Discussion sur le projet global de conception de la batterie

一、Caractéristiques de conception globale du module

Le module de batterie peut être compris comme un produit intermédiaire entre la cellule de batterie et le bloc de batterie formé par la combinaison de la cellule de batterie lithium-ion en série et en parallèle, et le dispositif de surveillance et de gestion de tension et de température de la batterie unique. Sa structure doit supporter, fixer et protéger la cellule, et les exigences de conception doivent répondre aux exigences de résistance mécanique, de performances électriques, de performances de dissipation thermique et de capacité de gestion des défauts.S'il peut fixer complètement la position de la cellule et la protéger contre les déformations qui nuisent aux performances, comment répondre aux exigences de performance de transport de courant, comment répondre au contrôle de la température de la cellule, s'il faut éteindre en cas d'anomalies graves, s'il faut éviter l'emballement thermique, etc., seront les critères pour juger des mérites du module de batterie.
 

Figure 1 : Batterie carrée à coque rigide

 

Figure 2 : Batterie carrée souple

Figure 3 : Batterie cylindrique

二、Exigences de performances électriques

● Exigences de cohérence des groupes de cellules :

En raison des limitations du processus de production, il est impossible d’obtenir une cohérence complète des paramètres de chaque cellule. Dans le processus d'utilisation en série, la cellule avec une grande résistance interne est d'abord déchargée, et d'abord complètement chargée, utilisation à long terme, la différence de capacité et de tension de chaque cellule en série devient de plus en plus évidente. Huit exigences de cohérence doivent être prises en compte lors de la sélection des cellules des modules.
1. Capacité constante
2. Tension constante
3. Rapport de courant constant et cohérent
4. Puissance constante
5. Résistance interne constante
6. Taux d'auto-décharge constant
7. Lot de production cohérent
8. Plate-forme de déchargement cohérente

● Exigences de conception basse tension :

Le module est composé d'un certain nombre de cellules de batterie en série et en parallèle, dont deux parties de lignes basse tension et haute tension. La ligne basse tension assume la tâche de collecter le signal de tension et de température de la cellule individuelle et est équipée du circuit d'équilibrage correspondant. Certains fabricants conçoivent une carte PCB avec des fusibles pour protéger la batterie unique un par un, et la combinaison d'une carte PCB et d'une protection par fusible est également utilisée, une fois un certain point de défaillance, le fusible fonctionne, la batterie défectueuse est déconnectée, d'autres batteries Fonctionne normalement et la sécurité est élevée.

Figure 4 : Diagramme de la structure du module à coque rigide carrée

● Exigences de conception haute tension :

Lorsque le nombre de cellules atteint un certain degré et dépasse la tension de sécurité de 60 V, le circuit haute tension est formé. La connexion haute tension doit répondre à deux exigences : premièrement, la répartition des conducteurs et la résistance de contact entre les cellules doivent être uniformes, sinon la détection de tension de la cellule individuelle sera perturbée. Deuxièmement, la résistance doit être suffisamment petite pour éviter le gaspillage d’énergie électrique sur le chemin de transmission. L'isolation électrique entre les lignes haute et basse tension doit également être prise en compte pour garantir la sécurité des hautes tensions.

三、Exigences de conception pour les structures mécaniques

La structure mécanique du module doit répondre aux exigences de conception des normes nationales, anti-vibration et anti-fatigue. Il n'y a pas de soudure virtuelle entre le soudage du noyau de la batterie et le cas de sur-soudure, l'étanchéité du bloc de batterie est bonne. Il est entendu que l'efficacité de la composition des modules et des batteries dans l'industrie est la suivante

	Efficacité du groupe	Efficacité de la batterie
Cellule cylindrique	87%	65%
Cellule carrée	89%	68%
Cellule douce	85%	65%

Statistiques d'efficacité de différents groupes de batteries et packs de batteries
L'amélioration de l'utilisation de l'espace est un moyen important d'optimiser le module, les entreprises Power Battery PACK peuvent améliorer la conception du module et du système de gestion thermique, réduire l'espacement des cellules, de manière à améliorer l'utilisation de l'espace à l'intérieur du boîtier de batterie. Une autre solution consiste à utiliser de nouveaux matériaux. Par exemple, le bus du système de batterie de puissance (le bus du circuit parallèle, généralement constitué de plaques de cuivre) est remplacé par du cuivre par de l'aluminium, et les fixations des modules sont remplacées par des matériaux en tôle d'acier et d'aluminium à haute résistance, qui peut également réduire le poids de la batterie d'alimentation.

