Жогорку ылдамдыктагы кубаттоо жана разряддоо сценарийлери үчүн батареянын түзүлүшүн тандоо: үймөктөөбү же орообу?

2002-жылы негизделген, байланыш жабдууларын өндүрүү жана энергия сактоо интеграциясына адистешкен жана Кытайдын төрт ири телекоммуникация операторунун ишенимдүү өнөктөшү.

Энергия сактоо системасы бир эле учурда жогорку кубаттуулукту, миллисекунддук деңгээлдеги жоопту жана узак мөөнөттүү туруктуу иштөөнү камсыз кылышы керек болгондо, батареянын структуралык дизайны мындан ары жөн гана өндүрүш процессинин маселеси эмес. Тескерисинче, ал ички каршылыкты башкарууну, жылуулукту башкаруунун натыйжалуулугун жана циклдин иштөө мөөнөтүн аныктоочу негизги система параметрине айланат. Айрыкча, заряддоо/разряддоо сценарийлеринде 3C–10C жана андан жогору, ички клетка түзүлүшү каршылыктын бөлүштүрүлүшүнө, электрохимиялык поляризацияга, жылуулуктун диффузия жолдоруна жана механикалык стрессти башкарууга түздөн-түз таасир этет.

Энергия сактоо системасын тандоо менен алектенген инженерлер үчүн, алардын ортосундагы негизги айырмачылыктарды түшүнүү тизилген литий батарейкалар жана жараат клеткалары жогорку ылдамдыктагы иштөө шарттарында ишенимдүү системаны долбоорлоо үчүн абдан маанилүү.

Бул макалада ар кандай техникалык көрсөткүчтөр системалуу түрдө талданат батареянын түзүлүштөрү токтун траекториясы, электрохимиялык импеданс, термодинамикалык жүрүм-турум, структуралык чыңалуу жана системанын интеграциясынын шайкештиги сыяктуу бир нече көз караштан алганда жогорку ылдамдыктагы колдонмолордо. Ошондой эле, ал алардын реалдуу дүйнөдөгү энергия сактоочу продуктуларды долбоорлоодогу практикалык инженердик баалуулугун изилдейт.

1. Жогорку ылдамдыктагы шарттардагы электрохимиялык-структуралык байланыш механизмдери

Төмөнкү ылдамдыктагы шарттарда (≤1C), батареянын чыңалуусу негизинен материалдардын ички каршылыгынан жана электролиттин иондук ташуу каршылыгынан келип чыгат, ал эми структуралык айырмачылыктардын таасири салыштырмалуу чектелүү.
Бирок, тариф ашып кеткенден кийин 3C, омдук каршылык (Rₒ), заряддын өткөрүлүшүнө каршылык (Rct) жана концентрациянын поляризациясы тездик менен жогорулайт жана клетканын ичинде токтун бирдей эмес бөлүштүрүлүшү көйгөйү пайда боло баштайт.

Батареянын терминалдык чыңалуусун төмөнкүдөй түрдө көрсөтүүгө болот:

кайда Rₒ электрод ток чогулткучундагы ток жолунун узундугу менен жогорку деңгээлде корреляцияланат.

Оролгон конструкцияда ток электрод баракчасынын узундугу боюнча өткөрүлөт, натыйжада электрондордун ташуу жолу салыштырмалуу узун болот. Ал эми, кабатталган конструкция токту бөлүү үчүн параллель туташтырылган бир нече өтмөктөрдү колдонот, бул анын электроддор аркылуу калыңдык багытында өтүшүнө мүмкүндүк берет, бул электрондордун ташуу аралыгын бир топ кыскартат. Жогорку ылдамдыктагы импульстук разрядда ток жолундагы бул айырма чыңалуунун төмөндөшүнө жана жылуулуктун пайда болуу интенсивдүүлүгүнө түздөн-түз чагылдырылат.

