电池PACK设计概论

1、2021-5-4 加燃 料 油罐或 储气罐 燃料使用 内燃机系统机械传动系 统 车轮 动力驱动力 充电 动力电 池系统 放电/回 馈 电驱动系统机械传动系 统 车轮 动力驱动力 图1 传统汽车的能源转换为驱动力示意图 图2 电动汽车的电能转换为驱动力示意图 电动汽车与传统汽车的区别：电动汽车与传统汽车的区别： 2021-5-4 电动汽车PACK设计概论 单体动力电池单体动力电池：构成动力电池模块的最小单元。一般由正极、负极、电解质、隔膜、外壳及端子（极 端）等组合而成，可实现电能与化学能之间的直接转换。 电池模组电池模组/ /电池模块电池模块：单体电池通过串联和并联在物理结构和电路上连接起来构

2、成动力电池包或最小 分组，可作为一个单元替换。 电池电池包（包（PACKPACK）：能量存储装置，包括单体或模块，通常还包括电池电子部件、高压电路、过流保护 装置、电池箱以及其他外部系统（如冷却、高压、辅助低压和通讯等）的接口。 电池管理系统（电池管理系统（BMSBMS）：为了能够提高电池的利用率，防止电池出现过充电和过放电，延长电池的使 用寿命，监控电池的状态。其主要功能包括：电池物理参数实时监测；电池状态估计；在线诊断与预 警；充、放电与预充控制；均衡管理和热管理等。 动力电池的组成：动力电池的组成： 2021-5-4 电动汽车PACK设计概论 从单体到系统从单体到系统单体电池：单体电池：

3、 圆柱形锂电池生产 工艺成熟，PACK成 本较低，电池产品 良率以及电池组的 一致性较高;由于 电池组散热面积大， 其散热性能优于方 型电池 铝壳包装而成的电 池，采用激光封口 工艺，全密封，铝 壳技术已非常成熟， 且对材料技术，如 气胀率、膨胀率等 指标，要求不高。 软包即软包锂电池，是在液 态锂离子电池套上一层聚合 物外壳的电池，采用铝塑复 合膜包装，软包锂电池的机 械强度不高，在出现安全事 故如内短路等情况下，电池 容易鼓起排气，降低了爆炸 风险。 2021-5-4 电动汽车PACK设计概论 从单体到系统从单体到系统电池模组：电池模组： 方形电池模组 软包电池模组圆柱电池模组 2021-

4、5-4 电动汽车PACK设计概论 从单体到系统从单体到系统动力电池包：动力电池包： 2021-5-4 电动汽车PACK设计概论 1.如果我们手头只有容量50Ah的电芯，想要 设计成容量为100Ah的电池模组，怎么办？ 2.一个由容量50Ah电芯组成2P12S的电池模组， 如何计算它的电量有多少？ 容量：容量：电池性能的重要性能指标之一是电池容量，它表示在一定条件下(放电率、温度、终止电压等) 电池放出的电量(可用JS-150D做放电测试)，即电池的容量，通常以安培小时为单位（简称安时， 以Ah表示） 电量：电量：表示物体所带电荷的多少。一般来说，电荷的数量叫电量。通常以瓦特小时为单位（简称瓦时

5、， 以Wh表示） 电量计算公式：电量=容量x电压 2021-5-4 电动汽车PACK设计概论 电池的电池的串联串联 1 1、电池电池串联串联的方法的方法 将一个电池的负极与一个另一个电池的正极相接， 这个电池的负极再与一个电池的正极相接；第一个 电池的正极就是这个电池组的正极，最后一个电池 的负极就是这个电池组的负极。 2 2、串联电池组的图形符号、串联电池组的图形符号 3 3、串联电池组的总电动势、串联电池组的总电动势 EEEEn E 321 （E1、E2、E3、En为各个电池的电动势） E=nE1（各个电池电势差相同） 4 4、串联电池组的内阻、串联电池组的内阻 如果每个电池的内阻相同则

6、RRRRRn 3210 nRR10 5 5、串联电池组所供给的电流、串联电池组所供给的电流 RRRR EEEE n n R I 321 321 串联电池组与负载电阻R构成闭合回路时 2021-5-4 电动汽车PACK设计概论 电池的并联电池的并联 1 1、电池并联、电池并联的方法的方法 把所有电池的正极连接在一起，成为电池组的正 极；把所有电池的负极连接在一起，成为电池组 的负极。 2 2、图形符号、图形符号 3 3、并联电池组的总电动势、并联电池组的总电动势 4 4、并联电池组的电流、并联电池组的电流 I1、I2、I3、In分别为各个电池的额定电流 5 5、并联电池组的总内阻、并联电池组的总

