1. 蓄電池パックの概要
エネルギー貯蔵バッテリー PACK は、バッテリー モジュールまたはバッテリー パックとしても知られ、複数の個別のバッテリーを特定の直並列方式で接続し、対応する管理システムと保護手段を備えて、独立した充電可能および放電可能なエネルギー貯蔵ユニットを形成するデバイスです。
太陽光発電や風力発電などの再生可能エネルギーの分野では、エネルギーが断続的に発生するため、余剰電力を蓄えて必要なときに放出し、電力の安定供給を図るための蓄電池PACKが必要となります。統計によると、再生可能エネルギーの急速な発展に伴い、エネルギー蓄電池PACKの需要も増加し続けています。たとえば、一部の大規模太陽光発電所では、エネルギー貯蔵バッテリー PACK が数メガワット時の電力を蓄えることができ、グリッドに信頼性の高い電力サポートを提供します。
電気自動車の分野では、エネルギー貯蔵バッテリー PACK がコアコンポーネントの 1 つです。電気自動車に電力を供給し、その航続距離と性能を決定します。現在、電気自動車エネルギー貯蔵電池パックの主な選択肢は、エネルギー密度が高くサイクル寿命が長いリチウムイオン電池です。たとえば、一部のハイエンド電気自動車には、PACK 容量が 100kWh を超え、航続距離が 500 キロメートルを超えるエネルギー貯蔵バッテリーが搭載されています。
要約すると、エネルギー貯蔵電池 PACK は、再生可能エネルギーや電気自動車などの分野でエネルギーの貯蔵と出力のための重要なコンポーネントとして重要な役割を果たします。エネルギー効率を向上させるだけでなく、従来の化石燃料への依存を軽減し、持続可能な開発の達成に貢献します。
2. 設計のポイントと事例分析
(1) 設計のポイント
ａ．防爆設計。PUW 防爆バルブを使用してタイムリーに圧力を解放し、爆発の危険を防ぎます。
リチウムイオン電池パックが熱暴走を起こすと、パック内の気圧が急激に上昇し、爆発の危険性があります。 PUW 防爆バルブは、このような状況でも迅速かつ迅速に圧力を解放できます。たとえば、一部のエネルギー貯蔵プロジェクトでは、PUW 防爆バルブを備えたバッテリー パックが熱暴走時の爆発を回避し、人員と機器の安全を確保しています。
b.バッテリーの安全性と信頼性を確保するために、内部と外部の空気圧のバランスを維持してください。
充電および放電プロセス中にバッテリーパックの温度が変化し、その結果、パック内の気圧が変化するためです。 PUW 防爆バルブは通気性と漏れ防止性があり、バッグ内の気圧を外界と同じに保ちます。統計によると、このように設計されたバッテリーパックは、気圧の変化による性能低下と安全上の危険を効果的に軽減し、バッテリーの信頼性と耐用年数を向上させることができます。
c.過充電、過放電などの安全性能を確保するための管理システムの設計を検討してください。
バッテリーの安全性と信頼性を確保するには、オーバーシュート、過放電、過熱、検出精度、バッテリーバランスなどの要素を考慮する必要があります。合理的に設計され、市場で検証された管理システムは、バッテリーの状態をリアルタイムで監視し、異常事態が発生した場合にタイムリーな措置を講じ、バッテリーを損傷から保護することができます。たとえば、一部の高度な管理システムは、バッテリーの充電および放電プロセスを正確に制御し、過充電および過放電のリスクを最小限に抑えることができます。
d.強度、耐震性、放熱性などを考慮した機械構造の設計。
蓄電池パックを設計する際には、強度、耐衝撃性、放熱・発熱、防水性、防塵性などの要素を考慮する必要があります。たとえば、高強度の材料と合理的な構造設計を使用すると、バッテリー パックの機械的強度が向上し、特定の外部衝撃に耐えることができます。優れた放熱設計により、バッテリーの温度を効果的に下げ、パフォーマンスと寿命を向上させることができます。
e.バッテリー内部構造へのダメージを防ぐ防水・耐震設計。
リチウム電池セルを浸した後、正極と負極が短絡して放電が継続し、電池の内部構造に損傷を与える可能性があります。そのため、電池パックの設計においては防水・防塵性能を考慮する必要があります。同時に、さまざまな使用環境に適応する耐震性能も考慮する必要があります。たとえば、地震が発生しやすい地域や複雑な屋外地形などの一部の過酷な環境では、防水および耐震設計が特に重要です。
