PACK设计工程师

这是一个关于PACK设计工程师的思维导图，梳理了PACK设计涉及的多个关键方面，包括结构分析、设计基础、轻量化设计以及相关部件（如EV接触器）的内容。

PACK设计

• EV接触器
  • 1. 继电器
    • 1. 吸合电压：接触器正常吸合的电压，电压一般分为12V、24V两个电压等级。 释放电压：降低动作状态的输入电压，接触器变为复位状态电压。 触点通电电流：触点闭合状态下，不超过与接触器触点端子的其他各部的温升限度，能够连续向通断部分通过的电流。 动作时间：从接触器的操作电压施加额定电压开始，到主触点开始接触所用的时间。 恢复时间：从接触器操作线圈解除操作电压开始到触点完全打开的时间。 触点弹跳：接触器在动作及复位时由于衔铁的冲突或触点相互的冲突而产生的触点间欠通断现象称为触点弹跳。 机械寿命：是指不向接触器的触点通电，向操作线圈加线圈额定电压，使其以规定的机械性最大工作频率工作时的动作次数。 电气寿命：是指向触点连接额定负载，向操作线圈施加线圈额定电压，使其以规定的最大工作频率工作时的通断次数。 最大动作频率：是指向操作线圈加额定电压的脉冲输入，连续进行通断动作，能够满足机械寿命或电气寿命的最大的通断频率。
    • 1.1. 结构
      • 继电器内部结构包含动静触点、灭弧气体、绝缘套、铁芯、低压线圈、陶瓷钎焊密封、磁铁、抗粘连结构、弹簧
    • 1.2. 封装结构
      • 继电器的封装结构包含分为陶瓷钎焊密封、环氧灌封结构和塑封结构，目前经过市场验证，陶瓷密封结构为最安全性能最好的一种密封方式
    • 1.3. 继电器的灭弧方式
      • 有极
      • 无极
    • 1.4. 抗短路结构
    • 1.5. 状态检测
      • 继电器的状态监测功能主要是为了检测继电器的温度来预测继电器寿命
  • 2. 继电器选型
    • 2.1. 低压线圈
      • 驱动电压范围
      • 正常工作电流
    • 2.2. 主触点
      • 触点形式
      • 动作时间
      • 工作电压范围
      • 额定工作电流
      • 短时通电电流（含峰值电流）
    • 2.3. 电气性能
      • 切断寿命
      • 载留能力
      • 过电流耐受能力
      • 绝缘电阻
      • 截止耐压
    • 2.4. 机械
      • 振动
      • 机械冲击
    • 2.5. 环境
      • 工作温度
    • 2.6. 噪音
      • 噪音
  • 3. 继电器失效模式
    • 3.1. 粘接
      • 容性冲击
      • 短路
      • 1.触电抗粘 2.控制接触电阻
    • 3.2. 不导通/不动作
      • 短路
      • 异物
      • 线圈异常
      • 供电异常
      • 1.避免短路工况，做好熔断器匹配 2.自动化、消除张力 3.异物控制 4.确保功耗，不过载
    • 3.3. 烧毁爆炸
      • 短路
      • 大电流分断
      • 频繁分段
      • 1.确保接触点压力，利用洛伦兹力 2.提升陶瓷拉拔力和强度 3.控制接触电阻
    • 3.4. 安装失效
      • 超出安全扭矩
      • 运输不当
      • 1.提升螺纹强度 2.优化包装
• 模组概述
  • 1. 模组
    • 1.1. 池模组可以理解为锂离子电芯经串并联方式组合，加装单体电池监控与管理装置后形成的电芯与pack的中间产品。
    • 1.2. 功能
      • 支撑、固定、保护
  • 2. 模组分类
    • 2.1. 方形
      • 组件
        • 方形电芯、上盖、塑料支架、铝片、侧板、端板、FPC、隔热棉等
      • 优势
        • 布局灵活，能实现定制，安全性能好
      • 劣势
        • 单体差异性大，标准难以统一
    • 2.2. 圆柱
      • 组件
        • 圆柱电芯、PC片、电池支架、镍片、塑料柱等
      • 优势
        • 生产工艺成熟、PACK成本低、电池产品良率较高、散热性能好
