Aku struktuuri valik kiire laadimise ja tühjenemise stsenaariumide jaoks: virnastamine või mähis?

Asutatud 2002. aastal, spetsialiseerub sideseadmete tootmisele ja energia salvestamise integreerimisele ning on Hiina nelja suurima telekommunikatsioonioperaatori usaldusväärne partner.

Kui energiasalvestussüsteem peab samaaegselt pakkuma suurt võimsust, millisekundilist reageerimisaega ja pikaajalist stabiilset töövõimet, ei ole aku konstruktsiooniline disain enam pelgalt tootmisprotsessi küsimus. Selle asemel saab sellest süsteemi põhiparameeter, mis määrab sisemise takistuse juhtimise, soojushalduse efektiivsuse ja tsükli eluea. Eriti laadimis-/tühjendusstsenaariumides 3C–10C ja kõrgem, mõjutab sisemine raku struktuur otseselt takistuse jaotust, elektrokeemilist polarisatsiooni, soojuse difusiooni teid ja mehaanilise pinge juhtimist.

Energiasalvestussüsteemide valikuga tegelevate inseneride jaoks on oluline mõista põhimõttelisi erinevusi virnastatud liitiumakud ja haavarakud suure kiirusega töötingimustes on usaldusväärse süsteemi konstruktsiooni saavutamiseks hädavajalik.

See artikkel analüüsib süstemaatiliselt erinevate seadmete tehnilist jõudlust. aku struktuurid suure kiirusega rakendustes mitmest vaatenurgast, sealhulgas voolutee, elektrokeemiline impedants, termodünaamiline käitumine, konstruktsiooniline pinge ja süsteemi integreerimise ühilduvus. Samuti uuritakse nende praktilist inseneriväärtust reaalse energia salvestamise toodete disainimisel.

1. Elektrokeemiliste-struktuuriliste sidestusmehhanismide toimimine suure kiiruse tingimustes

Madala pinge korral (≤1 °C) tuleneb aku pingekadu peamiselt materjalide sisemisest takistusest ja elektrolüüdi ioontranspordi takistusest, samas kui struktuuriliste erinevuste mõju on suhteliselt piiratud.
Kui aga määr ületab 3C, oomiline takistus (Rₒ), laenguülekande takistus (Rct) ja kontsentratsiooni polarisatsioon suureneb kiiresti ning hakkab tekkima ebaühtlase voolujaotuse probleem rakus.

Aku klemmide pinget saab väljendada järgmiselt:

kus Rₒ on tugevas korrelatsioonis elektroodi voolukollektoris oleva voolutee pikkusega.

Keritud struktuuris kandub vool mööda elektroodilehe pikkust, mille tulemuseks on suhteliselt pikk elektronide transporditee. Seevastu virnastatud struktuur kasutab voolu jagamiseks mitut paralleelselt ühendatud sakki, mis võimaldavad sellel läbida elektroode paksuse suunas, lühendades oluliselt elektronide transporditeekonda. Kiire impulsslahenduse korral kajastub see voolutee erinevus otseselt pingelangus ja soojuse tekkimise intensiivsuses.

Insenerikatsed näitavad sageli, et kui tühjenemiskiirus suureneb 1C - 5C,
Haavatud rakkude temperatuuri tõusukõveral on märgatavalt järsem kalle kui virnastatud rakkudel, mis näitab a
sisemise voolutiheduse märgatavam kontsentratsioon. See kontsentratsiooniefekt ei mõjuta mitte ainult hetkelist
efektiivsust, aga kiirendab ka SEI-kile lagunemist, lühendades seeläbi tsükli eluiga.

2. Haava struktuuri tehnilised omadused ja kiire leviku piirangud

Mähimisprotsess on liitiumakude tööstuses kõige küpsem tehnoloogiline meetod ning sobib eriti hästi silindriliste ja mõnede prismakujuliste elementide jaoks. Selle põhiomadus on see, et katood, separaator ja anood on pidevalt mähitud järjestikku katood–separaator–anood–separaator želee-rullstruktuuri moodustamiseks.

See disain pakub mitmeid eeliseid, sealhulgas kõrge tootmistõhusus, küpsed seadmed, kontrollitavad kulud ja hea järjepidevus.

Suure kiirusega rakenduste korral seisavad haavastruktuurid aga silmitsi mitmete füüsiliste piirangutega, mida on raske vältida.

Esiteks ühe sakiga või piiratud sakkidega kujundused võib viia voolu kontsentreerumiseni. Kui rakku läbib suur vool, kipub see eelistatavalt voolama läbi sakkide lähedal asuvate piirkondade, luues lokaalseid kuumi kohti.

Teiseks, a olemasolu keskne õõnes südamik vähendab mahulist kasutamist, piirates ruumi energiatiheduse edasiseks parandamiseks.

Kolmandaks, elektroodilehtede painutamine mähise ajal tekitab jääkmehaaniline pinge, mis muudab aktiivse materjali eraldumise sagedase suure kiirusega tsüklite ajal tõenäolisemaks.

Kuigi mitme sakiga mähise ja eelpainutustehnoloogiad võivad mõnda neist probleemidest leevendada, põhjustab loomupärane struktuur siiski suhteliselt pikki elektronide transporditeid ja raskendab sisemise takistuse olulist vähendamist. Seetõttu rakendustes, kus peamine eesmärk on kiire jõudlus, annavad mähitud struktuurid järk-järgult teed virnastatud struktuuridele.

3. Virnastatud liitiumakude struktuurilised eelised ja füüsiline alus

Virnastatud liitiumakud on konstrueeritud katoodide, separaatorite ja anoodide ükshaaval kihistamise teel. Nende peamised eelised seisnevad selles, et optimeeritud vooluteed ja ühtlasem pingejaotus.