f.パ温度の影響に注意し、バッテリーの性能と寿命を最適化します。
「熱」の要素は電池パックPACKの構造設計に大きく影響します。リチウムイオン電池エネルギー貯蔵電池パックは温度環境に敏感であり、高温は電池の充放電性能や、内部抵抗、電圧、SOC、利用可能な容量、充放電効率、電池寿命などの多くの特性パラメータに深刻な影響を与える可能性があります。 。液冷や空冷技術などの合理的な熱管理設計により、バッテリーの温度を効果的に制御し、バッテリーの性能と寿命を向上させることができます。
g.高電圧絶縁性能と構造強度を確保するための材料の選択。
高電圧絶縁抵抗は、バッテリーパックの構造設計における最も重要な技術要件の 1 つです。一般に、高強度と可塑性を備えたナイロンを原料として使用でき、GF 強化のために材料に 5% ～ 45% のガラス繊維を添加することができ、構造強度と耐振動性を向上させることができます。この材料の選択により、構造強度と耐振動性を向上させながら、高電圧下でのバッテリーパックの安全な動作を保証できます。
(2) デザインケース
ａ．デス液冷プレートの場合、さまざまな種類の液冷プレートの特性と重要な選択を分析します。
液冷プレートは、エネルギー貯蔵バッテリー PACK の熱管理の重要なコンポーネントです。水冷プレートの種類が異なれば、特性も異なります。たとえば、一部の水冷プレートは効率的な放熱性能を備えていますが、コストが比較的高くなります。水冷プレートの中には低コストのものもありますが、放熱性能は比較的弱いです。水冷プレートを選択する場合は、放熱性能、コスト、信頼性などを総合的に考慮する必要があります。たとえば、高い放熱性能が必要な一部のアプリケーション シナリオでは、より優れた放熱性能を持つ液冷プレートを選択できます。高コスト要件のある一部のアプリケーション シナリオでは、低コストの水冷プレートを選択できます。
b. LGのエネルギー貯蔵モジュールとパックの設計分析。製品ポートフォリオ、構造設計、その他の側面からその利点を探ります。
LG のエネルギー貯蔵モジュールとパックの設計には多くの利点があります。製品ポートフォリオの観点から、LGのバッテリーセルは、異なる持続放電率に基づいてエネルギータイプとパワータイプに分けられ、さまざまなアプリケーションのニーズに対応します。構造設計の観点から、LG は小型モジュールと大型モジュールの標準化された組み合わせを採用し、グループ化しています。非高強度振動の分野では、CMAの基本構造に基づいてモジュールの構造を長手方向に配向させ、複数のモジュールを積み重ねて長い大きなモジュール構造を形成します。この設計は優れた拡張性と柔軟性を備えており、さまざまなエネルギー貯蔵システムの要件に適応できます。
c.新しいエネルギー貯蔵バッテリーパックの熱設計に関するシミュレーション計算と実験研究。主要なパラメーター分析と研究結果を詳しく説明します。
新エネルギー蓄電池パックの熱設計に関するシミュレーション計算と実験研究は、エネルギー蓄電池の性能と信頼性を向上させる上で非常に重要です。シミュレーション計算を通じて、バッテリーの温度分布とパフォーマンスに対するさまざまな熱管理戦略の影響を分析し、熱設計の理論的なサポートを提供します。一方、実験研究を通じて、シミュレーションモデルの精度と有効性を検証し、最適化された熱設計スキームを提案できます。たとえば、いくつかの研究では、シミュレーション計算と実験研究を組み合わせて、エネルギー貯蔵システムのリチウム電池パックの熱設計について徹底的な議論が行われています。電池性能、安全性、経済性などを総合的に考慮して最適化する多目的最適化ベースの熱設計手法が提案され、良好な研究成果をあげています。
3. 構成と技術的パラメータ
(1) 成分
ａ．単セルバッテリー。エネルギーの貯蔵と放出を担当します。