      • 劣势
        • 重量大
    • 2.3. 软包
      • 组件
        • 软包电芯、塑料框架、铝壳体、汇流排、电压采集线等
  • 3. 设计原则
    • 3.1. 安全原则
      • 电气安全
        • 过流温升、膨胀间隙、Y电容、爬电距离、电气间隙、绝缘耐压、短路防护、过充防护、IPXXB防护、接地等等。
      • 功能安全
        • NTC防护、电压和温度采集、焊点防氧化、焊核面积、焊接拉脱力、毛刺方向管控、公差分析、防爆阀开启、耐电解液、热扩散等等。
      • 机械安全
        • CAE仿真、模组膨胀、模组边框强度、模组固定结构、连接片缓冲减震、连接片限位、FPC缓冲和疲劳、胶的面积、焊缝的长度等等。
      • 三个倒退需求
        • 良好的设计，确保不要发生事故
        • 如果不行，发生事故了，最好提前预警
        • 故障已经发生，则设计的目标变成组织事故过快蔓延
    • 3.2. 性能原则
      • 外观
        • 模组的外观不得有变形及裂纹，表面干燥、无外伤，且排列整齐、连接可靠、标志清晰等。
      • 极性
        • 端子极性标识应正确、清晰。
      • 外形尺寸及质量
        • 外形尺寸及质量应符合企业提供的产品技术条件。
      • 电性能
        • 电压平台、比能量、比功率、SOC窗口、成组效率、室温放电容量、室温倍率放电容量、室温倍率充电性能、低温放电容量、高温放电容量、荷电保持与容量恢复能力、储存等等。
      • 机械性能
        • 耐振动、耐冲击、模拟滑台、跌落、挤压等等
      • 滥用测试
        • 过充、过放、短路、火烧、温度冲击、海水浸泡、热失控等等。
    • 3.3. 工艺实现性原则
      • 好的设计应该保证安全，成本，性能的前提下，尽可能的减少装配工序，降低对生产设备和人员的要求。如果是大批量运用的模组，还应该考虑自动化的要求，比如，各类自动化设备识别的特征。如果是小批量使用的模组，则应该考虑人工装配过程中的设计，人机交互便利性等。
      • 同时能够考虑售后和未来回收利用时的拆解工艺，降低回收利用的成本。比如尽量设计成可拆解的结构，尽量避免使用焊接，胶接等难拆设计。
      • 除此之外，还要考虑PACK装配时的便利性，比如模组吊装孔的设计，模组定位和固定方式的设计，高低压接口的设计等。
  • 4. 发展趋势
• 电池包结构有限元分析
  • 1. 有限元分析
    • 1.1. 定义
      • 将一个连续系统（物体）分隔成有限个单元，对每一个单元给出一个近似解，再将所有单元按照一定的方式进行组合，来模拟或者逼近原来的系统或物体，从而将一个连续的无限自由度问题简化成一个离散的有限自由度问题分析求解的一种数值分析方法。
    • 1.2. 基本假设
      • 连续性假设
        • 亦即物体整个体积内部被组成这种物体的介质填满，不留任何空隙。这样，物体内的一些物理量，如应力、应变、位移等等才可以用坐标的连续函数来表示。
      • 均匀性假设
        • 也就是说整个物体是由同一种材料组成的。这样，整个物体的所有各部分才具有相同的物理性质，因而物体的弹性常数(弹性模量和泊松比)才不随位置坐标而变。
    • 1.3. 有限元结构分析
      • 几何处理
      • 网格划分
      • 材料属性建立
      • 模型连接
      • 边界条件约束
      • 结果处理
      • 结果判断
      • 整理报告
  • 2. 方针软件
    • 2.1. 软件
      • ANSA、ANSYS、Hyperworks、ABAQUS、Ls-dyna（已被ANSYS收购）、Nastran
    • 2.2. Hyperworks产品
      • Hypermesh
        • 前处理
      • Optistruct
        • 求解
      • Hyperview
        • 后处理
  • 3. 动力电池结构安全仿真分析
