Жоғары жылдамдықты зарядтау және разрядтау сценарийлері үшін батарея құрылымын таңдау: қабаттастыру ма, әлде орау ма?

2002 жылы құрылған, байланыс жабдықтарын өндіру және энергия сақтау интеграциясына маманданған және Қытайдың төрт ірі телекоммуникация операторының сенімді серіктесі.

Энергия сақтау жүйесі бір мезгілде жоғары қуат шығысын, миллисекунд деңгейіндегі жауап беруді және ұзақ мерзімді тұрақты жұмысты қамтамасыз етуі керек болған кезде, батареяның құрылымдық дизайны енді тек өндіріс процесінің мәселесі емес. Керісінше, ол ішкі кедергіні басқаруды, жылуды басқару тиімділігін және циклдің қызмет ету мерзімін анықтайтын негізгі жүйе параметріне айналады. Әсіресе зарядтау/разрядтау сценарийлерінде 3C–10C және одан жоғары, ішкі жасуша құрылымы кедергінің таралуына, электрохимиялық поляризацияға, жылу диффузия жолдарына және механикалық кернеуді басқаруға тікелей әсер етеді.

Энергия сақтау жүйесін таңдаумен айналысатын инженерлер үшін, олардың арасындағы негізгі айырмашылықтарды түсіну жинақталған литий батареялары және жараланған жасушалар жоғары жылдамдықты жұмыс жағдайларында сенімді жүйені жобалау үшін өте маңызды.

Бұл мақалада әртүрлі техникалық көрсеткіштер жүйелі түрде талданады батарея құрылымдары ток жолы, электрохимиялық кедергі, термодинамикалық мінез-құлық, құрылымдық кернеу және жүйелік интеграция үйлесімділігі сияқты бірнеше тұрғыдан жоғары жылдамдықты қолданбаларда. Сондай-ақ, олардың нақты әлемдегі энергия сақтау өнімдерін жобалаудағы практикалық инженерлік құндылығын зерттейді.

1. Жоғары жылдамдықты жағдайлардағы электрохимиялық-құрылымдық байланыстыру механизмдері

Төмен жылдамдықты жағдайларда (≤1C) батарея кернеуінің жоғалуы негізінен материалдардың ішкі кедергісінен және электролиттің иондық тасымалдау кедергісінен болады, ал құрылымдық айырмашылықтардың әсері салыстырмалы түрде шектеулі.
Дегенмен, тариф асып кеткеннен кейін 3C, омдық кедергі (Rₒ), заряд алмасу кедергісі (Rct), және концентрация поляризациясы тез артады, және ұяшық ішіндегі токтың біркелкі емес таралу мәселесі туындай бастайды.

Батареяның терминалдық кернеуін келесідей көрсетуге болады:

қайда Rₒ электрод ток жинағышындағы ток жолының ұзындығымен жоғары корреляцияланады.

Орама құрылымында ток электрод парағының ұзындығы бойынша беріледі, нәтижесінде электронды тасымалдау жолы салыстырмалы түрде ұзын болады. Керісінше, қабаттасқан құрылым токты бөлу үшін параллель қосылған бірнеше қойындыны пайдаланады, бұл оның электродтар арқылы қалыңдық бағытында өтуіне мүмкіндік береді, бұл электронды тасымалдау қашықтығын айтарлықтай қысқартады. Жоғары жылдамдықты импульстік разряд кезінде ток жолындағы бұл айырмашылық кернеудің төмендеуі мен жылу өндіру қарқындылығында тікелей көрінеді.

Инженерлік сынақтар көбінесе разряд жылдамдығы артқан кезде көрсетеді 1C дейін 5C,
жараланған жасушалардың температураның көтерілу қисығы қабаттасқан жасушаларға қарағанда айтарлықтай тік көлбеуге ие, бұл ... көрсетеді
ішкі ток тығыздығының айқынырақ концентрациясы. Бұл концентрация әсері тек лездік әсер етпейді
тиімділікті арттырады, сонымен қатар SEI пленкасының ыдырауын жеделдетеді, осылайша циклдің қызмет ету мерзімін қысқартады.

2. Жара құрылымының техникалық сипаттамалары және жоғары жылдамдықты шектеулері

Орау процесі литий батареясы өнеркәсібіндегі ең жетілген технологиялық бағыт болып табылады және әсіресе цилиндрлік элементтер мен кейбір призмалық элементтер үшін өте қолайлы. Оның негізгі ерекшелігі - катод, сепаратор және анод үздіксіз оралады катод-бөлгіш-анод-бөлгіш желе тәрізді құрылымды қалыптастыру үшін.

Бұл дизайн бірқатар артықшылықтарды ұсынады, соның ішінде жоғары өндірістік тиімділік, жетілген жабдық, басқарылатын құны және жақсы үйлесімділік.

