Akumulatora struktūras izvēle ātrgaitas uzlādes un izlādes scenārijiem: sakraušana vai tinšana?

Dibināts 2002. gadā, specializējas sakaru iekārtu ražošanā un enerģijas uzkrāšanas integrācijā, un ir uzticams partneris četriem lielākajiem Ķīnas telekomunikāciju operatoriem.

Kad enerģijas uzkrāšanas sistēmai vienlaikus jānodrošina liela jauda, ​​milisekundes līmeņa reakcija un ilgtermiņa stabila darbība, akumulatora konstrukcijas dizains vairs nav tikai ražošanas procesa jautājums. Tā vietā tas kļūst par galveno sistēmas parametru, kas nosaka iekšējās pretestības kontroli, termiskās pārvaldības efektivitāti un cikla ilgumu. Īpaši uzlādes/izlādes scenārijos, kad 3C–10C un augstāk, iekšējā šūnu struktūra tieši ietekmē pretestības sadalījumu, elektroķīmisko polarizāciju, siltuma difūzijas ceļus un mehāniskā sprieguma pārvaldību.

Inženieriem, kas nodarbojas ar enerģijas uzkrāšanas sistēmu izvēli, ir svarīgi izprast fundamentālās atšķirības starp sakrautas litija baterijas un brūču šūnas augstas veiktspējas ekspluatācijas apstākļos ir būtiski, lai panāktu uzticamu sistēmas konstrukciju.

Šajā rakstā sistemātiski tiek analizēta dažādu ierīču tehniskā veiktspēja. akumulatoru struktūras augstas ātruma lietojumprogrammās no vairākiem skatupunktiem, tostarp strāvas ceļa, elektroķīmiskās pretestības, termodinamiskās uzvedības, strukturālā sprieguma un sistēmas integrācijas saderības. Tajā ir arī pētīta to praktiskā inženiertehniskā vērtība reālās pasaules enerģijas uzkrāšanas produktu projektēšanā.

1. Elektroķīmiski-strukturālie sakabes mehānismi augstas frekvences apstākļos

Zema ātruma apstākļos (≤1 °C) akumulatora sprieguma zudumi galvenokārt rodas materiālu iekšējās pretestības un elektrolīta jonu transporta pretestības dēļ, savukārt strukturālo atšķirību ietekme ir relatīvi ierobežota.
Tomēr, tiklīdz likme pārsniedz 3C, omiskā pretestība (Rₒ), lādiņa pārneses pretestība (Rct), un koncentrācijas polarizācija strauji palielinās, un sāk parādīties nevienmērīga strāvas sadalījuma problēma šūnas iekšienē.

Akumulatora spaiļu spriegumu var izteikt šādi:

kur Rₒ ir ļoti korelēts ar strāvas ceļa garumu elektroda strāvas kolektorā.

Tīta struktūrā strāva tiek pārraidīta pa elektroda loksnes garumu, kā rezultātā elektronu pārvietošanās ceļš ir relatīvi garš. Turpretī sakrautā struktūrā strāva tiek sadalīta vairākos paralēli savienotos cilnēs, ļaujot tai iziet cauri elektrodiem biezuma virzienā, ievērojami saīsinot elektronu pārvietošanās attālumu. Augstas temperatūras impulsa izlādes gadījumā šī strāvas ceļa atšķirība tieši atspoguļojas sprieguma kritumā un siltuma ģenerēšanas intensitātē.

Inženiertehniskie testi bieži vien rāda, ka, palielinoties izlādes ātrumam no 1C uz 5C,
brūču šūnu temperatūras paaugstināšanās līknei ir ievērojami stāvāks slīpums nekā sakrauto šūnu līknei, kas norāda uz
izteiktāka iekšējās strāvas blīvuma koncentrācija. Šis koncentrācijas efekts ietekmē ne tikai momentāno
efektivitāti, bet arī paātrina SEI plēves degradāciju, tādējādi samazinot cikla kalpošanas laiku.

2. Brūces struktūras tehniskās īpašības un ierobežojumi attiecībā uz augsto ātrumu

Tīšanas process ir visnobriedušākais tehnoloģiskais ceļš litija akumulatoru nozarē un ir īpaši piemērots cilindriskām un dažām prizmatiskām baterijām. Tā galvenā iezīme ir tā, ka katods, separators un anods tiek nepārtraukti uztīti secībā katods–separators–anods–separators lai veidotos želejveida struktūra.

Šis dizains piedāvā vairākas priekšrocības, tostarp augsta ražošanas efektivitāte, nobriedušas iekārtas, kontrolējamas izmaksas un laba konsekvence.

