電池PACK設(shè)計(jì)概論

電池PACK設(shè)計(jì)概論第一頁(yè)，共33頁(yè)。加燃料油罐或儲(chǔ)氣罐燃料使用內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)車輪動(dòng)力驅(qū)動(dòng)力充電動(dòng)力電池系統(tǒng)放電/回饋電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)車輪動(dòng)力驅(qū)動(dòng)力圖1傳統(tǒng)汽車的能源轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)力示意圖圖2電動(dòng)汽車的電能轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)力示意圖電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)汽車的區(qū)別：電動(dòng)汽車PACK設(shè)計(jì)概論2023/4/30第二頁(yè)，共33頁(yè)。單體動(dòng)力電池：構(gòu)成動(dòng)力電池模塊的最小單元。一般由正極、負(fù)極、電解質(zhì)、隔膜、外殼及端子（極端）等組合而成，可實(shí)現(xiàn)電能與化學(xué)能之間的直接轉(zhuǎn)換。電池模組/電池模塊：?jiǎn)误w電池通過(guò)串聯(lián)和并聯(lián)在物理結(jié)構(gòu)和電路上連接起來(lái)構(gòu)成動(dòng)力電池包或最小分組，可作為一個(gè)單元替換。電池包（PACK）：能量存儲(chǔ)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(guò)流保護(hù)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(guò)充電和過(guò)放電，延長(zhǎng)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；電池狀態(tài)估計(jì)；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(dòng)力電池的組成：電動(dòng)汽車PACK設(shè)計(jì)概論2023/4/30第三頁(yè)，共33頁(yè)。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，采用激光封口工藝，全密封，鋁殼技術(shù)已非常成熟，且對(duì)材料技術(shù)，如氣脹率、膨脹率等指標(biāo)，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(jī)械強(qiáng)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(fēng)險(xiǎn)。電動(dòng)汽車PACK設(shè)計(jì)概論2023/4/30第四頁(yè)，共33頁(yè)。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(dòng)汽車PACK設(shè)計(jì)概論2023/4/30第五頁(yè)，共33頁(yè)。從單體到系統(tǒng)——?jiǎng)恿﹄姵匕弘妱?dòng)汽車PACK設(shè)計(jì)概論2023/4/30第六頁(yè)，共33頁(yè)。1.如果我們手頭只有容量50Ah的電芯，想要設(shè)計(jì)成容量為100Ah的電池模組，怎么辦？2.一個(gè)由容量50Ah電芯組成2P12S的電池模組，如何計(jì)算它的電量有多少？容量：電池性能的重要性能指標(biāo)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(cè)試)，即電池的容量，通常以安培·小時(shí)為單位（簡(jiǎn)稱安時(shí)，以Ah表示）電量：表示物體所帶電荷的多少。一般來(lái)說(shuō)，電荷的數(shù)量叫電量。通常以瓦特·小時(shí)為單位（簡(jiǎn)稱瓦時(shí)，以Wh表示）電量計(jì)算公式：電量=容量x電壓