Инженердик сыноолор көбүнчө разряд ылдамдыгы жогорулаганда көрсөтүлөт 1C үчүн 5C,
жараат алган клеткалардын температуранын жогорулоо ийри сызыгы кабатталган клеткаларга караганда бир кыйла тик жантайыңкы, бул ... көрсөтүп турат
ички токтун тыгыздыгынын айкыныраак концентрациясы. Бул концентрация эффектиси заматта гана таасир этпейт
натыйжалуулукту жогорулатат, бирок ошол эле учурда SEI пленкасынын бузулушун тездетет, ошону менен циклдин иштөө мөөнөтүн кыскартат.

2. Жараат түзүлүшүнүн техникалык мүнөздөмөлөрү жана жогорку ылдамдыктагы чектөөлөрү

Ороо процесси литий батареясы тармагындагы эң өнүккөн технологиялык жол болуп саналат жана цилиндр формасындагы элементтерге жана кээ бир призмалык элементтерге өзгөчө ылайыктуу. Анын негизги өзгөчөлүгү - катод, сепаратор жана анод үзгүлтүксүз ... катары менен оролуп турат. катод-бөлгүч-анод-бөлгүч желе-ролл түзүлүшүн түзүү үчүн.

Бул дизайн бир катар артыкчылыктарды сунуштайт, анын ичинде жогорку өндүрүштүк натыйжалуулук, жетилген жабдуулар, башкарылуучу баа жана жакшы ырааттуулук.

Бирок, жогорку ылдамдыктагы колдонмолордо, жараат конструкциялары бир катар физикалык чектөөлөргө туш болот, алардан качуу кыйын.

Алгачкы, бир өтмөктүү же чектелген өтмөктүү дизайндар токтун концентрациясына алып келиши мүмкүн. Жогорку ток клетка аркылуу өткөндө, ток өтмөктөрдүн жанындагы аймактар ​​​​аркылуу агып, локалдашкан ысык чекиттерди жаратат.

Экинчиден, а борбордук көңдөй өзөк көлөмдүк пайдаланууну азайтат, энергия тыгыздыгын андан ары жакшыртуу үчүн орунду чектейт.

Үчүнчүдөн, ороо процессинде электрод барактарынын ийилиши төмөнкүлөрдү киргизет калдык механикалык стресс, бул тез-тез жогорку ылдамдыктагы цикл учурунда активдүү заттардын төгүлүшүн ыктымалдуураак кылат.

Көп өтмөктүү ороо жана алдын ала ийүү технологиялары бул көйгөйлөрдүн айрымдарын жеңилдетсе да, ички түзүлүшү электрондордун салыштырмалуу узун ташуу жолдоруна алып келет жана ички каршылыкты бир кыйла төмөндөтүүнү кыйындатат. Ошондуктан, жогорку ылдамдыктагы иштөө негизги максат болгон колдонмолордо, ороочу түзүлүштөр акырындык менен кабатталган түзүлүштөргө жол берип жатышат.

3. Катмарланган литий батареяларынын структуралык артыкчылыктары жана физикалык негизи

Үйүлгөн литий батарейкалары катоддорду, сепараторлорду жана аноддорду бирден катмарлап куруу жолу менен курулат. Алардын негизги артыкчылыктары төмөнкүлөрдө жатат оптималдаштырылган учурдагы жолдор жана стресстин бирдей бөлүштүрүлүшү.

Биринчиден, учурдагы бөлүштүрүүнүн көз карашынан алганда, кабатталган структуралар адатта төмөнкүлөрдү колдонушат бир нече өтмөктөрдү параллелдүү түрдө, электрод тегиздиги боюнча токтун бирдей бөлүштүрүлүшүн камсыз кылат. Ток электрод катмарлары аркылуу калыңдык багытында өтүп, жолду бир кыйла кыскартат жана ошону менен омдук каршылыкты азайтат. Жогорудагы разряд сценарийлеринде 5C, натыйжада чыңалуунун төмөндөшүнүн жакшырышы өзгөчө байкалат.

