, 과용접의 경우 배터리 팩의 밀봉이 양호합니다. 업계에서 모듈과 배터리팩의 구성효율은 다음과 같은 것으로 이해된다.

	그룹 효율성	배터리 팩 효율
원통형 셀	87%	65%
정사각형 셀	89%	68%
연질세포	85%	65%

다양한 배터리 그룹 및 배터리 팩의 효율성 통계
공간 활용도를 높이는 것은 모듈을 최적화하는 중요한 방법입니다. 전력 배터리 PACK 기업은 모듈 및 열 관리 시스템 설계를 개선하고 셀 간격을 줄여 배터리 박스 내부 공간 활용도를 높일 수 있습니다. 또 다른 해결책은 새로운 재료를 사용하는 것입니다. 예를 들어, 전원 배터리 시스템의 버스(병렬 회로의 버스, 일반적으로 구리판으로 구성됨)는 알루미늄이 포함된 구리로 대체되고, 모듈 패스너는 고강도 강철 및 알루미늄이 포함된 판금 재료로 대체됩니다. 또한 전원 배터리의 무게를 줄일 수도 있습니다.

넷, 모듈 열 설계

현재 전력 배터리 시스템의 열 관리는 주로 자연 냉각, 공기 냉각, 액체 냉각 및 직접 냉각의 네 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 그 중 자연냉각은 수동적 열관리 방식인 반면, 공냉식, 액체냉각, 직접냉각은 능동형이며, 이 세 가지의 가장 큰 차이점은 열전달 매체의 차이이다.

● 자연 냉각

자연 냉각에는 열 전달을 위한 추가 장치가 없습니다.

● 공기 냉각

공기 냉각은 공기를 열 전달 매체로 사용합니다. 수동 공기 냉각과 능동 공기 냉각으로 구분되는 수동 공기 냉각은 외부 공기 열 전달 냉각을 직접 사용하는 것을 의미합니다. 배터리를 소산하거나 따뜻하게 하기 위해 외부 공기를 가열하거나 냉각시키는 능동형 공기 냉각을 고려할 수 있습니다.

● 액체 냉각

액체 냉각은 열 전달 매체로 부동액(예: 에틸렌 글리콜)을 사용합니다. 이 계획에는 일반적으로 응답 조정 및 전환을 위한 열 관리 전략에 따라 라디에이터 회로가 있는 VOLT, 에어컨 회로, PTC 회로, 배터리 관리 시스템과 같은 다양한 열 교환 회로가 있습니다. TESLA Model S에는 모터 냉각과 직렬로 연결된 회로가 있습니다. 배터리를 낮은 온도에서 가열해야 하는 경우 모터 냉각 회로가 배터리 냉각 회로와 직렬로 연결되어 모터가 배터리를 가열할 수 있습니다. 전원 배터리가 고온일 때 모터 냉각 회로와 배터리 냉각 회로가 병렬로 조정되고 두 냉각 시스템이 독립적으로 열을 방출합니다.

● 직접 냉각

냉매(상 변화 물질)를 열 전달 매체로 사용하는 직접 냉각은 냉매가 액상 변화 과정에서 많은 열을 흡수할 수 있으며, 냉매에 비해 열 전달 효율이 3배 이상 증가하고 더 빨리 제거될 수 있습니다. 배터리 시스템 내부의 열. BMW i3에는 직접 냉각이 사용되었습니다.
배터리 시스템 열 관리 솔루션은 냉각 효율성 외에도 모든 배터리 온도의 일관성을 고려해야 합니다. PACK에는 수백 또는 수천 개의 셀이 있으며 온도 센서는 모든 셀을 감지할 수 없습니다. 예를 들어 테슬라 모델 S의 모듈에는 수백 개의 배터리가 있는데, 온도 감지 지점은 2개만 배치된다. 따라서 배터리는 열 관리 설계를 통해 최대한 일관성을 유지해야 합니다. 그리고 더 나은 온도 일관성은 일관된 배터리 전력, 수명, SOC 및 기타 성능 매개변수를 전제로 합니다.

현재 시중의 주류 냉각 방식은 액체 냉각과 상변화 물질 냉각의 조합으로 바뀌었습니다. 상변화 물질 냉각은 액체 냉각과 함께 사용하거나 덜 혹독한 환경 조건에서 단독으로 사용할 수 있습니다. 또, 중국에서는 아직 더 널리 사용되고 있는 공정이 있는데, 열전도성 접착 공정을 배터리 모듈 하단에 적용하고 있다. 열 접착제의 열전도율은 공기의 열전도율보다 훨씬 높습니다. 배터리 셀에서 방출된 열은 열전도성 접착제에 의해 모듈 하우징으로 전달된 후 외부로 더 방출됩니다.

요약:

앞으로 주요 OEM과 배터리 공장은 성능 향상과 원가 절감을 중심으로 모듈 설계와 생산 경쟁을 벌이게 될 것이다. 성능은 제품의 핵심 경쟁력을 더욱 강화하기 위해 기계적 강도, 전기적 성능, 방열 성능 및 기타 세 가지 측면의 요구 사항을 충족해야 합니다. 비용 측면에서는 스마트 셀의 표준화에 대한 심층적인 연구를 통해 생산 능력을 더욱 확장할 수 있는 기반을 마련하고, 다양한 종류의 표준화된 셀을 결합함으로써 차량 유연성을 달성할 수 있으며 궁극적으로 상당한 절감 효과를 얻을 수 있습니다. 생산 비용에서.