    • 3.1. 安全分析
      • 国标
        • 随机振动分析、机械冲击分析、挤压分析、模拟碰撞分析
      • 实际工况
        • 静强度分析、模态分析、底部球击分析、标准件强度分析
    • 3.2. 意义
      • 随即振动分析
        • 评估在凹凸不平的路面行驶时，电池系统的疲劳寿命是否满足要求
      • 机械冲击分析
        • 评估电池系统机械强度是否满足加速、减速、车轮掠过有凹坑或者石头路面等工况
      • 挤压分析
        • 评价动力电池Pack在整车碰撞过程中，电池包能够承受挤压的能力
      • 模拟碰撞
        • 评估电池包在整车碰撞过程中承受冲击载荷的能力
      • 模态分析
        • 避免电池包与车体产生共振
      • 底部球击分析
        • 评估电池包承受托底工况的能力
      • 标准件强度分析
        • 验证螺栓等标准件是否存在失效风险
  • 4. 线性静力分析仿真流程及项目应用
    • 4.1. 静力分析
      • 静力分析是用来分析结构在给定静力载荷作用下的响应。
    • 4.2. 线性静力分析
      • 线性分析的前提假设:变形在弹性范围内；应力应变关系为线性函数。
        • 受力公式： K ： 整体刚度矩阵； x ：待求的节点位移向量； f ： 作用在结构上的外力向量。”
    • 4.3. 分析思路
      • 系统或组件受有何种载荷？
      • 载荷是静态的还是动态的？
      • 载荷路径是什么？
      • 设计要求有哪些？（应力，位移，应变，寿命等等)
      • 预计高应力会在哪些地方出现？可接受的最大应力值为多少？
      • 是线性问题还是非线性问题？
      • 如何验证有限元分析结果的正确性？”
• 电池包PACK设计基础
  • 1. 电池包布置方式
    • 1.1. 布置位置
    • 1.2. 不同位置的优劣
  • 2. 壳体设计过程
    • 2. 动力电池包总成不仅要满足强度的需求，还需要满足承载并紧固电池模块、电气附件；足够的强度，保护内部电池及其它部件不受伤害；密封、隔离内外部环境；安全防护——对内、对外；电磁屏蔽、绝缘；阻燃；导热/隔热；耐候性和耐化学性等多种功能，满足结构、性能上的整车匹配。
    • 2.1. 包络确定需求输入
      • 1、电池包容量范围，电压范围；
      • 2、电芯规格型号；
      • 3、模组比能量；
      • 4、热管理设计要求等。
    • 2.2. 电池包整车布置需要关注点
    • 2.3. 电池包上、下壳体作用及设计过程中的注意点
      • 上壳体
        • 池包布置在车辆地板下方，则上壳体属于非承重件，主要考虑壳体的密封及自身强度的稳定性
      • 下壳体
        • 电池包布置在车辆地板下方，属于承重件，需要增加局部特征改善壳体强度
  • 3. 电池包内部设计过程
    • 3.1. 模组设计
      • 模组
        • 是否能够完好固定电芯位置并保护其不发生有损性能的形变 如何满足载流性能要求 如何满足对电芯温度的控制 遇到严重异常时能否断电 能否避免热失控的传播等等 都将是评判电池模组优劣的标准。高性能需求的电池模组，其热管理的解决方案已经转向液冷或相变材料。
        • 组相连的单体蓄电池的组合。电池模组可以理解为锂离子电芯经串并联方式组合，加装单体电池监控与管理装置后形成的电芯与pack的中间产品。其结构必须对电芯起到支撑、固定和保护作用
          • 机械强度
          • 电性能
          • 热性能
          • 故障处理能力
    • 3.2. 模组形式
      • 方形
        • 结构
          • 方形电芯、上盖、塑料支架、铝片、侧板、端板、FPC、隔热棉等
        • 优势
          • 布局灵活，能实现定制，安全性能好
        • 劣势
          • 单体差异性大，标准难以统一
      • 圆柱
        • 结构
