Thảo luận về dự án thiết kế tổng thể của pin

一、Tính năng thiết kế tổng thể của mô-đun

Mô-đun pin có thể được hiểu là sản phẩm trung gian giữa pin và bộ pin được hình thành bởi sự kết hợp giữa pin lithium-ion nối tiếp và song song với thiết bị quản lý và giám sát điện áp, nhiệt độ của pin đơn. Cấu trúc của nó phải hỗ trợ, cố định và bảo vệ tế bào, đồng thời yêu cầu thiết kế cần đáp ứng các yêu cầu về độ bền cơ học, hiệu suất điện, hiệu suất tản nhiệt và khả năng xử lý lỗi.Liệu nó có thể cố định hoàn toàn vị trí của tế bào và bảo vệ nó khỏi biến dạng làm hỏng hiệu suất hay không, làm thế nào để đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất mang dòng điện, làm thế nào để đáp ứng việc kiểm soát nhiệt độ của tế bào, có nên tắt nguồn khi gặp bất thường nghiêm trọng hay không, có nên tránh sự lan truyền nhiệt, v.v., sẽ là tiêu chí để đánh giá giá trị của mô-đun pin.
 

Hình 1: Bộ pin vỏ cứng hình vuông

 

Hình 2: Bộ pin nguồn mềm hình vuông

Hình 3: Bộ pin hình trụ

二、Yêu cầu về hiệu suất điện

● Yêu cầu về tính nhất quán của nhóm ô:

Do hạn chế của quy trình sản xuất nên không thể đạt được sự thống nhất hoàn toàn về các thông số của từng ô. Trong quá trình sử dụng nối tiếp, tế bào có điện trở trong lớn lần đầu tiên được phóng điện và lần đầu tiên được sạc đầy, sử dụng lâu dài, sự khác biệt về công suất và điện áp của từng tế bào dòng ngày càng trở nên rõ ràng. Có tám yêu cầu về tính nhất quán cần được xem xét khi chọn ô cho mô-đun.
1. Năng lực phù hợp
2. Điện áp ổn định
3. Tỷ lệ hiện tại không đổi
4. Sức mạnh nhất quán
5. Kháng nội bộ nhất quán
6. Tốc độ tự xả ổn định
7. Lô sản xuất nhất quán
8. Nền tảng xả nhất quán

● Yêu cầu thiết kế điện áp thấp:

Mô-đun này bao gồm một số lượng tế bào pin nhất định nối tiếp và song song, bao gồm hai phần của đường dây điện áp thấp và điện áp cao. Đường dây hạ thế đảm nhận nhiệm vụ thu thập tín hiệu điện áp và nhiệt độ của tế bào đơn và được trang bị mạch cân bằng tương ứng. Một số nhà sản xuất sẽ thiết kế bo mạch PCB có cầu chì để bảo vệ từng pin một, đồng thời sử dụng sự kết hợp giữa bo mạch PCB và bảo vệ cầu chì, khi đến một điểm hỏng hóc nhất định, cầu chì hoạt động, pin bị lỗi bị ngắt kết nối, các loại pin khác hoạt động bình thường, độ an toàn cao.

Hình 4:  Sơ đồ cấu trúc mô-đun vỏ cứng hình vuông

● Yêu cầu thiết kế điện áp cao:

Khi số lượng tế bào đạt đến một mức nhất định và vượt quá điện áp an toàn 60V, mạch điện áp cao sẽ được hình thành. Kết nối điện áp cao cần phải đáp ứng hai yêu cầu: thứ nhất, sự phân bố dây dẫn và điện trở tiếp xúc giữa các tế bào phải đồng nhất, nếu không việc phát hiện điện áp của một tế bào sẽ bị cản trở. Thứ hai, điện trở phải đủ nhỏ để tránh lãng phí năng lượng điện trên đường truyền. Việc cách ly điện giữa đường dây cao thế và hạ thế cũng cần được quan tâm để đảm bảo an toàn điện áp cao.

三、Yêu cầu thiết kế kết cấu cơ khí

Cấu trúc cơ khí của mô-đun cần đáp ứng các yêu cầu thiết kế tiêu chuẩn quốc gia, chống rung, chống mỏi. Không có hiện tượng hàn ảo giữa việc hàn lõi pin và trường hợp hàn quá tay thì độ kín của bộ pin tốt. Người ta hiểu rằng hiệu quả cấu tạo của các mô-đun và bộ pin trong ngành như sau

	Hiệu quả nhóm	Hiệu suất của bộ pin
Tế bào hình trụ	87%	65%
Ô vuông	89%	68%
Tế bào mềm	85%	65%

Thống kê hiệu quả của các nhóm pin và bộ pin khác nhau
Cải thiện việc sử dụng không gian là một cách quan trọng để tối ưu hóa mô-đun, doanh nghiệp PACK pin điện có thể cải thiện thiết kế mô-đun và hệ thống quản lý nhiệt, giảm khoảng cách giữa các ô để cải thiện việc sử dụng không gian bên trong hộp pin. Một giải pháp khác là sử dụng vật liệu mới. Ví dụ, bus trong hệ thống pin điện (bus trong mạch song song, thường được làm bằng tấm đồng) được thay thế bằng đồng bằng nhôm, và các ốc vít mô-đun được thay thế bằng vật liệu kim loại tấm bằng thép và nhôm cường độ cao, trong đó cũng có thể làm giảm trọng lượng của pin điện.

