淺談新型鋰電防水模組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

姜秀華

摘 要：近幾年，隨著經(jīng)驗(yàn)的增加和自動(dòng)化集成能力的提升，國內(nèi)高端智能裝備制造企業(yè)在打造動(dòng)力電池全自動(dòng)及半自動(dòng)組裝線、自動(dòng)化設(shè)備集成、信息采集與傳輸、無人化車間軟硬件管理系統(tǒng)等方面大展拳腳并占據(jù)一席之地。本文通過對(duì)鋰電池模組防水設(shè)計(jì)的研發(fā)，利用氣壓原理設(shè)計(jì)了一組上下套合式模組，并通過實(shí)驗(yàn)確定了該結(jié)構(gòu)還可以在 0--15°任何平、曲面上，浸泡在水中仍具有防水效果，解決了模組在行駛過程中防水這一項(xiàng)難題。

關(guān)鍵詞：新型;鋰電;防水;模組;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

引言：近年來，鋰離子電池產(chǎn)量快速發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，然而，它對(duì)電壓、溫度和電流要求極其嚴(yán)格， 在設(shè)計(jì)鋰電池模組管理系統(tǒng)時(shí)，仍然存在一些問題，極大地增加了精確估計(jì)電池荷電狀態(tài)的難度。鋰電池模組是由幾顆到數(shù)百顆電池芯經(jīng)由并聯(lián)及串聯(lián)所組成的多個(gè)模組，除了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)部分，再加上電池管理系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)就可組成一個(gè)較完整的鋰電池包系統(tǒng)。 因此，要保證鋰電池模組控制系統(tǒng)與總控制系統(tǒng)的通訊性能，并保證電池模組能夠?qū)崿F(xiàn)自身控制管理。

一、鋰電池模組

目前，由于市場(chǎng)上各家汽車廠商的要求不同，幾乎沒有一家的模組和生產(chǎn)工藝是一樣的，而這也對(duì)自動(dòng)化產(chǎn)線提出了更多的要求。好的自動(dòng)化生產(chǎn)線除了滿足以上硬件配置和工藝要求以外，還需要重點(diǎn)關(guān)注兼容性和“整線節(jié)拍”。由于模組的不固定，故來料的電芯、殼體、PCB板、連接片等都可能發(fā)生變化，產(chǎn)線的兼容性也就顯得尤其重要。對(duì)于當(dāng)前的動(dòng)力電池行業(yè)來說，模組的自動(dòng)化程度要求都比較高，又因其工藝的復(fù)雜程度、工作環(huán)境的要求等，應(yīng)用機(jī)器人和專用設(shè)備的優(yōu)勢(shì)顯而易見。

1.硬件系統(tǒng)總體框架

5kwn鋰電池模組中的單體電池有 10-20 塊，需要對(duì)其進(jìn)行溫度、電壓、電流等數(shù)據(jù)的采集。電池管理系統(tǒng)（ BMS） 包含主控單元、信號(hào)采集與單體電池均衡單元、充放電控制單元、通訊單元等四個(gè)部分。 ?5kwn電池模組，主控單元與信號(hào)采集單元通訊采用串行外設(shè)接口 SPI 通訊方式，與主控系統(tǒng)以控制器局域網(wǎng)CAN 總線的方式進(jìn)行通訊。 信號(hào)采集與單體電池均衡集中在一個(gè)模塊中完成[3]。

2.硬件模塊設(shè)計(jì)

2.1主控單元模塊

5kwn鋰電池模組的主控單元需要完成對(duì)電池組的通斷、電池模組與儲(chǔ)能設(shè)備通訊等功能，且需要具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。 為滿足本文中按時(shí)計(jì)量法和開路電壓法綜合均衡控制算法、荷電狀態(tài)估計(jì)和總線串口通訊等功能，并考慮能耗等成本問題，本文采用64引腳的MSP430芯片作為核心控制芯片。同時(shí)為防止受掉電、故障等突發(fā)事件的影響，主控單元在檢測(cè)故障發(fā)生的瞬間采用兩線式串行總線的通訊方式將數(shù)據(jù)導(dǎo)入儲(chǔ)存芯片中，之后寫入芯片。 在設(shè)備恢復(fù)時(shí)，重新將數(shù)據(jù)導(dǎo)出，防止發(fā)生故障時(shí)數(shù)據(jù)丟失。