7、内阻 R01为单个电池的内阻，n为并联电池的个数 EEEEn 321 IIIIn I 321 n R R 01 0 2021-5-4 电动汽车PACK设计概论 图例图例优点优点缺点缺点应用范围应用范围 先 并 后 串 并联电芯当做一个 电芯，监控构架简 单，BMS管理通道 少，成本低。 1.若电芯较大，直 接并联工艺可能导 致电芯间不均流； 2.若电芯较大，并 联点很多，并联电 流大，过流能力不 易提高。 适用于功率要求低 的慢充系统 先 串 后 并 只在两端并联，系 统过流能力强，两 支路间电池均流好。 每个支路电芯需独 立监控，BMS管理 通道多，成本高 适用于有快充需求 或功率要求高的系

8、 统 混 联 电芯容量较小而系 统容量需求较大的 系统 2021-5-4 电动汽车PACK设计概论 电池模组典型设计案例电池模组典型设计案例- -方形模组方形模组 铝侧板1.5mm 或1.2mm 铝端板 131*20*186. 5 端板绝缘 片 侧板绝缘 片 模组盖板 铝片1.5mm厚 分解图 线束隔离板 此处焊接（4处） 此处焊接（N处） 2021-5-4 电动汽车PACK设计概论 电池模组典型设计案例电池模组典型设计案例- -软包模组软包模组 2021-5-4 电动汽车PACK设计概论 电池模组典型设计案例电池模组典型设计案例- -圆柱模组圆柱模组 镍片 电池支架 塑料柱 电池支架 镍片

9、PC片 2021-5-4 电动汽车PACK设计概论 电池包典型设计案例电池包典型设计案例 2021-5-4 电动汽车PACK设计概论 结构结构电气系统电气系统的的设计设计： （1）一般要求 1、具有维护的方便性。 2、在车辆发生碰撞或电池发生自燃等意外情况下，宜考虑防止烟火、液体、气体等进入车厢的结 构或防护措施。 3、电池箱应留有铭牌与安全标志布置位置，给保险、动力线、采集线、各种传感元件的安装留有 足够的空间和固定基础。 4、所有无级基本绝缘的连接件、端子、电触头应采取加强防护。在连接件、端子、电触头接合后 应符合GB 4208-2008防护等级为3的要求。 （2）外观与尺寸 1、外表面无

10、明显的划伤、变形等缺陷，表面涂镀层应均匀。 2、零部件紧固可靠，无锈蚀、毛刺、裂纹等缺陷和损伤。 （3）机械强度 1、耐振动强度和耐冲击强度，在试验后不应有机械损坏、变形和紧固部位的松动现象，锁止装置 不应受到损坏。 GB/T 31467.3-2015 2、采取锁止装置固定的蓄电池箱，锁止装置应可靠，具有防误操作措施。 （4）安全要求 1、在试验后，电池箱防护等级不低于IP67。 2、人员触电防护应符合相关要求。 2021-5-4 电动汽车PACK设计概论 电池电池PACKPACK常用结构件：常用结构件： 1.1.塑料件塑料件 常用材料有PP、PC、ABS、PC+ABS、PET、PBT、PA6

11、6、PA6、PVC等 用途：电气绝缘、结构强度件 案例：tesla 2021-5-4 电动汽车PACK设计概论 电池电池PACKPACK常用结构件：常用结构件： 2.2.钣金件钣金件 常用钢板或者铝板，钢板如DC01（SPCC），DC04，B340/590DP等 铝板1060-O，5083等 用途：固定安装支架，箱体等 案例： 依维柯A42电池箱BMU固定支架 2021-5-4 电动汽车PACK设计概论 电池电池PACKPACK常用结构件：常用结构件： 3.3.压铸件或铝型材压铸件或铝型材 常用铝合金6061,6063,5052等 用途：结构强度件，箱体等 案例： 2021-5-4 电动汽车P

12、ACK设计概论 电气电气安全设计：安全设计： 1.绝缘设计 （1）电芯绝缘设计 利用隔膜较好的力学性能和绝缘特征保护正负极之间的绝缘； 在正负极集流体叠片或者卷绕完成后，通常在卷绕2-3层隔膜以保证电池芯与外壳的绝缘； （2）模组绝缘设计 电芯与电芯之间的绝缘：多采用PET薄膜 电芯与模组外壳之间的绝缘：采用薄膜 电芯与采样线之间的绝缘：塑胶件 （3）电池系统总成绝缘设计 2.屏蔽防护 电磁波是电磁能量传播的主要方式，高频电路工作时，会向外辐射电磁波，对邻近的其它设备产 生干扰。另一方面，空间的各种电磁波也会感应到电路中，对电路造成干扰。电磁屏蔽的作用是切断电 磁波的传播途径，从而消除干扰。在

13、解决电磁干扰问题的诸多手段中，电磁屏蔽是最基本和有效的。 3.等电位连接 （1）等电位连接的作用 a）人体触电防护 b）静电防护 c）电磁干扰防护 2021-5-4 电动汽车PACK设计概论 电气电气安全设计：安全设计： 4.4.电气隔离电气隔离 （1）电气间隙 定义：在两个导电零部件之间或导电零部件 与设备防护界面之间测得的最短空间距离。即在 保证电气性能稳定和安全的情况下，通过空气能 实现绝缘的最短距离。 （2）爬电距离 定义：在两个导电部分之间沿绝缘材料表面 的最短距离。 2021-5-4 电动汽车PACK设计概论 （2）爬电距离 定义：在两个导电部分之间沿绝缘材料表面 的最短距离。 电

