如何计算电池包成本？- 2
电池包设计
电池包由所有模组列 构成，并包括用于电池和热管理的额外组件。图2.7给出了主要组件的细分。模组列外的附加组件包括母线、冷却剂主管 和封装端子 。图中包含的母线对于本节所示的通用封装设计是明确的。母线的数量和位置将取决于分组配置(即模块行数和串联/并联连接的数量)。关于BatPaC 如何处理这些设计变化的细节可以在5.5节中找到。图2.7所示的主管道用于将冷却剂带入和排出。
图中的部件全部封装在外壳体中。外壳体的结构比图中所示的更详细。外壳体由夹在两层金属层之间的绝缘材料组成。外壳体的顶部和侧面使用铝作为内部和外部金属。底部底座使用铝为内部和钢为外部。钢被用在外部，以防止刺穿车辆的底盘。外壳体还包括一个钢制周长框架(未显示)，该框架围绕基地的外部，并有一个唇部，其稍微向上延伸，以提供额外的支持。钢架的尺寸和包含取决于包装的尺寸(详见5.5节)。
BatPaC中的电池组还包含用于电池和热管理系统的附加元件，这些元件在图中没有显示(详见第7节和第8节)。一些元件，如断开、电力电子、泵和冷却剂混合设备，假定存在于电池包之外。它们的质量和体积在计算中被考虑在内，但BatPaC没有指明它们的位置。它们的位置将取决于车辆的确切设计，以及如何在其他车辆组件之间放置电池组。也有例外，较小的组件(布线，保险丝，电路板等)，存在于电池包内。它们的质量包括在计算中，但它们的体积没有。假定它们驻留在其他组件之间留下的空隙中。它们没有显示在图2.7中，以防止图像与小组件的过度混乱。他们的位置也将取决于制造商的偏好，而不是由BatPaC提供。
电池包设计和性能建模
1）电池包设计概览
图5.1显示了BatPaC模型中用户自定义输入和电池设计输出的示意图。BatPaC使用迭代过程来生成满足所有用户输入的电芯设计。由此产生的电池设计用于计算模组和电池包的尺寸和性能。该模型的目标是量化一个特定电池设计的各种组件如何达到电池包的质量和体积总和。通过这种方式，可以计算出真实的能量和功率密度 ，以及满足设计所需的确切材料。
在图中，用户定义的输入分为三大类：性能、电池化学和结构。首先，性能输入提供BatPaC模型用于设计电池的目标值。两个主要的性能输入是能量和功率。能量可以从总容量或总能量中指定。当电池化学(电池电压)被定义时，定义其中一个值将决定另一个值。该模型使用能量来引导包中活性物质的总量。输入功率指导材料如何在电池中分布(例如，电极厚度 和总电极面积 )。除了能量和功率之外，还有与快速充电约束(第6节)、电池的充电范围状态和满功率时的目标电压(第5.7节)相关的性能输入。
第二类对应于电芯化学输入。这些输入被模型用来将功率和能量需求转化为电池中电极的结构。这些输入包括电极、电解液、集流体和隔膜的成分和性能。例如，电极的密度、比容量和孔隙率有助于确定满足能量需求所需材料的尺寸和重量。此外，电极的体积表面积、材料的电导率和基准性能数据(例如，区域比电阻和限制电流)用于确定满足功率需求所需的电极厚度和面积。化学物质的输入也有助于决定电池包的大小。例如，需要所有材料的密度和厚度来确定电池包的体积和重量。
第三，模型使用结构输入来帮助计算电池包的尺寸、重量、内部连接和包装。结构输入反映了2.1节中介绍的电池设计。它们指的是电芯、模组和电池包级别的物理约束。电池约束设置了电池非电化学活性部分的设计-例如，容器的厚度，电极的长宽比和电池终端的尺寸。模组约束决定了电池如何封装在一起——例如，每个模组的电池数量、电池的串并联连接以及模组壁的厚度。封装约束决定了模组如何封装在一起——例如，每个封装的模组数量、模组的串并联连接以及绝缘和压缩板的厚度。
2）电芯设计
电池设计模型的第一步是计算满足性能输入的电芯设计。主要的设计输出是电极的厚度、电极面积和每个电芯的电极组层数。这些值设置电芯的总尺寸(第5.2.5节)，进而设置模组(第5.3节)和电池包(第5.4节)的尺寸。
i）控制方程
电芯设计模型 由五个耦合方程组成，这些方程将电芯几何形状(即表面积、Apos和电极厚度δpos)转换为电池组的功率和能量。在这里，我们给出方程的表达式，并解释如何确定未知数。首先，电池组的总能量Epack (Wh)被定义为容量(Ah)和放电时的平均电压(V)的乘积。在这项工作中，假设以C/3的速率放电，计算平均电压。这个假设导致了下面的等式：
其中，Ncell和UE是用户自定义输入，分别对应于电池组中电芯的数量和运行时平均荷电状态(SOC)下的单电芯开路电压(OCV)。Ccell, Apos和ASIE是由模型计算的数量，分别指单个电芯的容量(Ah)，正极面积(cm2)和能量的面积比阻抗(Ω cm2)。Ccell 由式5.2定义：
在式5.2中，Q、ρ和εact是用户定义的化学输入，分别对应于活性物质的比容量(Ah g-1)、密度(g cm-3)和体积分数。δpos (cm)是正极的厚度，另一个未知值。Apos通过满足基本功率方程(功率=电流×电压)来确定。为了实现这一点，BatPaC要求用户指定额定功率的起始寿命(BOL)电压降，[V/U]P，其中V是功率脉冲期间的总电压，U是脉冲开始时SOC的OCV。选择[V/U]P的值，通常>0.8，以反映电芯的允许衰减率。它在BatPaC中的默认值为0.8。关于这个参数的详细讨论可以在之前版本的手册[12]中找到。使用这个值可以得到如下的功率公式：
其中，Ppack (W)是用户自定义的电芯额定功率，UP (V)是电源脉冲(化学相关输入)开始时SOC下单个电芯的OCV。关于不同车型UP(和UE)的选择细节见第5.7节。式5.3中，IP为计算得到的单个电芯在额定功率下的电流密度。用欧姆定律确定如下：
其中ASIP为电池在额定功率下的面积阻抗(Ω cm2)。ASIs (ASIP和ASIE)取决于电池的电极厚度(δpos)，电极面积(Apos)和施加电流密度(I)。计算在第5.2.2节中有详细描述。它使用以下表达式表示：