Экинчиден, жылуулукту башкаруу жагынан алганда, кабатталган структуранын катмарлуу жайгашуусу жылуулуктун бир калыпта пайда болушуна мүмкүндүк берет, ошол эле учурда жараат клеткаларындагы көңдөй өзөктөн келип чыккан жылуулук топтоо зонасын жок кылат. Мындай бир калыптагы жылуулук бөлүштүрүү жергиликтүү ысып кетүү коркунучун азайтат жана модулдук деңгээлдеги суюктук менен муздатуу же аба менен муздатуу системасын долбоорлоо үчүн жагымдуу жылуулук талаасынын негизин түзөт.

Үчүнчүдөн, механикалык туруктуулукка келсек, кабатталган конструкциялар электроддордун ийилишинен сактайт жана чыңалуунун бир калыпта бөлүштүрүлүшүн камсыз кылат.
Жогорку ылдамдыктагы цикл учурунда электроддун кеңейүү жана жыйрылуу жыштыгы жогорулайт. Үстөлдүү конструкция чыңалуу концентрациясынан улам бөлгүчтүн деформациясынын жана микрокыска туташуулардын коркунучун азайта алат. Эксперименталдык маалыматтар көрсөткөндөй, бир эле материалдык системада үстөлдүү клеткалар, адатта, төмөнкүлөрдү көрсөтөт кубаттуулукту сактоо көрсөткүчү 10% дан жогору жогорку ылдамдыктагы циклдик сыноодогу жараат клеткаларына караганда.

4. Энергиянын тыгыздыгынын жана мейкиндикти пайдалануусунун системалык деңгээлдеги мааниси

Энергия сактоо системасын долбоорлоодо энергиянын тыгыздыгы бир гана клетканын параметрлерине эмес, ошондой эле жалпы шкафтын дизайнына жана долбоордун экономикасына таасир этет. Жаракат клеткаларынын борбордук көңдөй өзөгү сөзсүз түрдө көлөмдүк пайдаланууну азайтат, ал эми кабатталган структуралар жалпак катмарлуу кабаттоо аркылуу мейкиндикти толтуруу натыйжалуулугун жогорулатат.

Теория да, практикалык колдонуу да кабатталган структуралар болжол менен жетише аларын көрсөтүп турат 5%–10% жогору көлөмдүк энергия тыгыздыгы.

Коммерциялык жана өнөр жайлык энергия сактоо системалары үчүн бул жакшыртуу төмөнкүлөргө тиешелүү:

• жогорку кВтс/м³
• Компакттуу сактоочу шкафтын дизайны
• Жабдуулар бөлмөсүнүн мейкиндигине төмөнкү талаптар
• Ташуу жана орнотуу чыгымдарынын жакшыраак түзүлүшү

Системанын масштабы жеткенде МВт/саат деңгээли, структуралык айырмачылыктардан улам келип чыккан мейкиндикти пайдалануудагы жакшыруу инженердик чыгымдардын олуттуу артыкчылыктарына айландырылышы мүмкүн.

5. Үстөктөө процессинин техникалык кыйынчылыктары жана тармактык тенденциялар

Үстөмөлөө процесси жабдуулардын жогорку тактыгын талап кылат, ороого караганда өндүрүш убактысы салыштырмалуу жайыраак жана жабдууларга баштапкы инвестицияларды көп талап кылат. Бирок, жетилгендик менен жогорку ылдамдыктагы үймөктөөчү машиналар, визуалдык тегиздөө системалары жана интеграцияланган кесүү жана үймөктөөчү жабдуулар, анын натыйжалуулугу бир топ жакшырды. Айрым өркүндөтүлгөн жабдуулар үймөктөөнүн натыйжалуулугун ороо процесстеринин натыйжалуулугуна жакындатты.

Мындан тышкары, пайда болушу кургак электрод технологиясы жана гибриддик стек-шамал интеграцияланган технологиялар кабатталган структураларга чыгымдардын ортосундагы ажырымды акырындык менен кыскартуу менен бирге иштөө артыкчылыктарын сактоого мүмкүндүк берет.

Келечектеги атаандаштык жөн гана бири-биринен өйдө же ылдый түшүү маселеси болбой, тескерисинче, ортосундагы оптималдуу тең салмактуулукту издөө болуп калат. өндүрүштүн натыйжалуулугу жана көрсөткүчтөрү.

