Серия обучающих материалов по модулю PACK ② – Проектирование и разработка аккумуляторных батарей

Почему литий-ионные аккумуляторные батареи для электромобилей громоздкие и тяжелые, а батареи для мобильных телефонов тонкие и легкие, как карточка? Почему батарейные отсеки в электростанциях с накопителями энергии могут стабильно работать в течение десяти лет, а некоторые батареи в электромобилях вздуваются и выходят из строя за короткое время? Ответ кроется не только в типе батарейных элементов, но и в сложном систематическом инженерном процессе, известном как Проектирование и разработка аккумуляторных батарей (PACK).Это определяет, может ли энергия аккумуляторных элементов безопасно, эффективно и в полной мере соответствовать потребностям конечной продукции.

Проектирование упаковки можно сравнить со сложным процессом. проект городского планированияИсточником энергии являются аккумуляторные батареи, а задача проектной группы — спланировать дороги (электрические соединения), построить системы водоотведения и отопления (тепловой менеджмент), создать центр управления дорожным движением (система управления батареями, BMS), а также возвести прочные городские стены и системы предотвращения стихийных бедствий (конструкция и безопасность). Качество этого планирования напрямую определяет эффективность эксплуатации, устойчивость к стихийным бедствиям и срок службы этого «энергетического города».

Шаг 1: Определение «генерального плана» – детальная декомпозиция спроса.

Любое проектирование начинается с точной интерпретации требований, а не с жесткого копирования таблиц параметров. Это требует глубокого взаимодействия с командой, занимающейся конечным продуктом, для уточнения ключевых вопросов:

• Каковы целевые показатели производительности? Стремятся ли они к экстремальной плотности энергии (например, электромобили высокого класса), строгому контролю затрат (например, электростанции с накопителями энергии) или жестким ограничениям по объему (например, носимые устройства)? Какова требуемая скорость быстрой зарядки? Каков ожидаемый срок службы в годах или циклах зарядки-разрядки?
• В каких условиях эксплуатации он будет работать? Выдержит ли он экстремальный холод Арктики или изнуряющую жару экватора? Будет ли он подвержен частым вибрациям от транспортных средств или останется неподвижным в компьютерном зале с постоянной температурой? Какой уровень защиты от пыли и воды необходим?
• В чём заключается главный критерий безопасности? Помимо обязательных национальных стандартов, существуют ли более строгие стандарты для предприятий? В случае теплового разгона не требуется ли распространение тепла, или допустимо контролируемое время сброса давления?
• Каковы производственные и стоимостные ограничения? Позволяет ли бюджет выполнить лазерную сварку всего алюминия? Каков уровень автоматизации производственной линии? Должна ли удобство технического обслуживания быть приоритетом на более позднем этапе?

Этот список вопросов составляет «конституцию» проекта. Затем следует решающее решение: выбор клетокПоскольку выбор материалов катода (литиевая батарея на основе нанокомпозита или литий-железо-фосфатного электрода), формы упаковки (призматическая, цилиндрическая, пакетная) и емкости отдельной ячейки является краеугольным камнем всей системы, он принципиально определяет энергетические, стоимостные и безопасные характеристики аккумуляторного блока с самого начала.

Шаг 2: Составьте «план застройки» – схему планировки.

После утверждения генерального плана инженеры приступают к разработке архитектуры верхнего уровня аккумуляторного блока:

• Последовательно-параллельная топологияСколько ячеек необходимо подключить последовательно для достижения целевого напряжения, и сколько параллельно для удовлетворения требуемой мощности? Эта структура напрямую влияет на сложность системы управления батареей (BMS) и на трудности обеспечения стабильности работы на более поздних этапах.
• Выбор маршрута интеграции: Следует ли использовать традиционную многоуровневую структуру «ячейка - модуль - аккумуляторный блок» или более совершенные решения, такие как «ячейка - блок» (CTP) или даже «ячейка - шасси» (CTC)? Последний вариант значительно улучшает использование пространства, но создает революционные проблемы для прочности конструкции, управления тепловыми процессами и ремонтопригодности.
• Основной технический маршрут системыВоздушное, жидкостное или прямое охлаждение для управления тепловым режимом? Пассивная или активная стратегия балансировки для системы управления батареей (BMS)? Все эти варианты предполагают компромисс между производительностью, стоимостью и надежностью.

Шаг 3: Совместное проектирование основных систем – Симфония междисциплинарного опыта.

Это ключевой этап проектирования, на котором команды специалистов по механике, электротехнике, теплотехнике и программному обеспечению должны работать согласованно, подобно различным партиям оркестра, играющим в гармонии.

