مناقشة حول مشروع التصميم العام للبطارية

一、ميزات التصميم الشامل للوحدة

يمكن فهم وحدة البطارية على أنها منتج وسيط بين خلية البطارية وحزمة البطارية المكونة من مزيج من خلية بطارية ليثيوم أيون على التوالي وبالتوازي، وجهاز مراقبة وإدارة الجهد ودرجة الحرارة للبطارية الواحدة. يجب أن يدعم هيكلها الخلية ويصلحها ويحميها، ويجب أن تلبي متطلبات التصميم متطلبات القوة الميكانيكية والأداء الكهربائي وأداء تبديد الحرارة والقدرة على معالجة الأخطاء.ما إذا كان يمكن إصلاح موضع الخلية بالكامل وحمايتها من التشوه الذي يضر بالأداء، وكيفية تلبية متطلبات أداء الحمل الحالي، وكيفية تلبية التحكم في درجة حرارة الخلية، وما إذا كان سيتم إيقاف التشغيل عند مواجهة تشوهات خطيرة، وما إذا كان سيتم إيقاف التشغيل سيكون تجنب الانتشار الحراري الجامح، وما إلى ذلك، هو المعيار للحكم على مزايا وحدة البطارية.
 

الشكل 1: حزمة بطارية الطاقة ذات القشرة الصلبة المربعة

 

الشكل 2: حزمة بطارية الطاقة الناعمة المربعة

الشكل 3: حزمة البطارية الأسطوانية

3. متطلبات الأداء الكهربائي

● متطلبات اتساق مجموعة الخلايا:

ونظرًا لمحدودية عملية الإنتاج، فمن المستحيل تحقيق الاتساق الكامل لمعلمات كل خلية. في عملية الاستخدام المتسلسل، يتم تفريغ الخلية ذات المقاومة الداخلية الكبيرة أولاً، ثم يتم شحنها بالكامل لأول مرة، واستخدامها على المدى الطويل، ويصبح الفرق في السعة والجهد لكل خلية متسلسلة أكثر وضوحًا. هناك ثمانية متطلبات للتناسق يجب أخذها في الاعتبار عند اختيار الخلايا للوحدات النمطية.
1. القدرة المتسقة
2. الجهد المستمر
3. نسبة التيار المستمر المستمر
4. قوة متسقة
5. مقاومة داخلية متسقة
6. معدل التفريغ الذاتي المتسق
7. دفعة الإنتاج متسقة
8. منصة التفريغ المتسقة

● متطلبات تصميم الجهد المنخفض:

تتكون الوحدة من عدد معين من خلايا البطارية المتسلسلة والمتوازية، بما في ذلك جزأين من خطوط الجهد المنخفض والجهد العالي. يتحمل خط الجهد المنخفض مهمة جمع إشارة الجهد ودرجة الحرارة للخلية المفردة وهو مجهز بدائرة التوازن المقابلة. ستقوم بعض الشركات المصنعة بتصميم لوحة PCB مع صمامات لحماية البطارية المفردة واحدة تلو الأخرى، كما يتم استخدام مزيج من لوحة PCB وحماية الصمامات، بمجرد نقطة معينة من الفشل، يعمل المصهر، ويتم فصل بطارية العطل، والبطاريات الأخرى العمل بشكل طبيعي، والسلامة عالية.

الشكل 4: مخطط هيكل وحدة الغلاف الصلب المربع

● متطلبات تصميم الجهد العالي:

عندما يصل عدد الخلايا إلى درجة معينة ويتجاوز الجهد الآمن 60 فولت، يتم تشكيل دائرة الجهد العالي. يحتاج اتصال الجهد العالي إلى تلبية متطلبين: أولاً، يجب أن يكون توزيع الموصلات ومقاومة الاتصال بين الخلايا موحدًا، وإلا سيتم التدخل في اكتشاف الجهد للخلية المفردة. ثانياً، يجب أن تكون المقاومة صغيرة بما يكفي لتجنب هدر الطاقة الكهربائية على مسار النقل. وينبغي أيضًا مراعاة العزل الكهربائي بين خطوط الجهد العالي والمنخفض لضمان سلامة الجهد العالي.

3- متطلبات التصميم للهياكل الميكانيكية

يحتاج الهيكل الميكانيكي للوحدة إلى تلبية متطلبات التصميم القياسية الوطنية، ومكافحة الاهتزاز، ومكافحة التعب. لا يوجد لحام افتراضي بين لحام قلب البطارية، وفي حالة اللحام الزائد، فإن ختم حزمة البطارية جيد. من المفهوم أن كفاءة تكوين الوحدات وحزم البطاريات في الصناعة هي كما يلي

	كفاءة المجموعة	كفاءة حزمة البطارية
خلية أسطوانية	87%	65%
خلية مربعة	89%	68%
خلية ناعمة	85%	65%

إحصائيات الكفاءة لمجموعات البطاريات المختلفة وحزم البطاريات
يعد تحسين استخدام المساحة طريقة مهمة لتحسين الوحدة، حيث يمكن لشركات PACK لبطاريات الطاقة تحسين تصميم الوحدة ونظام الإدارة الحرارية، وتقليل تباعد الخلايا، وذلك لتحسين استخدام المساحة داخل صندوق البطارية. الحل الآخر هو استخدام مواد جديدة. على سبيل المثال، يتم استبدال الناقل في نظام بطارية الطاقة (الحافلة في الدائرة المتوازية، المصنوعة بشكل عام من لوحة النحاس) بالنحاس بالألمنيوم، ويتم استبدال مثبتات الوحدة بمواد صفائح معدنية من الفولاذ والألومنيوم عالي القوة، والتي يمكن أيضًا تقليل وزن بطارية الطاقة.