2.2電壓、溫度采集模塊

電壓、溫度采集模塊需要實(shí)現(xiàn)高精度、高效率的采 集，因此采用具有32路信號(hào)采集端的芯片[2]。它是一種可堆棧3-6節(jié)串聯(lián)鋰離子電池組的保護(hù)器和模擬前端，它在很大程度上歸并了高精度模數(shù)轉(zhuǎn)化器，電壓和保護(hù)溫度的功能突出，電池平衡技術(shù)和給用戶電路供電的高精度 5 V 穩(wěn)壓器，無需在集成電路之間使用隔離組件，就可監(jiān)控 192個(gè)電池單元。 其集結(jié)了高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)和電壓轉(zhuǎn)換，可極其精確、迅速地測(cè)出電池的單元電壓。 也可以對(duì)過壓、欠壓和過溫狀況提供周到保護(hù)，超過安全閾值時(shí)，可以建立故障輸出，無需外部組件就可以設(shè)置和運(yùn)行保護(hù)功能。

2.3 電源模塊設(shè)計(jì)

5 kw電池模組可提供 40 ～ 90 V 的供電電壓，而管理模塊中主控單元核心控制芯片工作電壓要求為3 V，電壓采集板芯片的工作電壓要求為 5 V，管理模組對(duì)應(yīng)的外設(shè)工作電 壓 基 本 要 求 在 3-5 V。將電池提供的電壓轉(zhuǎn)換并且穩(wěn)定在 10 V，然后采用芯片將 10 V 電壓分別轉(zhuǎn)換為3 V，為控制板各個(gè)模塊工作提供穩(wěn)定的電源，保證主控板的正常工作。

2.4均衡充電模塊

均衡充電模塊可改善和解決蓄電池容量的不均衡問題。 電池端電壓的不均衡直接體現(xiàn)了電池容量的不均衡。 如今國內(nèi)外采取的方案主要是電阻方案、電容均衡方案以及獨(dú)立充電方案[3]。

二、實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)計(jì)依據(jù)原理

1.主要實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

長(zhǎng)方形水槽（ L = 400mmW = 300mmH≥100mm） 、淡水、充放電測(cè)試柜、角度為 15°的斜木塊一個(gè)，溫度箱、震動(dòng)測(cè)試儀、64V20Ah 電池模組（ L = 300mm W = 254mm H = 90mm） 。

1.1防水鋰電池模組設(shè)計(jì)制作

1） 上、下殼

上殼尺寸： L = 300mm W = 254mm H = 90mm; 下殼尺寸： L = 296mm W = 250mm H = 90mm。

技術(shù)要求： 材質(zhì)為 SUS304，厚度為 0. 8mm; 產(chǎn)品外觀無毛刺，油污及明顯劃痕。

2）內(nèi)部電源設(shè)計(jì)制作：下支架底部的 5mm 凸起設(shè)計(jì)，目的：避免電池與下殼的直接接觸，防止短路;

3）電池與殼體之間的間隙，用 EVA 進(jìn)行填充，避免晃動(dòng);

4）模組尺寸 L = 253. 9mm W = 225. 9mm H = 79mm

1.2實(shí)驗(yàn)依據(jù)原理本設(shè)計(jì)的防水原理依據(jù)： 大氣壓原理液體壓強(qiáng)公式： P = ρgh; （ 式中 g = 9. 8N/kg 或 g = 10N/kg，h 的單位是 m ，ρ 的單位是 kg /m3 ） 固、氣體狀態(tài)公式： P = F /S（ F 是壓力，S 是壓力面積）氣體狀態(tài)壓力公式： pV = nRT（ p 是氣體壓強(qiáng)、V 是氣體體積、n 是氣體物質(zhì)的量、R是常數(shù)、T 是氣體溫度）正常情況下標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)為： 1 標(biāo) 準(zhǔn) 大 氣 壓 =760mm 汞柱 = 76cm 汞 柱1.01325 × 10^5Pa = 10.336m 水柱水面上水的壓力 = 大氣壓力當(dāng)模組放入水中時(shí)④⑤中的空氣被壓縮，F(xiàn) 恒定， F = pV = nRT，V 減小，P 增大，水中壓強(qiáng) P = ρgh （ h = 110mm） < 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 <壓縮空氣的 P 壓強(qiáng)， 故④⑤中不會(huì)有水進(jìn)入，從而防水; 當(dāng)溫度升高時(shí)，F(xiàn) = nRT，F(xiàn) 變大，F(xiàn) = pV，V 減小，P 變大，對(duì)比常溫 P 更大，水中壓強(qiáng) P = ρgh 無變化，故 P = ρgh （ h = 110mm） <空氣大氣壓 < 壓縮空氣的 P 壓強(qiáng)。側(cè)面對(duì)角線的角度為該設(shè)計(jì)最小角 θ，sinθ ≈0. 2908，∠θ≈17°故當(dāng)坡面角度均小于最小角時(shí)，壓縮的空氣均未流動(dòng)被擠出，壓強(qiáng) P > P = ρgh 水中壓強(qiáng)，仍可起到防水保護(hù)作用。