Дегенмен, жоғары жылдамдықты қолдану кезінде жара құрылымдары бірнеше физикалық шектеулерге тап болады, оларды болдырмау қиын.

Біріншіден, бір қойындылы немесе шектеулі қойындылы дизайндар ток концентрациясына әкелуі мүмкін. Ұяшық арқылы жоғары ток өткенде, ток қойындыларға жақын аймақтар арқылы басымдықпен ағып, жергілікті ыстық нүктелерді тудырады.

Екіншіден, болуы орталық қуыс өзек көлемдік пайдалануды азайтады, энергия тығыздығын одан әрі жақсарту мүмкіндігін шектейді.

Үшіншіден, орау процесінде электрод парақтарының иілуі мынаны енгізеді қалдық механикалық кернеу, бұл жиі жоғары жылдамдықты цикл кезінде белсенді заттың төгілуін ықтимал етеді.

Көп қойындылы орау және алдын ала иілу технологиялары осы мәселелердің кейбірін жеңілдете алса да, ішкі құрылым электрондарды тасымалдау жолдарының салыстырмалы түрде ұзақ болуына әкеледі және ішкі кедергіні айтарлықтай төмендетуді қиындатады. Сондықтан, жоғары жылдамдықты өнімділік басты мақсат болып табылатын қолданбаларда оралған құрылымдар біртіндеп қабаттасқан құрылымдарға жол беруде.

3. Қабатталған литий батареяларының құрылымдық артықшылықтары және физикалық негізі

Қабатталған литий батареялары катодтарды, сепараторларды және анодтарды бір-бірлеп қабаттау арқылы құрастырылады. Олардың негізгі артықшылықтары мынада оңтайландырылған ағымдағы жолдар және стресстің біркелкі таралуы.

Біріншіден, ағымдағы таралу тұрғысынан, қабаттасқан құрылымдар әдетте пайдаланады параллель бірнеше қойынды, электрод жазықтығы бойынша токтың біркелкі таралуын қамтамасыз етеді. Ток электрод қабаттары арқылы қалыңдық бағытында өтеді, бұл жолды айтарлықтай қысқартады және осылайша омдық кедергіні азайтады. Жоғарыдағы разряд сценарийлерінде 5C, нәтижесінде кернеудің төмендеуінің жақсаруы ерекше айқын болады.

Екіншіден, жылуды басқару тұрғысынан алғанда, қабаттасқан құрылымның қабаттасқан орналасуы жылудың біркелкі болуына мүмкіндік береді, сонымен қатар жара жасушаларындағы қуыс өзек тудыратын жылу жинақтау аймағын жояды. Бұл біркелкі жылу таралуы жергілікті қызып кету қаупін азайтады және модуль деңгейіндегі сұйық салқындату немесе ауамен салқындату жүйесін жобалау үшін қолайлы жылу өрісінің негізін қамтамасыз етеді.

Үшіншіден, механикалық тұрақтылыққа қатысты қабаттасқан құрылымдар электродтардың майысуынан аулақ болады және кернеудің біркелкі таралуын қамтамасыз етеді.
Жоғары жылдамдықты цикл кезінде электродтың кеңеюі мен жиырылу жиілігі артады. Қабатталған конструкция кернеу концентрациясынан туындаған бөлгіш деформациясы мен микроқысқа тұйықталу қаупін азайта алады. Тәжірибелік деректер бірдей материалдық жүйеде қабатталған ұяшықтар әдетте ... көрсететінін көрсетеді. сыйымдылықты сақтау деңгейі 10%-дан астам жоғары жоғары жылдамдықты циклді сынаудағы жара жасушаларына қарағанда.

4. Энергия тығыздығы мен кеңістікті пайдаланудың жүйелік деңгейдегі маңыздылығы

Энергия сақтау жүйесін жобалауда энергия тығыздығы тек бір ұяшықтың параметрлеріне ғана емес, сонымен қатар жалпы шкаф дизайны мен жоба экономикасына да әсер етеді. Жара жасушаларының орталық қуыс өзегі сөзсіз көлемдік пайдалануды азайтады, ал қабаттасқан құрылымдар жалпақ қабаттасқан қабаттау арқылы кеңістікті толтыру тиімділігін арттырады.

Теория да, практикалық қолдану да қабаттасқан құрылымдардың шамамен нәтижеге қол жеткізе алатынын көрсетеді Көлемдік энергия тығыздығы 5%-10%-ға жоғары.

Коммерциялық және өнеркәсіптік энергия сақтау жүйелері үшін бұл жетілдіру мыналарға әкеледі:

• Жоғары кВт/м³
• Шкафтың ықшам дизайны
• Жабдық бөлмесінің кеңістігіне қойылатын талаптардың төмендеуі
• Тасымалдау және орнату шығындарының құрылымын жақсарту

Жүйелік масштаб жеткенде МВт/сағ деңгейіқұрылымдық айырмашылықтардан туындаған кеңістікті пайдаланудың жақсаруы инженерлік шығындардың айтарлықтай артықшылықтарына айналуы мүмкін.

