电池总体设计方案探讨

一、模块总体设计特点

电池模组可以理解为由锂离子电芯串联、并联组合而成的电芯和电池组之间的中间产品，以及单体电池的电压、温度监测管理装置。其结构必须支撑、固定和保护电芯，设计要求需满足机械强度、电气性能、散热性能和故障处理能力的要求。能否充分固定电芯位置并保护电芯不变形而损害性能，如何满足载流性能要求，如何满足电芯温度的控制，遇到严重异常时是否断电，是否避免热失控传播等，将成为判断电池模组优劣的标准。
 

图1：方形硬壳动力电池组

 

图2：方形软包动力电池组

图3：圆柱形电池组

二、电气性能要求

● 小区组一致性要求：

由于生产工艺的限制，不可能做到每块电池的参数完全一致。在串联使用过程中，内阻大的电池先放电，再充满，长期使用，各串联电池的容量和电压差异越来越明显。在为模块选择电池时需要考虑八项一致性要求。
1.容量一致
2.电压一致
3.一致的恒流比
4.动力稳定
5.内阻一致
6.自放电率一致
7.生产批次一致
8、一致的卸料平台

● 低电压设计要求：

该模块由一定数量的电芯串联和并联而成，包括低压线和高压线两部分。低压线担负着采集单体电池电压和温度信号的任务，并配备相应的平衡电路。有的厂家会设计一块带有保险丝的PCB板来对单体电池进行一一保护，也有采用PCB板与保险丝组合保护的方式，一旦某一点出现故障，保险丝起作用，将故障电池断开，其他电池工作正常，安全性高。

图4：方形硬壳模块结构图

● 高压设计要求：

当电池数量达到一定程度并超过安全电压60V时，形成高压电路。高压连接需要满足两个要求：首先，电芯之间的导体分布和接触电阻要均匀，否则会干扰单体电芯的电压检测。其次，电阻要足够小，以避免电能在传输路径上的浪费。还应考虑高低压线路之间的电气隔离，以确保高压安全。

三、机械结构设计要求

模块的机械结构需要满足国标设计要求，抗振动、抗疲劳。电芯焊接处不存在虚焊、过焊情况，电池组密封性良好。据了解，行业内模组与电池组的组成效率如下

	集团效率	电池组效率
圆柱形电池	87%	65%
方形电池	89%	68%
软电池	85%	65%

不同电池组和电池组的效率统计
提高空间利用率是优化模组的重要途径，动力电池PACK企业可以改进模组和热管理系统设计，缩小电芯间距，从而提高电池箱内部空间的利用率。另一个解决方案是使用新材料。例如，动力电池系统中的母线（并联电路中的母线，一般由铜板制成）用铝替代铜，模块紧固件由高强度钢和铝的钣金材料替代，这使得还可以减轻动力电池的重量。

四、模块热设计

目前，动力电池系统的热管理主要可分为自然冷却、风冷、液冷、直冷四大类。其中，自然冷却是被动的热管理方式，而风冷、液冷、直冷是主动的热管理方式，三者的主要区别在于传热介质的不同。

● 自然冷却

自然冷却，无需额外的传热装置。

● 风冷

风冷采用空气作为传热介质。分为被动风冷和主动风冷，被动风冷是指直接利用外部空气传热冷却。可以考虑主动空气冷却来加热或冷却外部空气，以便对电池进行散热或加热。

● 液冷

液冷采用防冻剂（如乙二醇）作为传热介质。方案中一般有多种不同的热交换电路，如VOLT带散热器电路、空调电路、PTC电路、电池管理系统根据热管理策略进行响应调整和切换。 TESLA Model S 有一个与电机冷却串联的电路。当电池需要低温加热时，电机冷却回路与电池冷却回路串联，电机可以对电池进行加热。当动力电池处于高温时，电机冷却回路和电池冷却回路将并联调节，两个冷却系统独立散热。

● 直冷式

直冷采用制冷剂（相变材料）作为传热介质，制冷剂在液相变过程中能吸收大量的热量，与制冷剂相比传热效率可提高三倍以上，更快速地带走电池系统内部的热量。 BMW i3 采用了直接冷却。
电池系统热管理解决方案除了考虑冷却效率外，还需要考虑所有电池温度的一致性。 PACK有成百上千个电芯，温度传感器无法检测到每一个电芯。例如，特斯拉Model S的一个模块中有数百个电池，但只布置了两个温度检测点。因此，电池需要通过热管理设计尽可能保持一致。而更好的温度一致性是电池电量、寿命、SOC等性能参数一致的前提。

目前，市场上主流的冷却方式已经转变为液体冷却和相变材料冷却相结合。相变材料冷却可以与液体冷却结合使用，也可以在不太恶劣的环境条件下单独使用。另外，还有一种工艺在国内应用还比较广泛，就是将导热胶工艺应用在电池模组的底部。导热胶的导热系数远高于空气的导热系数。电池芯发出的热量通过导热胶传递到模块外壳，然后进一步散发到环境中。

概括：

未来，各大整车厂和电池厂将围绕性能提升和成本降低，在模组的设计和生产上展开激烈的竞争。性能需要满足机械强度、电气性能、散热性能等三个方面的要求，以进一步增强产品的核心竞争力。成本方面，对智能电池标准化进行深入研究，为进一步扩大产能奠定基础，并可通过不同种类标准化电池的组合实现车辆柔性化，最终大幅降低成本。在生产成本方面。