四、 Thiết kế nhiệt mô-đun

Hiện nay, việc quản lý nhiệt của hệ thống pin điện có thể chủ yếu được chia thành bốn loại: làm mát tự nhiên, làm mát không khí, làm mát bằng chất lỏng và làm mát trực tiếp. Trong số đó, làm mát tự nhiên là phương pháp quản lý nhiệt thụ động, trong khi làm mát bằng không khí, làm mát bằng chất lỏng và làm mát trực tiếp là phương pháp chủ động, và điểm khác biệt chính giữa ba phương pháp này là sự khác biệt về môi trường truyền nhiệt.

● Làm mát tự nhiên

Làm mát tự nhiên không có thiết bị bổ sung để truyền nhiệt.

● Làm mát không khí

Làm mát bằng không khí sử dụng không khí làm môi trường truyền nhiệt. Được chia thành làm mát không khí thụ động và làm mát không khí chủ động, làm mát không khí thụ động đề cập đến việc sử dụng trực tiếp làm mát truyền nhiệt không khí bên ngoài. Làm mát không khí chủ động có thể được coi là làm nóng hoặc làm mát không khí bên ngoài nhằm làm tiêu tan hoặc làm ấm pin.

● Làm mát bằng chất lỏng

Làm mát bằng chất lỏng sử dụng chất chống đông (chẳng hạn như ethylene glycol) làm môi trường truyền nhiệt. Trong sơ đồ, nhìn chung có nhiều mạch trao đổi nhiệt khác nhau, chẳng hạn như VOLT với mạch tản nhiệt, mạch điều hòa không khí, mạch PTC, hệ thống quản lý pin theo chiến lược quản lý nhiệt để điều chỉnh phản ứng và chuyển mạch. TESLA Model S có một mạch nối tiếp với bộ làm mát động cơ. Khi pin cần được làm nóng ở nhiệt độ thấp, mạch làm mát động cơ nối tiếp với mạch làm mát pin và động cơ có thể làm nóng pin. Khi nguồn điện ắc quy ở nhiệt độ cao, mạch làm mát động cơ và mạch làm mát ắc quy sẽ được điều chỉnh song song, hai hệ thống làm mát sẽ tản nhiệt độc lập.

● Làm mát trực tiếp

Làm mát trực tiếp bằng cách sử dụng chất làm lạnh (vật liệu thay đổi pha) làm môi trường truyền nhiệt, chất làm lạnh có thể hấp thụ rất nhiều nhiệt trong quá trình thay đổi pha lỏng, so với hiệu suất truyền nhiệt của chất làm lạnh có thể tăng hơn ba lần, lấy đi nhanh hơn nhiệt bên trong hệ thống pin. Làm mát trực tiếp đã được sử dụng trong BMW i3.
Các giải pháp quản lý nhiệt hệ thống pin cần xem xét tính nhất quán của tất cả nhiệt độ pin bên cạnh hiệu quả làm mát. GÓI có hàng trăm hoặc hàng nghìn ô và cảm biến nhiệt độ không thể phát hiện từng ô. Ví dụ, có hàng trăm pin trong một mô-đun của Tesla Model S và chỉ bố trí hai điểm phát hiện nhiệt độ. Do đó, pin cần phải ổn định nhất có thể thông qua thiết kế quản lý nhiệt. Và tính nhất quán về nhiệt độ tốt hơn là tiền đề của nguồn pin, tuổi thọ, SOC và các thông số hiệu suất khác nhất quán.

Hiện nay, phương pháp làm mát chủ đạo trên thị trường đã thay đổi sang sự kết hợp giữa làm mát bằng chất lỏng và làm mát vật liệu thay đổi pha. Làm mát vật liệu thay đổi pha có thể được sử dụng kết hợp với làm mát bằng chất lỏng hoặc một mình trong điều kiện môi trường ít khắc nghiệt hơn. Ngoài ra, có một quy trình vẫn được sử dụng rộng rãi hơn ở Trung Quốc là quy trình dán keo dẫn nhiệt được áp dụng ở mặt dưới của mô-đun pin. Độ dẫn nhiệt của keo nhiệt cao hơn nhiều so với không khí. Nhiệt lượng tỏa ra từ tế bào pin được chất kết dính dẫn nhiệt truyền đến vỏ mô-đun, sau đó tiếp tục tiêu tán ra môi trường.

Bản tóm tắt:

Trong tương lai, các nhà máy sản xuất pin và OEM lớn sẽ cạnh tranh khốc liệt trong việc thiết kế và sản xuất các mô-đun nhằm cải thiện hiệu suất và giảm chi phí. Hiệu suất cần đáp ứng các yêu cầu về độ bền cơ học, hiệu suất điện, hiệu suất tản nhiệt và ba khía cạnh khác để nâng cao hơn nữa khả năng cạnh tranh cốt lõi của sản phẩm. Về mặt chi phí, nghiên cứu chuyên sâu về tiêu chuẩn hóa tế bào thông minh được thực hiện để đặt nền tảng cho việc mở rộng hơn nữa năng lực sản xuất và có thể đạt được tính linh hoạt của phương tiện thông qua sự kết hợp của các loại tế bào được tiêu chuẩn hóa khác nhau và cuối cùng là giảm đáng kể trong chi phí sản xuất.