Многие люди просто отождествляют литий-ионные аккумуляторные батареи с “сборкой батарей”. Однако на самом деле это высокоинтегрированный процесс системной инженерии, объединяющий электрохимию, механическое проектирование, электронику и теплоотвод. Каждый этап имеет решающее значение для производительности, безопасности и срока службы аккумуляторной системы.
1. Выбор клеток: “Основа” процесса упаковки, последовательность имеет решающее значение.
Создание надежной аккумуляторной системы начинается с выбора элементов. Ключевые требования включают проверку стабильности характеристик и выбор по требованию. Напряжение, внутреннее сопротивление и емкость — три основных параметра элемента, и для обеспечения идеального соответствия параметров каждого элемента требуется тщательная проверка. Если емкость элемента на 10% ниже, чем у других, он будет заряжаться и разряжаться первым в течение длительных циклов зарядки-разрядки, ускоряя старение и потенциально вызывая неравномерную зарядку и разрядку всего аккумуляторного блока, что может представлять опасность.
2. Проектирование конструкций: баланс между безопасностью и практичностью в пространстве.
Аккумуляторные батареи должны адаптироваться к конечному продукту и выдерживать суровые условия эксплуатации. Конструкция требует поиска оптимального баланса между пространством, весом и прочностью. Например, аккумуляторные батареи для электромобилей должны быть спроектированы таким образом, чтобы точно соответствовать пространственной компоновке автомобиля, а также обладать высокопрочной конструкцией, способной выдерживать вибрации, удары и даже столкновения во время движения, защищая элементы батареи от разрушения. При проектировании аккумуляторных батарей также необходимо учитывать габариты корпуса и обеспечивать стабильность при штабелировании. Для снижения энергопотребления, особенно в автомобильной промышленности, в аккумуляторных батареях используются легкие материалы, такие как алюминиевый сплав и углеродное волокно. Однако снижение веса не означает экономию на материалах. Инженеры используют топологическую оптимизацию для усиления конструкции в ключевых точках напряжения, уменьшая вес и одновременно повышая жесткость, защищая элементы батареи от повреждений, вызванных вибрацией и ударами.
3. Электрическое соединение: точный путь для тока и сигналов. Даже одна ошибка имеет решающее значение. После сборки элементов батареи надежные электрические соединения имеют решающее значение для питания аккумуляторного блока и представляют собой зону высокого риска для безопасности. Форма шины оптимизирована для дальнейшего снижения тепловыделения. Высоковольтный жгут проводов в аккумуляторном блоке, отвечающий за передачу высоких токов, должен быть утолщен и расположен вдали от источников тепла. Низковольтные сигнальные линии, отвечающие за передачу данных, должны быть проложены вдали от высоковольтного жгута, чтобы предотвратить электромагнитные помехи, вызывающие ошибочные данные и неправильную интерпретацию со стороны системы управления батареей (BMS). Все соединения изолированы для предотвращения утечки тока и пробоя. Весь аккумуляторный блок также должен соответствовать классам защиты IP для обеспечения безопасности в дождливую, затопленную и другие среды.
4. Терморегулирование: “Термостат” батареи, температура определяет срок её службы.
Чрезмерно высокие температуры литиевых батарей ускоряют старение и могут даже привести к тепловому разгону. Чрезмерно низкие температуры приводят к резкому падению емкости и замедлению зарядки. Система терморегулирования действует как “термостат” аккумуляторного блока, поддерживая оптимальный температурный диапазон 25-40°C. Что касается отвода тепла, в аккумуляторных батареях для электромобилей часто используется жидкостное охлаждение. Встроенные в аккумуляторный блок пластины жидкостного охлаждения циркулируют охлаждающую жидкость для отвода тепла, обеспечивая более равномерный контроль температуры. Воздушное охлаждение является экономичным и простым, что делает его подходящим для таких применений, как батареи для хранения энергии, где тепловыделение относительно невелико. Зимой аккумуляторный блок активирует функцию обогрева, предварительно нагревая элементы батареи с помощью PTC-нагревательных пластин или электрических нагревательных пленок, чтобы предотвратить сокращение срока службы батареи в зимний период.
5. BMS: “Мозг” аккумуляторного блока, ядро интеллектуальных систем.
Если элемент батареи — это “сердце” аккумуляторного блока, то система управления батареей (BMS) — это “мозг”, отвечающий за мониторинг, защиту и оптимизацию работы батареи. BMS использует датчики для сбора данных в реальном времени о напряжении и температуре каждого элемента, а также о токе, протекающем через весь аккумуляторный блок. Затем она использует алгоритмы для оценки состояния заряда (SOC) и состояния здоровья (SOH), обеспечивая пользователю и системе управления транспортным средством постоянный контроль за состоянием батареи. Даже если параметры элементов изначально совпадают, со временем могут возникать отклонения. BMS использует пассивную балансировку (используя резисторы для разряда высоковольтных элементов для выравнивания напряжения) или активную балансировку (используя передачу энергии для повышения эффективности и экономии энергии) для предотвращения перезаряда и разряда отдельных элементов, тем самым продлевая срок службы всего аккумуляторного блока. BMS также имеет ряд предустановленных “красных линий безопасности”. Если какой-либо из этих параметров, таких как напряжение, температура и ток, превышен, цепь немедленно отключается, чтобы предотвратить дальнейшее повреждение. Это служит “последней линией защиты” аккумуляторного блока.”
Помимо системы управления батареями (BMS), аккумуляторные блоки должны также включать в себя множество функций безопасности с других точек зрения, таких как электрическая и механическая безопасность. Перед отправкой с завода аккумуляторные блоки должны пройти три основных испытания: проверку электрических характеристик, безопасности и адаптации к условиям окружающей среды. Это гарантирует их надлежащее функционирование в различных условиях и регионах.