          • 圆柱电芯、PC片、电池支架、镍片、塑料柱等
        • 优势
          • 产工艺成熟、PACK成本低、电池产品良率较高、散热性能好
        • 劣势
          • 重量大
      • 软包
        • 结构
          • 包电芯、塑料框架、铝壳体、汇流排、电压采集线等
        • 优势
          • 重量轻、能量密度高
        • 劣势
          • ：单体差异性大，标准难以统一、机械强度差
    • 3.3. 串并联及母排链接方式
      • 串并联含义
        • 电池包串并联的含义：串联方式是指第一节锂电的负极接第二节锂电正极，第二节锂电的负极接第三节的正极，以此类推，直到达到所需要的电压为止，这种连接方式的电压是所以连接在一起电芯电压的总和，而容量是单节的容量，然后接保护在输出。比如12V的电池需要三串（以三元材料为例），24V的需要7串。并联方式是指第一节锂电的正极接第二节的正极，负极接负极，以此类推，达到需要的容量，这种综合方式下的电压是不变的任然是单节的电压，容量则是所以电池容量的总和。
      • 母排链接
        • 将电芯、模组按照整车需求连接起来，是之达到电压、电量要求。连接模组可使用铜排、铝排、线束等方式实现。
    • 3.4. 内部布置散热需求考虑
      • 保证电池包有效的散热，通常在布置电芯时，将电芯较小截面正对风道进出口，使冷（热）风沿着电池较大侧面流过，这样可以增加电池与冷却空气的有效接触面积，增加换热量。
  • 4. 热管理设计过程
    • 4.1. 设计流程
      • 确定热管理系统的目的和要求
      • 测量或估计电池模块发热量及热容量
      • 热管理系统初步设计
      • 预测模块和电池组的热行为
      • 初步设计热管理系统
      • 设计热管理系统并进行实验
      • 基于测试数据和分析结果优化热管理系统
    • 4.2. 冷却方式及优劣点
      • 主动热管理
        • 液体冷却
          • 热更有效；电池包温度均匀性好；可与车辆的冷却系统整合在一起；冷却、加热速度快；体积小，但是存在漏液的可能；重量相对较大；维修保养复杂；需要水套、热交换器等部件，结构相对复杂；系统设计复杂
        • 空气冷却
          • 结构简单，重量相对较小；没有发生漏液的可能；有害气体产生时能有效通风；成本较低
          • 缺点是：空气在电池组内的分布复杂；冷却、加热速度慢；吸入的空气必须过滤掉尘土和水；受环境温度影响较大
        • 冷却剂冷却
      • 被动热管理
        • 相变冷却
          • 可保证系统内电池温度的一致性；熔化潜热高，使其在相变中能储藏或放出较多的热量;相变过程可逆性好、膨胀收缩性小、过冷或过热现象少;有合适的相变温度，能满足需要控制的特定温度;热导率大，密度大，比热容大;无毒，无腐蚀性，成本低，制造方便
        • 自然通风冷却
      • 无热管理
• 电池包热仿真及分析基础
  • 1. 热管理技术背景
    • 1.1. 工作原理
      • 内部正负极与电解液之间的氧化还原反应，在低温下电极表面活性物质嵌锂反应速率减慢、活性物质内部锂离子浓度降低，这将引起电池平衡电势降低、内阻增大、放电容量减少，极端低温情况甚至会出现电解液冻结、电池无法放电等现象，极大的影响电池系统低温性能，造成电动汽车动力输出性能衰减和续驶里程减少。
    • 1.2. 低温环境
      • 低温环境下充电容易在负极表面形成锂沉积，金属锂在负极表面积累会刺穿电池隔膜造成电池正负极短路，威胁电池使用安全，电动汽车电池系统低温充电安全问题极大的制约了电动汽车在寒冷地区的推广。
  • 2. 热仿真目的
    • 2.1. 电池组/电池包、冷却流体的温度分布
    • 2.2. 冷却系统的压力损失
    • 2.3. 设计的优化
    • 2.4. 为结构分析提供边界条件
  • 3. 热量传递的三种形式
    • 3.1. 热传导
    • 3.2. 热辐射
    • 3.3. 热对流