Tomēr, lietojot lielas jaudas apstākļos, brūču struktūras saskaras ar vairākiem fiziskiem ierobežojumiem, no kuriem ir grūti izvairīties.

Pirmkārt, vienas cilnes vai ierobežotas cilnes dizaini var izraisīt strāvas koncentrāciju. Kad caur šūnu plūst liela strāva, tā parasti plūst caur apgabaliem pie izciļņiem, radot lokalizētus karstos punktus.

Otrkārt, a klātbūtne centrālā dobā serde samazina tilpuma izmantošanu, ierobežojot iespējas turpmākai enerģijas blīvuma uzlabošanai.

Treškārt, elektrodu loksņu locīšana tinuma procesa laikā rada atlikušais mehāniskais spriegums, kas palielina aktīvā materiāla izdalīšanās iespējamību biežas augstas ātruma cikliskuma laikā.

Lai gan daudzslāņu tinumu un iepriekšējas locīšanas tehnoloģijas var mazināt dažas no šīm problēmām, raksturīgā struktūra joprojām rada relatīvi garus elektronu transporta ceļus un apgrūtina iekšējās pretestības ievērojamu samazināšanu. Tāpēc lietojumos, kuros galvenais mērķis ir augsta ātruma veiktspēja, tinumu struktūras pakāpeniski dod ceļu sakrautām struktūrām.

3. Sakrautu litija bateriju strukturālās priekšrocības un fizikālais pamats

Sakrautas litija baterijas tiek konstruēti, katodus, separatorus un anodus slāņojot pa vienam. To galvenās priekšrocības ir šādas: optimizēti strāvas ceļi un vienmērīgāks sprieguma sadalījums.

Pirmkārt, no strāvas sadalījuma viedokļa, sakrautas struktūras parasti izmanto vairākas cilnes paralēli, nodrošinot vienmērīgāku strāvas sadalījumu visā elektroda plaknē. Strāva plūst caur elektroda slāņiem biezuma virzienā, ievērojami saīsinot ceļu un tādējādi samazinot omisko pretestību. Iepriekš minētajos izlādes scenārijos 5C, iegūtais sprieguma krituma uzlabojums kļūst īpaši izteikts.

Otrkārt, runājot par termisko pārvaldību, sakrautās struktūras slāņveida izvietojums ļauj vienmērīgāk ģenerēt siltumu, vienlaikus novēršot siltuma uzkrāšanās zonu, ko rada dobais kodols tinuma šūnās. Šis vienmērīgākais termiskais sadalījums samazina lokālas pārkaršanas risku un nodrošina labvēlīgāku termiskā lauka pamatu moduļu līmeņa šķidruma dzesēšanas vai gaisa dzesēšanas sistēmu projektēšanai.

Treškārt, attiecībā uz mehānisko stabilitāti, sakrautas struktūras novērš elektrodu lieces un nodrošina vienmērīgāku sprieguma sadalījumu.
Augstas ciklēšanas ātruma laikā elektrodu izplešanās un saraušanās biežums palielinās. Sakrautā konstrukcija var samazināt separatora deformācijas un mikroīsslēgumu risku, ko izraisa sprieguma koncentrācija. Eksperimentālie dati liecina, ka vienā un tajā pašā materiālu sistēmā sakrautām šūnām parasti ir jaudas saglabāšanas rādītājs ir par vairāk nekā 10 % augstāks nekā brūču šūnas augsta ātruma cikla testēšanā.

4. Enerģijas blīvuma un telpas izmantošanas nozīme sistēmas līmenī

Enerģijas uzkrāšanas sistēmu projektēšanā enerģijas blīvums ietekmē ne tikai atsevišķas šūnas parametrus, bet arī kopējo skapja konstrukciju un projekta ekonomiskumu. Tīta šūnu centrālā dobā serde neizbēgami samazina tilpuma izmantošanu, savukārt sakrautas struktūras uzlabo telpas aizpildīšanas efektivitāti, pateicoties plakanu slāņu sakraušanai.

Gan teorija, gan praktiskais pielietojums liecina, ka sakrautas struktūras var sasniegt aptuveni Par 5–10 % lielāks tilpuma enerģijas blīvums.

Komerciālajām un rūpnieciskajām enerģijas uzkrāšanas sistēmām šis uzlabojums nozīmē:

• Augstāka kWh/m³
• Kompaktāks uzglabāšanas skapja dizains
• Zemākas prasības aprīkojuma telpai
• Labāka transporta un uzstādīšanas izmaksu struktūra

Kad sistēmas mērogs sasniedz MWh līmenis, strukturālo atšķirību radīto telpas izmantošanas uzlabojumu var pārvērst ievērojamās inženiertehnisko izmaksu priekšrocībās.