14、气电气安全设计：安全设计： 5.5.常用电气件常用电气件 高压连接器：电池包正负极 输出 有些带屏蔽、高压互锁功能 低压连接器：1、信号：电池 与电池间、电池与整车通讯 2、小电流连接器：加热 维护开关：电池包内部断 开，方便维修人员操作时 断电 继电器： 低压控制高压电路通 断 熔断器：过流保 护 2021-5-4 电动汽车PACK设计概论 电气电气安全设计：安全设计： 6.6.柔性母排柔性母排 铜箔软连接的制造工艺为压焊或者钎焊。 压焊：压焊： 压焊是将铜箔叠片部分压在一起，采用分子扩散焊，通过大电流加热压焊成型。 铜箔厚度：0.05mm至0.3mm。 接触面可按用户要求镀锡或镀银。 钎焊

15、：钎焊： 钎焊是将铜箔叠片部分压在一起，采用银基钎焊料，与扁铜块对焊成型。 铜箔厚度：0.05mm至0.3mm。 接触面可按用户要求镀锡或镀银 柔性母排又称叠片式绝缘软母排，俗称软铜片或者软铝排 柔性母排，是由多层防电晕的扁平薄铜片导体叠加，外层采用挤塑方式包覆绝缘层制作而成。 特点： 1）易加工成型 2）高载流量：交流适用 3）安装方便 2021-5-4 电动汽车PACK设计概论 导线实际载流： I=Inf1f2f3f4 In：导线额定载流 f1:环境温度升高对载流的影响 f2:导体温度升高对载流的影响 f3:多心线对载流的影响 f4:频率增加对载流的影响 来自 来自 集肤效应 当任意大导体

16、对磁场交变时，这种导体就会感应电流，产生涡流 现象。 f1 f2 f3 f4 束缚 数 1 23456-78- 10 11-12 折算1 0. 8 0. 7 0. 6 0.5 5 0.50.4 5 0.4 集肤效应 多芯线 7.7.载流量影响因素载流量影响因素 2021-5-4 电动汽车PACK设计概论 汇流排实际载流 注：表中分数的分子表示交流负荷，分母表示直流负荷。 影响汇流排载流的因数： F1: 集肤效应； F2, 母线平放安装时，载流应该小于竖直安装； F3,汇流排表面有无绝缘层。 集肤效应集肤效应 安装方向安装方向 表面包裹表面包裹 厚度厚度 宽度宽度 7.7.载流量影响因素载流量影

17、响因素 2021-5-4 电动汽车PACK设计概论 电池管理系统设计：电池管理系统设计： 电池管理系统（Battery Management System，BMS）的主要任务是保证电池系统的设计 性能： 1）安全性，保护电池单体或电池组免受损坏，防止出现安全事故； 2）耐久性，使电池工作在可靠的安全区域内，延长电池的使用寿命； 3）动力性，维持电池工作在满足车辆要求的状态下。 具体来看，包括数据采集、状态监测、均衡控制、热管理、安全保护、信息管理等 功能。 2021-5-4 电动汽车PACK设计概论 电池管理系统设计：电池管理系统设计： BMS数据采集：主要采集电池单体的电压和温度 2021-

18、5-4 热管理系统设计：热管理系统设计： （1）电池温度的准确测量和监控； （2）电池组温度过高时的有效散热和通风； （3）低温条件下的快速加热,使电池组能够正常工作； （4）有害气体产生时的有效通风； （5）保证电池组温度场的均匀分布。 电池热管理系统主要功能: 2021-5-4 1）没有热管理系统，也就是不刻意让电池散热，采用自然降温的方式，比如Leaf电动车。 2）采用风冷：主要有通过电池包内循环降温散热和通过外部风扇通风降温，其中前者占绝大部分，后 者比较少。 3）水冷或者别的液体介质降温 由水泵、散热器、冷却风扇、节温器、补偿 水桶、发动机机体和气缸盖中的水套以及其 他附属装置等组成。 2.风冷系统：通过温度监测点的温度实时调节风扇 的转速 1.水冷系统：通过水泵将吸收热量后的液体抽到外 部散热后再导回到内部 电池热电池热管理方式：管理方式： 2021-5-4 电池热电池热管理方式：管理方式： 2021-5-4 电动汽车PACK设计概论 防水设计：防水设计： 2021-5-4 电动汽车PACK设计概论 防水设计：防水设计： 2021-5-4 电动汽车PACK设计概论 防水设计：防水设计： O型密封圈密封垫片涂胶密封 2021-5-4 电动汽车PACK设计概论 谢谢！ 2021-5-4 电池模组典型设计案例电池模组典型设计案例- -软包模组软包模组