6. Клетканын түзүлүшүнөн система деңгээлиндеги инженердик интеграцияга чейин

Энергияны сактоо колдонмолорунда клетканын түзүлүшүн тандоо система деңгээлиндеги долбоорлоо менен бирге каралышы керек.

Төмөн каршылыктуу үймөктөлгөн клеткалар параллелдүү кеңейүү сценарийлеринде жакшыраак иштешет, бул чыңалуу консистенциясын жакшыртат жана BMSтин иштешин жеңилдетет. SOC баалоо жана баланстоону көзөмөлдөөОшол эле учурда, алардын жылуулук бөлүштүрүү мүнөздөмөлөрү жогорку кубаттуулуктагы инвертор системаларынын тез заряддоо/разряддоо талаптарына жакшыраак ылайыктуу.

Биздин модулдук энергия сактоо системасынын дизайнында биз төмөнкүлөрдү кабыл алабыз литий-иондук батареянын үймөктүү чечими ийкемдүү кубаттуулукту кеңейтүүгө жана туруктуу жогорку ылдамдыктагы чыгарууга жетүү үчүн жогорку өндүрүмдүү клетка структураларын акылдуу BMS менен айкалыштырат. Система тез заряддоону жана разряддоону колдойт, узак циклдик иштөө мөөнөтү жана аз тейлөө менен мүнөздөлөт жана төмөнкүлөр үчүн ылайыктуу коммерциялык жана өнөр жайлык энергия сактоо, күн энергиясын сактоочу интеграция жана жогорку кубаттуулуктагы резервдик кубаттуулукту колдонуу.

Модулдук дизайн алдын ала инвестициялык басымды азайтып гана тим болбостон, келечектеги кубаттуулукту кеңейтүүнү да ыңгайлуураак кылат.

7. Түзүлүштү тандоо үчүн инженердик чечим кабыл алуу логикасы

Инженердик практикада структуралык тандоо төмөнкү өлчөмдөргө негизделип, ар тараптуу бааланышы керек:

• Эгерде тиркеме негизинен төмөн баадагы жана чыгымдарга сезгич, жарааттын түзүлүшү жетилгендиктин жана чыгымдардын натыйжалуулугунун артыкчылыктарын сунуштайт.
• Эгерде система талап кылса тез-тез жогорку ток импульстары, тез заряддоо/разряддоо мүмкүнчүлүгү же узак циклдүү иштөө мөөнөтү, кабатталган түзүлүш күчтүү техникалык артыкчылыктарды сунуштайт.
• Эгерде долбоор улана берсе жогорку кубаттуулук тыгыздыгы жана компакттуураак дизайн, кабатталган түзүлүш мейкиндикти пайдалануу жана жылуулукту башкаруу жагынан жогору турат.

Жогорку ылдамдыктагы тиркемелердин маңызы төмөнкүлөрдө кубаттуулуктун артыкчылыгына караганда кубаттуулуктун артыкчылыгы.
Системанын максаты жөнөкөй энергия сактоодон кубаттуулукту колдоого жана динамикалык жооп берүүгө өткөндө, тандоосу батареянын түзүлүшү ички каршылыктын төмөндөшүнө жана бир калыптуулуктун жогорулашына карай жылышы керек.

Жогорку ылдамдыктагы доордо структура атаандаштыкка жөндөмдүүлүк болуп саналат

менен ток жолдору кыскараак, жылуулук бөлүштүрүү бирдей жана механикалык туруктуулук жакшыраак, тизилген литий батарея жогорку ылдамдыктагы колдонмолордо барган сайын кеңири колдонулуп жатат.

Энергия сактоо системаларын пландаштырып жаткан же продукцияларын жаңыртып жаткан компаниялар үчүн батареянын туура түзүлүшүн тандоо техникалык маселе гана эмес, ошондой эле узак мөөнөттүү ишенимдүүлүк жана долбоорго инвестициянын кайтарымдуулугу маселеси болуп саналат.