5. Kraušanas procesa tehniskās problēmas un nozares tendences

Kraušanas process prasa augstu iekārtu precizitāti, tam ir relatīvi lēnāks ražošanas takts laiks nekā tinumam, un tas ietver lielākas sākotnējās ieguldījumus iekārtās. Tomēr, attīstoties ātrgaitas kraušanas mašīnas, redzes izlīdzināšanas sistēmas un integrētas griešanas un kraušanas iekārtas, tā efektivitāte ir ievērojami uzlabojusies. Dažas modernas iekārtas jau ir ļāvušas kraušanas efektivitātei pietuvoties tinumu procesu efektivitātei.

Turklāt, parādīšanās sauso elektrodu tehnoloģija un hibrīdas kaudzes un vēja integrētās tehnoloģijas ļauj sakrautām struktūrām saglabāt veiktspējas priekšrocības, vienlaikus pakāpeniski samazinot izmaksu starpību.

Nākotnes konkurence vairs nebūs tikai sakraušanas un tinšanas jautājums, bet gan optimāla līdzsvara meklējumi starp ražošanas efektivitāte un veiktspēja.

6. No šūnu struktūras līdz sistēmas līmeņa inženierijas integrācijai

Enerģijas uzkrāšanas lietojumos šūnu struktūras izvēle jāapsver atbilstoši sistēmas līmeņa projektēšanai.

Zemas pretestības sakrautas šūnas darbojas labāk paralēlas paplašināšanas scenārijos, nodrošinot labāku sprieguma konsekvenci un atvieglojot BMS darbību. SOC novērtēšana un balansēšanas kontroleVienlaikus to termiskās sadales raksturlielumi ir labāk piemēroti lieljaudas invertora sistēmu ātrās uzlādes/izlādes prasībām.

Mūsu modulārās enerģijas uzkrāšanas sistēmas projektēšanā mēs izmantojam sakraujams litija jonu akumulatora risinājums kas apvieno augstas veiktspējas šūnu struktūras ar inteliģentu BMS, lai panāktu elastīgu jaudas paplašināšanu un stabilu augstas jaudas izvadi. Sistēma atbalsta ātru uzlādi un izlādi, tai ir ilgs cikla kalpošanas laiks un zemas apkopes prasības, un tā ir piemērota komerciālā un rūpnieciskā enerģijas uzglabāšana, fotoelektrisko uzkrāšanas sistēmu integrācija un lieljaudas rezerves barošanas lietojumprogrammas.

Modulārais dizains ne tikai samazina sākotnējo investīciju spiedienu, bet arī padara ērtāku jaudas paplašināšanu nākotnē.

7. Inženiertehniskā lēmumu loģika konstrukcijas izvēlei

Inženiertehniskajā praksē konstrukciju izvēle ir visaptveroši jāizvērtē, pamatojoties uz šādiem aspektiem:

• Ja pieteikums galvenokārt ir zemas likmes un izmaksu ziņā jutīgs, brūces struktūra piedāvā brieduma un izmaksu efektivitātes priekšrocības.
• Ja sistēmai ir nepieciešams bieži lielas strāvas impulsi, ātra uzlādes/izlādes iespēja vai ilgs cikla mūžs, sakrautā struktūra piedāvā spēcīgākas tehniskās priekšrocības.
• Ja projekts tiek īstenots augsts jaudas blīvums un kompaktāks dizains, sakrautā struktūra ir pārāka gan telpas izmantošanas, gan siltuma pārvaldības ziņā.

Augstas veiktspējas lietojumprogrammu būtība ir jaudas prioritāte, nevis jaudas prioritāte.
Kad sistēmas mērķis mainās no vienkāršas enerģijas uzkrāšanas uz jaudas atbalstu un dinamisko reakciju, izvēle akumulatora struktūra jāvirzās uz zemāku iekšējo pretestību un lielāku vienmērīgumu.

Struktūra ir konkurētspēja augsto likmju laikmetā

Ar savu īsāki strāvas ceļi, vienmērīgāks siltuma sadalījums un labāka mehāniskā stabilitāte, tad sakrauta litija baterija tiek arvien plašāk izmantots augstas veiktspējas lietojumprogrammās.

Uzņēmumiem, kas plāno enerģijas uzkrāšanas sistēmas vai modernizē savus produktus, pareizās akumulatora struktūras izvēle ir ne tikai tehnisks jautājums, bet arī ilgtermiņa uzticamības un projekta investīciju atdeves jautājums.