現在一般的に使用されている単セル電池には、リチウムイオン電池、鉛酸電池、ニッケル水素電池などが含まれます。リチウムイオン電池は、エネルギー密度が高くサイクル寿命が長いため、エネルギー貯蔵電池PACKにおいて重要な役割を果たしています。たとえば、一部のハイエンド電気自動車エネルギー貯蔵バッテリー PACK では、リチウムイオン バッテリーが最大数百アンペア時間の容量で強力な電力サポートを提供できます。鉛蓄電池はエネルギー密度が比較的低いですが、コストが低いため、コスト重視の一部のアプリケーション シナリオでは依然として広く使用されています。ニッケル水素電池は充放電性能や安全性が高く、一部のエネルギー貯蔵分野でも一定のシェアを持っています。
b.バッテリー管理システム。バッテリーの状態を監視し、バッテリーの安全を保護します。
バッテリー管理システム (BMS) は、エネルギー貯蔵バッテリー パックのコア コンポーネントの 1 つです。電圧、電流、温度などのパラメータを測定することで、バッテリーの状態を正確に制御します。 BMSはバッテリーの充放電状態をリアルタイムで監視し、過充電、過放電、過電流などの事態の発生を防止します。たとえば、バッテリーレベルが満充電に近づくと、BMS は過充電を避けるために自動的に充電電流を減らします。バッテリーレベルが低すぎる場合、BMS はアラームを発し、ユーザーに適時に充電するよう促します。さらに、BMS はバッテリー管理のバランスをとることもでき、個々のバッテリーの電力が一貫した状態に保たれ、バッテリー パックの全体的なパフォーマンスと寿命が向上します。
c.適切な温度範囲を維持するための熱管理システム。
熱管理システムは、過熱によるバッテリーの損傷を防ぐために、エネルギー貯蔵バッテリー PACK を適切な温度範囲内に維持する役割を果たします。一般的な熱管理方法には、空冷、液冷などが含まれます。空冷システムは、ファンを通してバッテリーの表面に空気を吹き付け、熱を奪います。液冷システムは冷媒を循環させることでバッテリーの温度を下げます。たとえば、一部の高出力エネルギー貯蔵システムでは、液冷システムがバッテリー温度をより効果的に制御し、システムの安定性と信頼性を向上させることができます。一般に、バッテリー性能の安定性を確保するには、システムの温度差を 5 度以下にする必要があります。
d.電気エネルギーの伝送と分配を担う電気システム。
電気システムには、電気エネルギーの伝送と分配を担う、バッテリー、BMS、熱管理システムなどのコンポーネントを接続するワイヤ、ケーブル、コネクタなどが含まれます。高電圧ワイヤーハーネスはバッテリーパックの「大動脈」とみなすことができ、バッテリーエネルギーを最終負荷に継続的に供給します。低電圧ワイヤリング ハーネスは、リアルタイムの検出信号と制御信号を送信するバッテリー パックの「ニューラル ネットワーク」とみなすことができます。電気システムの設計では、電気エネルギーの安全な伝送を確保するために、電流の大きさ、電圧レベル、絶縁性能などの要素を考慮する必要があります。
e.内部コンポーネントを保護するボックスとブラケット。
ボックスとブラケットは、エネルギー貯蔵バッテリー PACK 内のすべてのコンポーネントを収容して保護するために使用され、外部環境の干渉や損傷を防ぎます。ボックスは通常、耐衝撃性、耐振動性、防水防塵性能に優れた高強度の材料で作られています。ブラケットはバッテリー パックの内部コンポーネントを支持および固定する役割を果たし、バッテリー パックがさまざまな使用環境で安定した状態を維持できるようにします。
(2) 技術的パラメータ
ａ．容量、電気エネルギーを蓄える能力を測定します。
容量は、エネルギー貯蔵電池 PACK のエネルギー貯蔵容量を測定するための重要な指標であり、通常はアンペア時 (Ah) またはキロワット時 (kWh) で測定されます。容量が大きいほど、エネルギー貯蔵電池 PACK はより多くのエネルギーを蓄えることができます。たとえば、100kWh のエネルギー貯蔵バッテリー PACK は、家庭に数日間の電力供給を提供できます。実際のアプリケーションでは、さまざまなニーズに応じてエネルギー貯蔵電池パックの適切な容量を選択する必要があります。
b.エネルギー密度。パフォーマンスの長所と短所を反映します。