電動(dòng)汽車PACK設(shè)計(jì)概論2023/4/30第七頁(yè)，共33頁(yè)。電池的串聯(lián)1、電池串聯(lián)的方法將一個(gè)電池的負(fù)極與一個(gè)另一個(gè)電池的正極相接，這個(gè)電池的負(fù)極再與一個(gè)電池的正極相接；第一個(gè)電池的正極就是這個(gè)電池組的正極，最后一個(gè)電池的負(fù)極就是這個(gè)電池組的負(fù)極。2、串聯(lián)電池組的圖形符號(hào)3、串聯(lián)電池組的總電動(dòng)勢(shì)（E1、E2、E3、En為各個(gè)電池的電動(dòng)勢(shì)）E=nE1（各個(gè)電池電勢(shì)差相同）4、串聯(lián)電池組的內(nèi)阻●如果每個(gè)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(fù)載電阻R構(gòu)成閉合回路時(shí)電動(dòng)汽車PACK設(shè)計(jì)概論2023/4/30第八頁(yè)，共33頁(yè)。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(fù)極連接在一起，成為電池組的負(fù)極。2、圖形符號(hào)3、并聯(lián)電池組的總電動(dòng)勢(shì)4、并聯(lián)電池組的電流I1、I2、I3、In分別為各個(gè)電池的額定電流5、并聯(lián)電池組的總內(nèi)阻R01為單個(gè)電池的內(nèi)阻，n為并聯(lián)電池的個(gè)數(shù)電動(dòng)汽車PACK設(shè)計(jì)概論2023/4/30第九頁(yè)，共33頁(yè)。圖例優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)應(yīng)用范圍先并后串并聯(lián)電芯當(dāng)做一個(gè)電芯，監(jiān)控構(gòu)架簡(jiǎn)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(diǎn)很多，并聯(lián)電流大，過(guò)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(guò)流能力強(qiáng)，兩支路間電池均流好。每個(gè)支路電芯需獨(dú)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(dòng)汽車PACK設(shè)計(jì)概論2023/4/30第十頁(yè)，共33頁(yè)。電池模組典型設(shè)計(jì)案例-方形模組鋁側(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(dòng)汽車PACK設(shè)計(jì)概論2023/4/30第十一頁(yè)，共33頁(yè)。電池模組典型設(shè)計(jì)案例-軟包模組電動(dòng)汽車PACK設(shè)計(jì)概論2023/4/30第十二頁(yè)，共33頁(yè)。電池模組典型設(shè)計(jì)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(dòng)汽車PACK設(shè)計(jì)概論2023/4/30第十三頁(yè)，共33頁(yè)。電池包典型設(shè)計(jì)案例電動(dòng)汽車PACK設(shè)計(jì)概論2023/4/30第十四頁(yè)，共33頁(yè)。結(jié)構(gòu)電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：

（1）一般要求

1、具有維護(hù)的方便性。2、在車輛發(fā)生碰撞或電池發(fā)生自燃等意外情況下，宜考慮防止煙火、液體、氣體等進(jìn)入車廂的結(jié)構(gòu)或防護(hù)措施。

3、電池箱應(yīng)留有銘牌與安全標(biāo)志布置位置，給保險(xiǎn)、動(dòng)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(wú)級(jí)基本絕緣的連接件、端子、電觸頭應(yīng)采取加強(qiáng)防護(hù)。在連接件、端子、電觸頭接合后應(yīng)符合GB4208-2008防護(hù)等級(jí)為3的要求。

（2）外觀與尺寸

1、外表面無(wú)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(wú)銹蝕、毛刺、裂紋等缺陷和損傷。

（3）機(jī)械強(qiáng)度

1、耐振動(dòng)強(qiáng)度和耐沖擊強(qiáng)度，在試驗(yàn)后不應(yīng)有機(jī)械損壞、變形和緊固部位的松動(dòng)現(xiàn)象，鎖止裝置不應(yīng)受到損壞。

GB/T31467.3-20152、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(yàn)后，電池箱防護(hù)等級(jí)不低于IP67。

2、人員觸電防護(hù)應(yīng)符合相關(guān)要求。電動(dòng)汽車PACK設(shè)計(jì)概論2023/4/30第十五頁(yè)，共33頁(yè)。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(qiáng)度件案例：tesla電動(dòng)汽車PACK設(shè)計(jì)概論2023/4/30第十六頁(yè)，共33頁(yè)。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(dòng)汽車PACK設(shè)計(jì)概論2023/4/30第十七頁(yè)，共33頁(yè)。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(qiáng)度件，箱體等案例：電動(dòng)汽車PACK設(shè)計(jì)概論2023/4/30第十八頁(yè)，共33頁(yè)。電氣安全設(shè)計(jì)：

1.絕緣設(shè)計(jì)（1）電芯絕緣設(shè)計(jì)利用隔膜較好的力學(xué)性能和絕緣特征保護(hù)正負(fù)極之間的絕緣；在正負(fù)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(jì)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的絕緣：塑膠件（3）電池系統(tǒng)總成絕緣設(shè)計(jì)2.屏蔽防護(hù)電磁波是電磁能量傳播的主要方式，高頻電路工作時(shí)，會(huì)向外輻射電磁波，對(duì)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(huì)感應(yīng)到電路中，對(duì)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(hù)

b）靜電防護(hù)c）電磁干擾防護(hù)電動(dòng)汽車PACK設(shè)計(jì)概論2023/4/30第十九頁(yè)，共33頁(yè)。電氣安全設(shè)計(jì)：