5. Қабаттау процесінің техникалық қиындықтары және салалық үрдістер

Қабаттау процесі жабдықтың жоғары дәлдігін талап етеді, орау процесіне қарағанда өндірістік уақыт салыстырмалы түрде баяу және жабдыққа бастапқы инвестициялардың көп болуын талап етеді. Дегенмен, жетілуімен жоғары жылдамдықты қабаттау машиналары, көруді туралау жүйелері және біріктірілген кесу және қабаттау жабдықтары, оның тиімділігі айтарлықтай жақсарды. Кейбір озық жабдықтар қабаттастыру тиімділігін орау процестеріне жақындатты.

Сонымен қатар, пайда болуы құрғақ электрод технологиясы және гибридті стек-жел интеграцияланған технологиялар қабаттасқан құрылымдарға шығындар айырмашылығын біртіндеп азайта отырып, өнімділік артықшылықтарын сақтауға мүмкіндік береді.

Болашақтағы бәсекелестік енді тек қана бір-бірін жинау немесе орау мәселесі емес, керісінше, арасындағы оңтайлы тепе-теңдікті іздеу болады. өндіріс тиімділігі және өнімділігі.

6. Жасуша құрылымынан жүйелік деңгейдегі инженерлік интеграцияға дейін

Энергияны сақтау қолданбаларында жасуша құрылымын таңдау жүйелік деңгейдегі жобалаумен үйлестіріліп қарастырылуы керек.

Төмен кедергілі қабаттасқан ұяшықтар параллель кеңею сценарийлерінде жақсы жұмыс істейді, бұл кернеудің жақсырақ консистенциясын қамтамасыз етеді және BMS жұмысын жеңілдетеді. SOC бағалауы және теңгерімді бақылауСонымен қатар, олардың жылулық таралу сипаттамалары жоғары қуатты инверторлық жүйелердің жылдам зарядтау/разрядтау талаптарына жақсырақ сәйкес келеді.

Біздің модульдік энергия сақтау жүйесін жобалауда біз мынаны қабылдаймыз литий-ионды аккумулятор ерітіндісі икемді сыйымдылықты кеңейтуге және тұрақты жоғары жылдамдықты шығысқа қол жеткізу үшін жоғары өнімді ұяшық құрылымдарын интеллектуалды BMS-пен біріктіреді. Жүйе жылдам зарядтау мен разрядтауды қолдайды, ұзақ циклді қызмет ету мерзімімен және аз техникалық қызмет көрсетумен ерекшеленеді және келесілерге жарамды: коммерциялық және өнеркәсіптік энергия сақтау, фотоэлектрлік сақтау интеграциясы және жоғары қуатты резервтік қуат қолдану.

Модульдік дизайн тек бастапқы инвестициялық қысымды азайтып қана қоймай, сонымен қатар болашақта қуатты кеңейтуді ыңғайлы етеді.

7. Құрылымды таңдауға арналған инженерлік шешім қабылдау логикасы

Инженерлік тәжірибеде құрылымдық таңдау келесі өлшемдерге негізделіп жан-жақты бағалануы керек:

• Егер қолданба негізінен төмен тарифті және шығындарға сезімтал, жара құрылымы жетілу және шығын тиімділігінің артықшылықтарын ұсынады.
• Егер жүйе талап етсе жиі жоғары ток импульстары, жылдам зарядтау/разрядтау мүмкіндігі немесе ұзақ циклді қызмет ету мерзімі, қабаттасқан құрылым күшті техникалық артықшылықтарды ұсынады.
• Егер жоба жүзеге асырылса жоғары қуат тығыздығы және ықшам дизайны, қабаттасқан құрылым кеңістікті пайдалану және жылуды басқару тұрғысынан жоғары.

Жоғары жылдамдықты қолданбалардың мәні мынада қуат басымдығы емес, қуат басымдығы.
Жүйенің мақсаты қарапайым энергия сақтаудан қуатты қолдауға және динамикалық жауапқа ауысқан кезде, таңдау батарея құрылымы ішкі кедергінің төмендеуіне және біркелкіліктің жоғарылауына қарай жылжуы керек.

Құрылым - жоғары қарқын дәуіріндегі бәсекеге қабілеттілік

Оның көмегімен ток жолдары қысқарақ, жылу таралуы біркелкірек және механикалық тұрақтылығы жақсырақ, жинақталған литий батареясы жоғары жылдамдықты қолданбаларда барған сайын кеңінен қолданылуда.

Энергия сақтау жүйелерін жоспарлап отырған немесе өнімдерін жаңартатын компаниялар үшін батареяның дұрыс құрылымын таңдау тек техникалық мәселе ғана емес, сонымен қатар ұзақ мерзімді сенімділік пен жобаға салынған инвестициялардың қайтарымдылығы мәселесі болып табылады.