電池PACK設計概論

電池PACK設計概論第一頁，共34頁。加燃料油罐或儲氣罐燃料使用內燃機系統機械傳動系統車輪動力驅動力充電動力電池系統放電/回饋電驅動系統機械傳動系統車輪動力驅動力圖1傳統汽車的能源轉換為驅動力示意圖圖2電動汽車的電能轉換為驅動力示意圖電動汽車與傳統汽車的區(qū)別：電動汽車PACK設計概論2023/4/18第二頁，共34頁。單體動力電池：構成動力電池模塊的最小單元。一般由正極、負極、電解質、隔膜、外殼及端子（極端）等組合而成，可實現電能與化學能之間的直接轉換。電池模組/電池模塊：單體電池通過串聯和并聯在物理結構和電路上連接起來構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（如冷卻、高壓、輔助低壓和通訊等）的接口。電池管理系統（BMS）：為了能夠提高電池的利用率，防止電池出現過充電和過放電，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：電池物理參數實時監(jiān)測；電池狀態(tài)估計；在線診斷與預警；充、放電與預充控制；均衡管理和熱管理等。動力電池的組成：電動汽車PACK設計概論2023/4/18第三頁，共34頁。從單體到系統——單體電池：圓柱形鋰電池生產工藝成熟，PACK成本較低，電池產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，鋁殼技術已非常成熟，且對材料技術，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，采用鋁塑復合膜包裝，軟包鋰電池的機械強度不高，在出現安全事故如內短路等情況下，電池容易鼓起排氣，降低了爆炸風險。電動汽車PACK設計概論2023/4/18第四頁，共34頁。從單體到系統——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設計概論2023/4/18第五頁，共34頁。從單體到系統——動力電池包：電動汽車PACK設計概論2023/4/18第六頁，共34頁。1.如果我們手頭只有容量50Ah的電芯，想要設計成容量為100Ah的電池模組，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設計概論2023/4/18第七頁，共34頁。電池的串聯1、電池串聯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、串聯電池組的圖形符號3、串聯電池組的總電動勢（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、串聯電池組的內阻●如果每個電池的內阻相同則5、串聯電池組所供給的電流串聯電池組與負載電阻R構成閉合回路時電動汽車PACK設計概論2023/4/18第八頁，共34頁。電池的并聯1、電池并聯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、并聯電池組的總電動勢4、并聯電池組的電流I1、I2、I3、In分別為各個電池的額定電流5、并聯電池組的總內阻R01為單個電池的內阻，n為并聯電池的個數電動汽車PACK設計概論2023/4/18第九頁，共34頁。圖例優(yōu)點缺點應用范圍先并后串并聯電芯當做一個電芯，監(jiān)控構架簡單，BMS管理通道少，成本低。1.若電芯較大，直接并聯工藝可能導致電芯間不均流；2.若電芯較大，并聯點很多，并聯電流大，過流能力不易提高。適用于功率要求低的慢充系統先串后并只在兩端并聯，系統過流能力強，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混聯電芯容量較小而系統容量需求較大的系統電動汽車PACK設計概論2023/4/18第十頁，共34頁。電池模組典型設計案例-方形模組鋁側板1.5mm或1.2mm鋁端板131*20*186.5端板絕緣片側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設計概論2023/4/18第十一頁，共34頁。電池模組典型設計案例-軟包模組電動汽車PACK設計概論2023/4/18第十二頁，共34頁。電池模組典型設計案例-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設計概論2023/4/18第十三頁，共34頁。電池包典型設計案例電動汽車PACK設計概論2023/4/18第十四頁，共34頁。結構電氣系統的設計：

（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構或防護措施。

3、電池箱應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。4、所有無級基本絕緣的連接件、端子、電觸頭應采取加強防護。在連接件、端子、電觸頭接合后應符合GB4208-2008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，在試驗后不應有機械損壞、變形和緊固部位的松動現象，鎖止裝置不應受到損壞。

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、人員觸電防護應符合相關要求。電動汽車PACK設計概論2023/4/18第十五頁，共34頁。電池PACK常用結構件：

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、結構強度件案例：tesla電動汽車PACK設計概論2023/4/18第十六頁，共34頁。電池PACK常用結構件：

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固定支架電動汽車PACK設計概論2023/4/18第十七頁，共34頁。電池PACK常用結構件：

3.壓鑄件或鋁型材常用鋁合金6061,6063,5052等用途：結構強度件，箱體等案例：電動汽車PACK設計概論2023/4/18第十八頁，共34頁。電氣安全設計：

1.絕緣設計（1）電芯絕緣設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

電芯與采樣線之間的絕緣：塑膠件（3）電池系統總成絕緣設計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，對鄰近的其它設備產生干擾。另一方面，空間的各種電磁波也會感應到電路中，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設計概論2023/4/18第十九頁，共34頁。電氣安全設計：

4.電氣隔離（1）電氣間隙定義：在兩個導電零部件之間或導電零部件與設備防護界面之間測得的最短空間距離。即在保證電氣性能穩(wěn)定和安全的情況下，通過空氣能實現絕緣的最短距離。

（2）爬電距離定義：在兩個導電部分之間沿絕緣材料表面的最短距離。電動汽車PACK設計概論（2）爬電距離定義：在兩個導電部分之間沿絕緣材料表面的最短距離。2023/4/18第二十頁，共34頁。電氣安全設計：

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：電池包內部斷開，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設計概論2023/4/18第二十一頁，共34頁。電氣安全設計：

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設計概論2023/4/18第二十二頁，共34頁。導線實際載流：I=In?f1?f2?f3?f4In：導線額定載流f1:環(huán)境溫度升高對載流的影響f2:導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<HUBER+SUHNER>來自<JASOD609>集膚效應

當任意大導體對磁場交變時，這種導體就會感應電流，產生渦流現象。f1f2f3f4束縛數123456-78-1011-12折算10.80.70.60.550.50.450.4集膚效應多芯線7.載流量影響因素電動汽車PACK設計概論2023/4/18第二十三頁，共34頁。匯流排實際載流注：表中分數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：F1:集膚效應；F2,母線平放安裝時，載流應該小于豎直安裝；F3,匯流排表面有無絕緣層。集膚效應安裝方向表面包裹厚度寬度7.載流量影響因素電動汽車PACK設計概論2023/4/18第二十四頁，共34頁。電池管理系統設計：電池管理系統（BatteryManagementSystem，BMS）的主要任務是保證電池系統的設計性能：1）安全性，保護電池單體或電池組免受損壞，防止出現安全事故；2）耐久性，使電池工作在可靠的安全區(qū)域內，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，包括數據采集、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設計概論2023/4/18第二十五頁，共34頁。電池管理系統設計：BMS數據采集：主要采集電池單體的電壓和溫度2023/4/18PACK設計概論第二十六頁，共34頁。熱管理系統設計：（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