四、تصميم الوحدة الحرارية

في الوقت الحاضر، يمكن تقسيم الإدارة الحرارية لأنظمة بطاريات الطاقة بشكل أساسي إلى أربع فئات، التبريد الطبيعي، تبريد الهواء، التبريد السائل، والتبريد المباشر. من بينها، التبريد الطبيعي هو طريقة إدارة حرارية سلبية، في حين أن تبريد الهواء، والتبريد السائل، والتبريد المباشر نشط، والفرق الرئيسي بين الثلاثة هو الفرق في وسط نقل الحرارة.

● التبريد الطبيعي

التبريد الطبيعي لا يوجد جهاز إضافي لنقل الحرارة.

● تبريد الهواء

يستخدم تبريد الهواء الهواء كوسيلة لنقل الحرارة. مقسمًا إلى تبريد الهواء السلبي وتبريد الهواء النشط، يشير تبريد الهواء السلبي إلى الاستخدام المباشر لتبريد الهواء الخارجي بنقل الحرارة. يمكن اعتبار تبريد الهواء النشط بمثابة تسخين أو تبريد الهواء الخارجي من أجل تبديد البطارية أو تسخينها.

● التبريد السائل

يستخدم التبريد السائل مادة مضادة للتجمد (مثل جلايكول الإثيلين) كوسيلة لنقل الحرارة. يوجد في المخطط بشكل عام العديد من دوائر التبادل الحراري المختلفة، مثل VOLT مع دائرة الرادياتير، ودائرة تكييف الهواء، ودائرة PTC، ونظام إدارة البطارية وفقًا لاستراتيجية الإدارة الحرارية لتعديل الاستجابة والتبديل. يحتوي طراز TESLA Model S على دائرة متسلسلة مع تبريد المحرك. عندما تحتاج البطارية إلى التسخين عند درجة حرارة منخفضة، تكون دائرة تبريد المحرك متسلسلة مع دائرة تبريد البطارية، ويمكن للمحرك تسخين البطارية. عندما تكون بطارية الطاقة في درجة حرارة عالية، سيتم ضبط دائرة تبريد المحرك ودائرة تبريد البطارية بالتوازي، وسوف يقوم نظاما التبريد بتبديد الحرارة بشكل مستقل.

● التبريد المباشر

التبريد المباشر باستخدام مادة التبريد (مادة تغيير الطور) كوسيلة لنقل الحرارة، يمكن لغاز التبريد أن يمتص الكثير من الحرارة في عملية تغيير الطور السائل، مقارنة بكفاءة نقل الحرارة لغاز التبريد يمكن زيادة أكثر من ثلاث مرات، ويزيل بسرعة أكبر الحرارة داخل نظام البطارية. تم استخدام التبريد المباشر في سيارة BMW i3.
تحتاج حلول الإدارة الحرارية لنظام البطارية إلى مراعاة اتساق جميع درجات حرارة البطارية بالإضافة إلى كفاءة التبريد. تحتوي الحزمة على مئات أو آلاف الخلايا، ولا يستطيع مستشعر درجة الحرارة اكتشاف كل خلية. على سبيل المثال، هناك مئات البطاريات في وحدة من طراز Tesla Model S، ويتم ترتيب نقطتين فقط للكشف عن درجة الحرارة. ولذلك، يجب أن تكون البطارية متسقة قدر الإمكان من خلال تصميم الإدارة الحرارية. والاتساق الأفضل لدرجة الحرارة هو أساس ثبات طاقة البطارية وعمرها وSOC ومعلمات الأداء الأخرى.

في الوقت الحاضر، تغيرت طريقة التبريد السائدة في السوق إلى مزيج من التبريد السائل وتبريد المواد المتغير الطور. يمكن استخدام تبريد المواد المتغيرة الطور جنبًا إلى جنب مع التبريد السائل، أو بمفرده في ظروف بيئية أقل قسوة. بالإضافة إلى ذلك، هناك عملية لا تزال تستخدم على نطاق واسع في الصين، ويتم تطبيق عملية لاصق التوصيل الحراري على الجزء السفلي من وحدة البطارية. الموصلية الحرارية للغراء الحراري أعلى بكثير من الهواء. يتم نقل الحرارة المنبعثة من خلية البطارية عن طريق المادة اللاصقة الموصلة للحرارة إلى غلاف الوحدة، ومن ثم تتبدد إلى البيئة.

ملخص:

في المستقبل، ستخوض مصانع تصنيع المعدات الأصلية ومصانع البطاريات الكبرى منافسة شرسة في تصميم وإنتاج الوحدات المتعلقة بتحسين الأداء وخفض التكلفة. يحتاج الأداء إلى تلبية متطلبات القوة الميكانيكية والأداء الكهربائي وأداء تبديد الحرارة والجوانب الثلاثة الأخرى لزيادة تعزيز القدرة التنافسية الأساسية للمنتج. من حيث التكلفة، يتم إجراء بحث متعمق حول توحيد الخلايا الذكية لوضع الأساس لمزيد من التوسع في الطاقة الإنتاجية، ويمكن تحقيق مرونة المركبات من خلال الجمع بين أنواع مختلفة من الخلايا الموحدة، وفي نهاية المطاف تخفيض كبير في تكاليف الإنتاج.