• Проектирование конструкцииСоздание каркаса и брони. Корпус — это больше, чем просто контейнер; это основа несущей способности и безопасности. Каждая деталь, включая выбор материалов (алюминий, сталь, композитные материалы), компоновку ребер жесткости, конструкцию предохранительных клапанов и противопожарные перегородки между модулями, имеет решающее значение для безопасности при столкновении и защиты от теплового разгона. Внутренняя компоновка должна быть точной, оставляя место для жгутов проводов, охлаждающих трубопроводов и датчиков, при этом максимально используя объем.
• Электрическое проектированиеПланирование энергетической магистрали и правил дорожного движения. Разработка низкоимпедансных шин и сварочных решений, а также выбор разъемов и контакторов, способных выдерживать мгновенные высокие токи. Что еще важнее, разработка надежного набора «правил дорожного движения», включая предохранители (защита от перегрузки по току) на магистральных линиях и системы обнаружения утечек в изоляции для мониторинга в реальном времени. Резервирование конструкции и снижение номинальной мощности (например, эксплуатация устройства на 100 А при токе 70 А) являются ключевыми факторами обеспечения безопасности.
• проектирование системы терморегулированияУстановка центральной системы кондиционирования воздуха и подогрева пола. Цель состоит в том, чтобы контролировать температуру всех ячеек в оптимальном диапазоне и поддерживать крайне малую разницу температур. Инженеры-проектировщики должны проектировать каналы циркуляции охлаждающей жидкости, подобно планированию проектов водохозяйственных сооружений, чтобы исключить «слепые зоны охлаждения». В холодных регионах необходимо интегрировать системы отопления, чтобы предотвратить «замерзание» ионов лития и потерю ими подвижности при низких температурах. Инструменты моделирования здесь имеют решающее значение для прогнозирования температурных полей в различных условиях эксплуатации.
• проектирование BMSСоздание «мозга» и «нервной системы» энергетического города. Это сочетание аппаратного и программного обеспечения. В аппаратной части в качестве «нервных окончаний» используются высокоточные датчики напряжения и температуры. В программной части разрабатываются сложные алгоритмы: как точно оценить уровень заряда (SOC) по колебаниям напряжения и тока? Как определить состояние здоровья (SOH) батареи? Как идентифицировать микрокороткие замыкания и отключить цепь за миллисекунды? Отличная система управления батареей (BMS) — это незаметный, но важный хранитель безопасности и долговечности аккумуляторной системы.

Шаг 4: «Стресс-тесты» в виртуальном мире – проверка симуляции.

Перед изготовлением первого физического прототипа конструкция должна пройти тщательную виртуальную проверку на компьютере:

• Структурное моделирование: Имитируйте столкновения транспортных средств и неровности дороги, чтобы проверить наличие деформации корпуса и разрыва паяных соединений.
• Теплогидравлическое моделированиеПроверьте, быстро ли рассеивается тепло, выделяемое во время быстрой зарядки, и равномерно ли распределяется нагрев в условиях сильного холода.
• Электрическое моделированиеСмоделируйте воздействие мгновенного короткого замыкания, чтобы убедиться в способности защитных устройств срабатывать своевременно.
• Даже моделирование распространения теплового разгонаЦель: спрогнозировать траекторию распространения пламени и высокотемпературного газа после отказа одной ячейки для оптимизации конструкции противопожарных барьеров и каналов сброса давления.

Моделирование позволяет выявить большинство недостатков конструкции, избегая дорогостоящих ошибок на этапе физического прототипирования.

Шаг 5: Решающее испытание в реальном мире – прототипирование и тестирование

Когда прототип сходит с конвейера опытного производства, начинается настоящее испытание. Инженеры-испытатели моделируют все экстремальные условия, с которыми может столкнуться аккумуляторный блок на протяжении всего своего жизненного цикла:

• Тестирование производительностиПроверьте, соответствуют ли емкость, мощность и скорость быстрой зарядки стандартам.
• тестирование на злоупотребление средствами безопасностиНаиболее строгий этап, включающий в себя проникновение гвоздя, экструзию, испытания на перегрузку/переразрядку и испытания в высокотемпературной печи, призван подтвердить основные принципы безопасности конструкции.
• Тестирование экологической надежности: Подвергнуть прототип воздействию резких перепадов температуры, имитирующих все четыре времени года, в температурной камере, имитировать сотни тысяч километров ударов на вибростенде и проверить герметичность в камере с повышенной влажностью.
• Испытание на прочностьПроведите тысячи циклов заряда-разряда с использованием специализированного оборудования и постройте кривую снижения емкости.

Неудача в любом тесте означает необходимость итераций в разработке. Этот цикл «проектирование — прототипирование — тестирование — оптимизация» может повторяться многократно, пока продукт не будет соответствовать всем строгим требованиям.

Шаг 6: От лаборатории к рынку – внедрение в массовое производство.

Наличие качественного прототипа — это лишь половина дела. Суть этапа массового производства заключается в обеспечении того, чтобы тысячи изделий имели такое же качество, как и прототип.

Это требует преобразования конструкции в повторяемые, высокоэффективные и недорогие производственные процессы. Например, как реализовать автоматическую подачу элементов и высокоточную сварку? Как обеспечить постоянный объем впрыска электролита для каждого аккумуляторного блока? Как проводить быстрое онлайн-тестирование характеристик изоляции? Одновременно необходимо создать систему отслеживания качества на всех этапах процесса, от входного контроля элементов до поставки готовой продукции, обеспечивая полную прослеживаемость каждого аккумуляторного блока.