エネルギー密度とは、エネルギー貯蔵電池 PACK の単位質量または単位体積あたりに貯蔵できる電気エネルギーの量を指し、通常はキログラムあたりのワット時 (Wh/kg) またはリットルあたりのワット時 (Wh/L) で測定されます。エネルギー密度が高いほど、エネルギー貯蔵電池 PACK の性能が向上します。現在、リチウムイオン電池のエネルギー密度は比較的高く、たとえば、一部のハイエンドリチウムイオン電池のエネルギー密度は 200Wh/kg 以上に達することがあります。エネルギー密度の向上により、エネルギー貯蔵バッテリー PACK の体積と重量を削減でき、携帯性と適用性が向上します。
c.充放電効率はエネルギー変換効率を決定します。
充放電効率とは、エネルギー貯蔵電池 PACK の充放電プロセス中のエネルギー変換効率を指し、通常はパーセントで表されます。充放電効率が高いほど、エネルギー貯蔵電池パックのエネルギー利用率は高くなります。一般的に、リチウムイオン電池の充放電効率は 90% 以上に達します。充放電効率を向上させることでエネルギーロスを減らし、使用コストを削減できます。
d.耐用年数を反映するサイクル寿命。
サイクル寿命とは、エネルギー貯蔵電池 PACK が充電および放電サイクル中に特定の性能を維持できる回数を指します。サイクル寿命が長いほど、エネルギー貯蔵電池パックの耐用年数も長くなります。たとえば、一部の高品質リチウムイオンエネルギー貯蔵電池パックのサイクル寿命は、数千回、さらには数万回に達する場合があります。実際のアプリケーションでは、さまざまな使用シナリオや要件に応じて、適切なサイクル寿命を持つエネルギー貯蔵電池パックを選択する必要があります。
e.さまざまな保護対策や熱管理システムを含む安全性。
安全性はエネルギー貯蔵電池 PACK の重要な技術指標の 1 つであり、過充電、過放電、過電流、短絡に対する保護対策や熱管理システムが含まれます。優れた安全性により、使用中のエネルギー貯蔵バッテリーパックの信頼性と安定性が保証されます。例えば、パーフルオロヘキサン消火装置は、PACK バッテリパック火災の際に火災の延焼を迅速に抑制し、PACK バッテリパックの安全を強力に保護します。一方、熱管理システムはバッテリーの過熱による安全上の事故を効果的に防止できます。
4. 設計プロセスと解析手法
(1) 設計プロセス
ａ．一貫した性能を確保するために、バッテリーセルを選択してグレード付けします。
エネルギー貯蔵バッテリー PACK の設計プロセスでは、バッテリー セルの選択とグレーディングが重要な最初のステップです。まず、信頼できるサプライヤーから適切なリチウム電池セルを選択する必要があります。一部のハイエンドのエネルギー貯蔵用途では、エネルギー密度が高くサイクル寿命が長いリチウムイオン電池セルが選択される場合があります。選択プロセスでは、容量、内部抵抗、電圧などのバッテリーセルの性能パラメータについて厳密なテストを実施する必要があります。統計によると、多数のバッテリーセルをテストしてグレード付けすることで、性能と品質の一貫性を確保できます。 98%以上を確保してください。分類後、バッテリーセルをさまざまな性能レベルに従って保管し、その後の組み立て作業に備えることができます。
b.適切な接続方法を使用してバッテリーセルを組み立てます。
バッテリーセルの組み立ては、設計要件に従って複数のバッテリーセルを組み合わせるプロセスです。この段階では、溶接や圧着などの効果的な接続方法を使用する必要があります。溶接方法には強固な接続と低抵抗という利点がありますが、操作が難しく、高いプロセス要件が必要です。圧着方法は比較的簡単ですが、接続の安定性が若干劣る場合があります。たとえば、一部の大規模エネルギー貯蔵電池 PACK の製造では、電池セルを相互に接続するためにレーザー溶接技術が使用される場合があります。この溶接方法には、高エネルギー密度、小さな溶接変形、小さな熱影響部という利点があり、ワークピースの精度を効果的に向上させ、溶接を滑らかで不純物がなく、均一で緻密にし、異なる材料間の溶接も実現できます。 、様々な材質の溶接ニーズに応えます。合理的な接続方法を選択することにより、電池セル間の信頼性の高い接続が確保され、エネルギー貯蔵電池パックの性能が保証されます。