2.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1常溫下，電池模組水平浸泡水中 12h、24h、36h實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)步驟： 向水槽中注水，水面高度為 110mm; 將組裝好的電池模組，完全浸泡; 2A 充滿電，浸泡在水中12h 后，10A 放電測(cè)得電池性能： 放電正常; 繼續(xù) 2A 充滿電后，浸泡在水中 24h，10A 放電測(cè)得電池性能： 放電正常; 再次 2A 充滿電，繼續(xù)浸泡在水中 36h 后，10A 放電測(cè)得電池性能。本設(shè)計(jì)電池模組浸泡在水中，隨時(shí)間推移，未發(fā)生短路或斷路保護(hù)現(xiàn)象，電池包均充放電正常。

2.2水平浸泡 24h，電池模組分別在 5℃ 10℃ … 60℃恒溫箱中測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

1）實(shí)驗(yàn)步驟： 實(shí)驗(yàn)器材準(zhǔn)備同 2. 1; 同理 2A 充滿電，分別在 5℃- 60℃水中浸泡 24h 后，10A 放電測(cè)得電池性能。

2）數(shù)據(jù)反饋： 由于鋰電池本身性能原因，隨溫度的升高電池釋放的總?cè)萘吭龃螅识莸哪＝M，隨溫度的升高，釋放容量也呈現(xiàn)此趨勢(shì)，同時(shí)電池工作正常。

2.3 15°斜坡浸泡實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)步驟： 將斜度為 15°的斜木塊放入水槽，并加水使水面高度為 150mm將電池模組放在斜面上，浸泡。 2A 充滿電，浸泡在水中 10h 后，12A 放電測(cè)得電池性能： 放電正常。繼續(xù) 2A 充滿電，浸泡在水中 24h 后，10A 放電測(cè)得電池性能： 放電正常。再次 2A 充滿電，繼續(xù)浸泡在水中 36h 后，10A 放電測(cè)得電池性能。數(shù)據(jù)反饋： 實(shí)驗(yàn)顯示在水中，有 0≤坡度≤15°時(shí)，本設(shè)計(jì)電源模組仍可繼續(xù)正常工作。

2.4震動(dòng)實(shí)驗(yàn) 模擬行駛過程中，電池包在水中浸泡，是否正常工作 實(shí)驗(yàn)步驟： 將 2. 1 實(shí)驗(yàn)裝置放在水平震動(dòng)臺(tái)上，2A 充滿電，并施加振動(dòng)設(shè)備上的隨機(jī)振動(dòng)模式 60min 后，再施加復(fù)合振動(dòng)模式 60min，進(jìn)行放電測(cè)試。 數(shù)據(jù)反饋： 電源工作正常。

結(jié)語：綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該電源設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，在 0--15°任何平、曲面上，以及不同溫度的變化、行駛過程中的震動(dòng)，模組完全浸泡在水中后，仍可繼續(xù)正常工作。這一關(guān)鍵問題的突破，使得鋰電能源在不同惡劣環(huán)境下的應(yīng)用，又向前邁進(jìn)了一步。為綠色能源的發(fā)展，起到了不可或缺的推動(dòng)作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]李陽 新型鋰電防水模組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].哈爾濱工程大學(xué)出版社，2015 （08）

[2]孫志毅 簡(jiǎn)析車用鋰離子電池管理系統(tǒng)綜述[J].電源技術(shù)，2013（06）

[3]陳林娜 ?基于 BQ76PL536 的均衡系統(tǒng)計(jì)[J].電源技術(shù)，2014（05）