Таким образом, основная логика превосходного проектирования PACK заключается в следующем: систематический компромисс и проверка с замкнутым контуромЕдиного оптимального решения не существует, есть лишь наилучшая точка равновесия при определенных ограничениях (стоимость, пространство, производительность, безопасность).

Такие будущие тенденции, как интеграция технологии CTC и твердотельных батарей, еще больше размывают физические границы между батареями и транспортными средствами, а также между батареями и оборудованием. Это создает более сложную задачу для проектирования аккумуляторных блоков: речь идет уже не просто о проектировании независимого «корпуса», а о более глубокой физической и электронной интеграции управления со всем транспортным средством или оборудованием.

Понимание этого процесса позволяет нам более объективно оценивать качество аккумуляторной батареи – это не просто соревнование параметров элементов, а систематическое инженерное достижение, объединяющее междисциплинарные знания и прошедшее бесчисленные испытания и доработки.

Профессиональная система тестирования аккумуляторных батарей от компании Shenzhen Hongda New Energy Co., Ltd.

Основана в 2014 году. Shenzhen Hongda New Energy Co., Ltd.является ведущим поставщиком оборудования и технологий для тестирования новых источников энергии (систем хранения энергии), занимающимся исследованиями и разработками, производством и продажей таких продуктов, и致力于提供 точные и надежные решения для тестирования аккумуляторных батарей по всему миру. Наша собственная разработка Система тестирования батарей Это ключевая гарантия на протяжении всего жизненного цикла проектирования, разработки, создания прототипов и серийного производства аккумуляторных батарей, идеально соответствующая потребностям тестирования на каждом этапе разработки батарейного блока.

Основные преимущества нашего Система тестирования

1. Сверхвысокоточные измерения

С точностью измерения напряжения/тока ±0,05% FS Благодаря возможности настройки под индивидуальные модели с точностью до ±0,02% от полной шкалы и динамическому отклику на переключение тока ≤10 мс, устройство обеспечивает точную поддержку данных для проверки производительности и оценки срока службы аккумуляторных батарей, значительно превосходя отраслевые стандарты.

1. Высокоэффективная энергетическая обратная связь

Обладая эффективностью обратной связи по энергии, более 90%Система рециркулирует энергию, вырабатываемую при разряде, обратно в сеть или к внутренним нагрузкам, что значительно снижает энергопотребление и эксплуатационные расходы, а также соответствует глобальным стратегиям развития экологически чистой энергетики.

1. Мощная конфигурация ядра

Оборудован TI 28377 двухъядерный DSP Благодаря полностью цифровой схемотехнике, он обладает высокой вычислительной мощностью при работе с числами с плавающей запятой и многозадачной работой в реальном времени, поддерживая точное управление сложными сценариями тестирования, такими как тестирование постоянного тока, разряд при постоянном напряжении и моделирование динамической нагрузки.

1. Полное покрытие тестов

Система полностью охватывает все ключевые испытания аккумуляторных батарей, включая тестирование производительности, тестирование на устойчивость к механическим воздействиям, тестирование на надежность в условиях окружающей среды и тестирование на цикл заряда-разряда в течение всего срока службы, а также может имитировать экстремальные условия эксплуатации для проверки стабильности и безопасности аккумуляторных батарей в реальных условиях.

1. Гибкая совместимость и простота обслуживания

С Стандартный корпус 1,5U Модульная конструкция, интеграция множества коммуникационных интерфейсов (485/CAN/LAN/BMS/MES) и совместимость с системами постоянного тока ведущих производителей, таких как ZTE и Huawei. Разъемы автомобильного класса и стандартизированные интерфейсы RJ45 упрощают сборку и техническое обслуживание.

1. Полный цикл индивидуального обслуживания

Наши решения широко применяются в аккумуляторных батареях для электромобилей, станций хранения энергии, беспилотных летательных аппаратов, умной бытовой техники и других областей. Мы предлагаем индивидуальные схемы тестирования в соответствии со специфическими потребностями клиентов, от тестирования образцов в рамках НИОКР до онлайн-контроля в серийном производстве, обеспечивая контроль качества аккумуляторных батарей.

Наше обязательство

Hongda New Energy Наша компания располагает научно-исследовательской и производственной базой площадью более 6000 квадратных метров, а наше испытательное оборудование марки «Hongdian» прошло проверку сотнями ведущих предприятий в сфере новой энергетики и имеет сотни миллионов циклов испытаний. Мы предоставляем комплексную техническую поддержку и послепродажное обслуживание, помогая мировым производителям аккумуляторных батарей повышать качество продукции, соответствовать строгим стандартам сертификации ISO/CE и значительно снижать затраты на послепродажное обслуживание.

Выберите систему тестирования аккумуляторов от Hongda New Energy и заложите прочную основу для безопасности и высокой производительности ваших аккумуляторных батарей!

Для получения информации о глобальных бизнес-проектах, пожалуйста, свяжитесь с нашей командой профессионалов для получения подробных решений.