c.監視および保護機能を実現するためのバッテリー管理システムの統合。
バッテリー管理システム (BMS) は、エネルギー貯蔵バッテリー PACK のコアコンポーネントの 1 つであり、その統合はバッテリーセルの監視、バランス、および保護機能を実現するために重要です。 BMSを組み込む場合、バッテリーセルと正確に接続してデバッグする必要があります。 BMS は、バッテリーセルの電圧、電流、温度、その他のパラメーターをリアルタイムで監視できます。これらのパラメータを分析することで、バッテリーの充放電制御、バランス管理、故障診断を実現できます。たとえば、バッテリーセルの電圧が高すぎるか低すぎる場合、BMS は充電および放電電流を自動的に調整して、過充電または過放電を防ぐことができます。バッテリーセルの温度が高すぎる場合、BMS は冷却システムを作動させてバッテリー温度を下げ、バッテリーの安全な動作を確保します。さらに、BMS は、通信インターフェイスを介して外部デバイスとデータを交換し、エネルギー貯蔵電池 PACK の遠隔監視と管理を実現することもできます。
d.シェルのカプセル化により、安全性と放熱保護が提供されます。
シェルカプセル化は、安全性と安定性を確保し、放熱と保護の機能を提供するために、バッテリーパックをケース内に取り付けるプロセスです。シェルの選択には、材料の強度、放熱性能、防水防塵能力などの複数の要素を考慮する必要があります。たとえば、一部の高性能エネルギー貯蔵電池パックには、高強度などの利点があるアルミニウム合金シェルが使用される場合があります。 、軽量、優れた放熱性能。ケースの梱包プロセスでは、使用中に緩んだりずれたりしないように、バッテリーパックとケースがしっかりと取り付けられていることを確認する必要もあります。同時に、筐体は優れた放熱設計を備えている必要があり、バッテリーパックから発生した熱を放熱フィンや通気孔などを通じてタイムリーに放散して、バッテリーパックの動作温度を確保することができます。バッテリーは安全範囲内にあります。さらに、バッテリーパックを外部環境の影響から保護するために、ケーシングには一定の防水および防塵機能も必要です。
e.製品の性能を保証するために、全体的なテストと品質管理を実施します。
全体的なテストと品質管理は、エネルギー貯蔵電池 PACK の設計プロセスの最終ステップであり、製品の性能を保証するための重要なリンクでもあります。この段階では、組み立てられたモジュール パックに対して、性能テスト、容量テスト、サイクル寿命テスト、セキュリティ テストなどの包括的なテストを実施する必要があります。性能テストには主に、充放電効率、応答時間などのパラメータのテストが含まれます。容量テストでは、バッテリーを充電および放電することによってバッテリーの実際の容量を測定します。サイクル寿命テストでは、実際の使用時のバッテリーの充放電サイクルをシミュレートして、その寿命性能を評価します。安全性テストには、過充電、過放電、短絡、衝撃などのテストが含まれ、さまざまな極端な条件下でもバッテリーが安全に動作できることを確認します。厳格なテストと品質管理を通じて、エネルギー貯蔵バッテリー PACK の性能と品質が設計要件を満たしていることが保証され、ユーザーに信頼性の高いエネルギー貯蔵ソリューションを提供します。
(2) 分析方法
ａ． PACK の定義を解釈し、その技術的核心を理解します。
リチウムイオン電池パックは、電池モジュールとしても知られ、リチウムイオン電池の製造プロセスであり、パッケージング、封入、組み立てを意味します。複数のリチウムイオン単電池を直列に接続し、システムの機械的強度、熱管理、BMSマッチングなどの問題を考慮することを指します。その重要な技術は、全体の構造設計、溶接および加工プロセスの制御、保護レベルに反映されています。 、アクティブな熱管理システム、その他の側面。例えば、顧客の要求に応じて特定の形状を形成するために 2 つの電池を直列または並列に接続することをパックと呼びます。 PACK の定義を解釈すると、その技術的核心は、さまざまなアプリケーションのニーズを満たすために複数の個別のバッテリーを合理的に組み合わせてパッケージングすることにあることが明確になります。