  • 4. 定律
    • 4.1. 热力学第一定律
      • 能量守恒定律一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和。（如果一个系统与环境孤立，那么它的内能将不会发生变化。）
    • 4.2. 第二定律
      • 热量可以自发地从温度高的物体传递到较冷的物体，但不可能自发地从温度低的物体传递到温度高的物体
    • 4.3. 第三定律
      • 热力学第三定律通常表述为绝对零度时，所有纯物质的完美晶体的熵值为零。 或者绝对零度（T=0K即-273.15℃）不可达到。
  • 5. 基本属性
    • 5.1. 热传导率（Thermal Conductivity）
    • 5.2. 比热容（Connvection film coefficient）
    • 5.3. 焓
    • 5.4. 对流换热系数
    • 5.5. 辐射系数
    • 5.6. 生热率
  • 6. 仿真计算
    • 6.1. ANSYS Fluent
    • 6.2. Phoenics
    • 6.3. cfx
    • 6.4. STAR-CCM
    • 6.5. FloEFD
  • 7. 边界条件
    • 7.1. 进出口边界条件：压力、速度、质量进口、进风口、进风扇、压力出口、压力远场边界条件、质量出口等；
    • 7.2. 壁面边界条件：温度、换热系数、换热量等；
    • 7.3. 体边界条件：发热功率、体发热量等。
• 电池结构有限元分析中级
• 电池热管理系统
  • 1. 不同温度下的电芯特性
    • 1.1. 第一个区域温度区间为0℃以下，这个区域电芯直流内阻大，容量衰减，功率性能下降，低温充电析锂风险，效率低
    • 1.2. 第二个区域温度区间为0℃~15℃，这个区域电芯直流内阻较大，容量衰减，功率性能下降，效率低
    • 1.3. 第三个区域温度区间为15℃~35℃，这个区域电芯直流内阻低，最佳工作区间，效率高
    • 1.4. 第四个区域温度区间为35℃~45℃，这个区域电芯直流内阻低，自放电风险高，不可逆反应增加，电池老化风险高
    • 1.5. 第五个区域温度区间为45℃~55℃，这个区域电芯功率性能下降，不可逆反应增加，电池老化风险高
    • 1.6. 第六个区域温度区间为55℃以上，这个区域属于电池禁用区域，电芯功率性能下降，不可逆反应增加，电池老化风险高，热失控风险高，失效风险高。
• 电池包有限元结构分析高级
• 电池热管理技术
  • 1. 基础知识
    • 1.1. 热量传递方式
      • 导热
        • 必须有温差
        • 物体直接接触
        • 依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量
        • 引力场下单纯的导热一般只发生在密实的固体中
      • 对流
        • 流体中（气体或液体）温度不同的各部分之间，由于发生相对的宏观运动而把热量由一处传递到另一处的现象。
        • 特点
          • a 导热与热对流同时存在的复杂热传递过程
          • b 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有温差
          • c 壁面处会形成速度梯度很大的边界层
          • d.牛顿冷却公式的基本表达式及其中各物理量的定义。
            • h是对流换热系数单位 w/(m2k) q
            • 是热流密度（导热速率），单位(W/m2) 
            • 是导热量W
      • 热辐射
        • 特点
          • a 任何物体，只要温度高于0 K，就会不停地向周围空间发出热辐射； b 可以在真空中传播；
          • c 伴随能量形式的转变；
          • d 具有强烈的方向性；
          • e 辐射能与温度和波长均有关；
          • f 发射辐射取决于温度的4次方。
    • 1.2. 有限元
• 轻量化设计