4.電氣隔離（1）電氣間隙定義：在兩個(gè)導(dǎo)電零部件之間或?qū)щ娏悴考c設(shè)備防護(hù)界面之間測(cè)得的最短空間距離。即在保證電氣性能穩(wěn)定和安全的情況下，通過(guò)空氣能實(shí)現(xiàn)絕緣的最短距離。

（2）爬電距離定義：在兩個(gè)導(dǎo)電部分之間沿絕緣材料表面的最短距離。電動(dòng)汽車PACK設(shè)計(jì)概論（2）爬電距離定義：在兩個(gè)導(dǎo)電部分之間沿絕緣材料表面的最短距離。2023/4/30第二十頁(yè)，共33頁(yè)。電氣安全設(shè)計(jì)：

5.常用電氣件高壓連接器：電池包正負(fù)極輸出有些帶屏蔽、高壓互鎖功能低壓連接器：1、信號(hào)：電池與電池間、電池與整車通訊2、小電流連接器：加熱維護(hù)開關(guān)：電池包內(nèi)部斷開，方便維修人員操作時(shí)斷電繼電器：低壓控制高壓電路通斷熔斷器：過(guò)流保護(hù)電動(dòng)汽車PACK設(shè)計(jì)概論2023/4/30第二十一頁(yè)，共33頁(yè)。電氣安全設(shè)計(jì)：

6.柔性母排銅箔軟連接的制造工藝為壓焊或者釬焊。壓焊：

壓焊是將銅箔疊片部分壓在一起，采用分子擴(kuò)散焊，通過(guò)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(duì)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(diǎn)：1）易加工成型2）高載流量：交流適用3）安裝方便

電動(dòng)汽車PACK設(shè)計(jì)概論2023/4/30第二十二頁(yè)，共33頁(yè)。導(dǎo)線實(shí)際載流：I=In?f1?f2?f3?f4In：導(dǎo)線額定載流f1:環(huán)境溫度升高對(duì)載流的影響f2:導(dǎo)體溫度升高對(duì)載流的影響f3:多心線對(duì)載流的影響f4:頻率增加對(duì)載流的影響來(lái)自<HUBER+SUHNER>來(lái)自<JASOD609>集膚效應(yīng)

當(dāng)任意大導(dǎo)體對(duì)磁場(chǎng)交變時(shí)，這種導(dǎo)體就會(huì)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(dòng)汽車PACK設(shè)計(jì)概論2023/4/30第二十三頁(yè)，共33頁(yè)。匯流排實(shí)際載流注：表中分?jǐn)?shù)的分子表示交流負(fù)荷，分母表示直流負(fù)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(shí)，載流應(yīng)該小于豎直安裝；F3,匯流排表面有無(wú)絕緣層。集膚效應(yīng)安裝方向表面包裹厚度寬度7.載流量影響因素電動(dòng)汽車PACK設(shè)計(jì)概論2023/4/30第二十四頁(yè)，共33頁(yè)。電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)：電池管理系統(tǒng)（BatteryManagementSystem，BMS）的主要任務(wù)是保證電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)性能：1）安全性，保護(hù)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(zhǎng)電池的使用壽命；3）動(dòng)力性，維持電池工作在滿足車輛要求的狀態(tài)下。具體來(lái)看，包括數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、均衡控制、熱管理、安全保護(hù)、信息管理等功能。電動(dòng)汽車PACK設(shè)計(jì)概論2023/4/30第二十五頁(yè)，共33頁(yè)。電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)：BMS數(shù)據(jù)采集：主要采集電池單體的電壓和溫度2023/4/30電動(dòng)汽車PACK設(shè)計(jì)概論第二十六頁(yè)，共33頁(yè)。熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)：（1）電池溫度的準(zhǔn)確測(cè)量和監(jiān)控；（2）電池組溫度過(guò)高