b. PACKの構成を分析し、各部の役割を理解します。
バッテリー パックは主に、個別のバッテリー モジュール、電気システム、熱管理システム、エンクロージャ、および BMS で構成されます。単一の電池モジュールは電気エネルギーの貯蔵と放出のユニットであり、人体の「心臓」に相当します。電気システムは、「動脈血管」などの高電圧ハーネスと「ニューラル ネットワーク」などの低電圧ハーネスを使用して、電気エネルギーの伝達と分配を担当します。熱管理システムは、バッテリーに「エアコン」を設置するのと同様に、バッテリーを適切な温度範囲内で動作させます。ボックスとブラケットは、人体の「骨」と同様に、機械的衝撃、機械的振動に耐え、環境を保護する役割を果たします。 BMS はバッテリーの「頭脳」であり、バッテリーの状態を監視し、充電および放電プロセスを管理し、過充電、過放電、過電流などの損傷からバッテリーを保護する責任を負います。 PACKの構成を分析することで、各コンポーネントの役割をより深く理解し、蓄電池PACKを設計・最適化するための基礎となります。
c. PACK の特徴を探り、技術要件を明確にします。
PACK リチウム バッテリー パックは、バッテリーに高度な一貫性 (容量、内部抵抗、電圧、放電曲線、寿命) を要求し、サイクル寿命は単一バッテリーよりも短いです。限られた条件下で使用し、成形後に保護し、充電バランス、温度、電圧、過電流を監視する必要があります。設計の電圧と容量の要件を満たしている必要があります。たとえば、実際のアプリケーションでは、これらの特性や技術要件を満たすために、バッテリーセルの選択、組み立てプロセス、BMS設計などの側面で厳密な制御と最適化が必要です。 PACKの特性を調査することにより、エネルギー貯蔵電池PACKの性能と品質を保証するための設計プロセスにおける技術要件を明確にすることができます。
d.直並列構成とプロセス選択を含む PACK メソッドを紹介します。
バッテリーモジュールは、直列に接続された個々のセルで構成されます。並列接続では電圧を変えずに容量が増加し、直列接続では容量を変えずに電圧を2倍にします。バッテリーセルを選択する際には、容量、内部抵抗、電圧値の差が 2% 以内で、種類とモデルが一貫している必要があります。パックの主なプロセスには、レーザー溶接、超音波溶接、パルス溶接、弾性金属板との接触が含まれます。生産歩留まり、効率、接続点の内部抵抗を考慮すると、現在、多くの電池メーカーにとってレーザー溶接が好まれています。たとえば、電圧が 3.2V のセルが 15 個直列に接続されている場合、電圧は 48V になります。これは直列昇圧と呼ばれます。容量50Ahの電池セルを並列接続すると100Ahになることを並列増設といいます。 PACK 手法を導入することにより、エネルギー貯蔵電池 PACK の設計に特定の技術的ソリューションとプロセスの選択肢を提供できます。
e. PACK の技術パラメータを理解し、製品性能指標をマスターします。
組み合わせ方式：1P24Sは24直列1並列を表し、直列接続すると電圧が2倍になります。定格電圧は 3.2 * 24=76.8V です。定格容量とは、定格使用条件下で長時間連続動作できるバッテリーの容量を指し、アンペア時（Ah）で測定されます。これは、アンペア時間 (A) で表した放電電流と時間 (h) で表した放電時間の積です。たとえば、280Ah は、0.5C の最大レートで 2 時間放電することを表します。定格エネルギー=公称容量 (Ah) * 公称電圧 (V)。充放電効率とは、エネルギー貯蔵電池 PACK の充放電プロセス中のエネルギー変換効率を指し、通常はパーセントで表されます。サイクル寿命とは、エネルギー貯蔵電池 PACK が充電および放電サイクル中に特定の性能を維持できる回数を指します。安全対策には、過充電、過放電、過電流、短絡に対する保護と熱管理システムが含まれます。 PACK の技術パラメータを理解することで、製品の性能指標を把握し、エネルギー貯蔵電池 PACK の選択と適用の参考にすることができます。