四、 Conception thermique du module

À l'heure actuelle, la gestion thermique des systèmes de batteries de puissance peut être principalement divisée en quatre catégories : refroidissement naturel, refroidissement par air, refroidissement liquide et refroidissement direct. Parmi eux, le refroidissement naturel est une méthode de gestion thermique passive, tandis que le refroidissement par air, le refroidissement par liquide et le refroidissement direct sont actifs, et la principale différence entre les trois est la différence dans le fluide caloporteur.

● Refroidissement naturel

Refroidissement naturel : il n'y a pas de dispositif supplémentaire pour le transfert de chaleur.

● Refroidissement par air

Le refroidissement par air utilise l’air comme fluide caloporteur. Divisé en refroidissement par air passif et refroidissement par air actif, le refroidissement par air passif fait référence à l'utilisation directe du refroidissement par transfert de chaleur par air externe. Le refroidissement actif par air peut être envisagé pour chauffer ou refroidir l’air extérieur afin de dissiper ou réchauffer la batterie.

● Refroidissement liquide

Le refroidissement liquide utilise de l'antigel (tel que l'éthylène glycol) comme fluide caloporteur. Dans le schéma, il existe généralement de nombreux circuits d'échange thermique différents, tels que VOLT avec circuit de radiateur, circuit de climatisation, circuit PTC, système de gestion de batterie selon la stratégie de gestion thermique pour l'ajustement et la commutation de la réponse. La TESLA Model S dispose d'un circuit en série avec le refroidissement du moteur. Lorsque la batterie doit être chauffée à basse température, le circuit de refroidissement du moteur est en série avec le circuit de refroidissement de la batterie et le moteur peut chauffer la batterie. Lorsque la batterie de puissance est à haute température, le circuit de refroidissement du moteur et le circuit de refroidissement de la batterie seront ajustés en parallèle, et les deux systèmes de refroidissement dissiperont la chaleur indépendamment.

● Refroidissement direct

Refroidissement direct utilisant un réfrigérant (matériau à changement de phase) comme fluide caloporteur, le réfrigérant peut absorber beaucoup de chaleur au cours du processus de changement de phase liquide, par rapport à l'efficacité du transfert de chaleur du réfrigérant peut être augmentée de plus de trois fois, plus rapidement éliminée la chaleur à l’intérieur du système de batterie. Le refroidissement direct a été utilisé dans la BMW i3.
Les solutions de gestion thermique des systèmes de batterie doivent prendre en compte la cohérence de toutes les températures de la batterie en plus de l'efficacité du refroidissement. Le PACK contient des centaines ou des milliers de cellules et le capteur de température ne peut pas détecter chaque cellule. Par exemple, il y a des centaines de batteries dans un module de Tesla Model S, et seuls deux points de détection de température sont disposés. Par conséquent, la batterie doit être aussi cohérente que possible grâce à une conception de gestion thermique. Et une meilleure cohérence de la température est la condition préalable à une puissance, une durée de vie, un SOC et d’autres paramètres de performance constants de la batterie.

À l'heure actuelle, la méthode de refroidissement dominante sur le marché a évolué vers une combinaison de refroidissement par liquide et de refroidissement par matériau à changement de phase. Le refroidissement par matériau à changement de phase peut être utilisé conjointement avec le refroidissement par liquide, ou seul dans des conditions environnementales moins difficiles. De plus, il existe un procédé encore plus largement utilisé en Chine, et le procédé d'adhésif à conductivité thermique est appliqué au bas du module de batterie. La conductivité thermique de la colle thermique est bien supérieure à celle de l'air. La chaleur émise par la cellule de la batterie est transférée par l'adhésif thermoconducteur au boîtier du module, puis dissipée dans l'environnement.

Résumé:

À l’avenir, les principaux constructeurs OEM et usines de batteries se livreront une concurrence féroce dans la conception et la production de modules axés sur l’amélioration des performances et la réduction des coûts. Les performances doivent répondre aux exigences de résistance mécanique, de performances électriques, de performances de dissipation thermique et de trois autres aspects afin d'améliorer encore la compétitivité de base du produit. En termes de coût, des recherches approfondies sur la standardisation des cellules intelligentes sont menées pour jeter les bases d'une nouvelle expansion de la capacité de production, et la flexibilité des véhicules peut être obtenue grâce à la combinaison de différents types de cellules standardisées, et finalement une réduction significative dans les coûts de production.