Esiteks, voolujaotuse seisukohast kasutavad virnastatud struktuurid tavaliselt mitu vahelehte paralleelselt, mis võimaldab ühtlasemat voolujaotust elektroodi tasapinnal. Vool läbib elektroodikihte paksuse suunas, lühendades oluliselt teed ja vähendades seeläbi oomilist takistust. Ülaltoodud tühjenemisstsenaariumides 5C, muutub pingelanguse paranemine eriti märgatavaks.

Teiseks, termilise haldamise seisukohast võimaldab virnastatud struktuuri kihiline paigutus ühtlasemat soojuse teket, kõrvaldades samal ajal ka õõnessüdamiku põhjustatud soojuse akumuleerumistsooni mähitud rakkudes. See ühtlasem termiline jaotus vähendab lokaalse ülekuumenemise ohtu ja loob soodsama termilise välja aluse moodulitasemel vedelikjahutus- või õhkjahutussüsteemide disainimiseks.

Kolmandaks, mehaanilise stabiilsuse osas väldivad virnastatud struktuurid elektroodide painutamist ja tagavad ühtlasema pingejaotuse.
Kiire tsüklilise tsükli ajal suureneb elektroodide paisumise ja kokkutõmbumise sagedus. Virnastatud disain võib vähendada pingekontsentratsioonist tingitud separaatori deformatsiooni ja mikrolühiste ohtu. Eksperimentaalsed andmed näitavad, et sama materjalisüsteemi korral on virnastatud elementidel tavaliselt mahutavuse säilitamise määr on üle 10% kõrgem kui haavatud rakud kõrge tsükliga testimisel.

4. Energiatiheduse ja ruumikasutuse olulisus süsteemi tasandil

Energiasalvestussüsteemide projekteerimisel mõjutab energiatihedus mitte ainult üksiku elemendi parameetreid, vaid ka üldist kapi konstruktsiooni ja projekti ökonoomsust. Keritud elementide keskne õõnes südamik vähendab paratamatult mahu kasutamist, samas kui virnastatud struktuurid parandavad ruumi täitmise efektiivsust tasapinnalise virnastamise kaudu.

Nii teooria kui ka praktiline rakendus näitavad, et virnastatud struktuuridega saab saavutada ligikaudu 5–10% suurem volumetriline energiatihedus.

Äri- ja tööstuslike energiasalvestussüsteemide puhul tähendab see täiustus järgmist:

• Kõrgem kWh/m³
• Kompaktsem hoiukapi disain
• Väiksem seadmete ruumi vajadus
• Parem transpordi- ja paigalduskulude struktuur

Kui süsteemi ulatus jõuab MWh tase, saab konstruktsiooniliste erinevuste abil saavutatud ruumikasutuse paranemise muuta märkimisväärseks insenerikulude eeliseks.

5. Virnastamisprotsessi tehnilised väljakutsed ja valdkonna trendid

Virnastamisprotsess nõuab seadmetelt suurt täpsust, selle tootmistaktiaeg on suhteliselt aeglasem kui kerimisprotsessil ja see hõlmab suuremat algset investeeringut seadmetesse. Kuid koos küpsemisega kiired virnastusmasinad, nägemise joondussüsteemid ja integreeritud lõike- ja virnastusseadmed, on selle efektiivsus oluliselt paranenud. Mõned täiustatud seadmed on juba viinud virnastamise efektiivsuse mähimisprotsesside omale lähedale.

Lisaks sellele tekkis kuivelektroodide tehnoloogia ja hübriidsed tuuleturbiini integreeritud tehnoloogiad võimaldab virnastatud struktuuridel säilitada jõudluse eeliseid, vähendades samal ajal järk-järgult kulude erinevust.

Tulevane konkurents ei seisne enam pelgalt virnastamises ja kerimises, vaid pigem optimaalse tasakaalu otsimises tootmise efektiivsus ja jõudlus.

6. Rakustruktuurist süsteemitasemel inseneriintegratsioonini

Energia salvestamise rakendustes tuleb elemendi struktuuri valikut arvestada kooskõlas süsteemi tasemel disainiga.

Madala takistusega virnastatud elemendid toimivad paremini paralleelse laiendamise stsenaariumides, pakkudes paremat pinge järjepidevust ja lihtsustades BMS-i toimimist. SOC hindamine ja tasakaalustamise kontrollSamal ajal sobivad nende soojusjaotuse omadused paremini suure võimsusega invertersüsteemide kiire laadimise/tühjendamise vajadustega.

Meie modulaarse energiasalvestussüsteemi disainis kasutame a-d virnastatav liitiumioonaku lahendus mis ühendab suure jõudlusega rakustruktuurid intelligentse BMS-iga, et saavutada paindlik võimsuse laiendamine ja stabiilne suur väljundvõimsus. Süsteem toetab kiiret laadimist ja tühjendamist, on pika eluea ja vähese hooldusega ning sobib... äri- ja tööstuslik energia salvestamine, PV-salvestuse integreerimine ja suure võimsusega varutoite rakendused.

Modulaarne disain mitte ainult ei vähenda esialgset investeerimissurvet, vaid muudab ka tulevase võimsuse laiendamise mugavamaks.

7. Konstruktsiooni valiku tehniline otsustusloogika

Inseneripraktikas tuleks konstruktsioonivalikut põhjalikult hinnata järgmiste mõõtmete põhjal:

• Kui taotlus on peamiselt madala intressimääraga ja kulutundlik, pakub haavastruktuuri eeliseid küpsuse ja kulutõhususe näol.
• Kui süsteem nõuab sagedased suure voolutugevusega impulsid, kiire laadimise/tühjendamise võimalus või pikk elutsükkel, pakub virnastatud struktuur tugevamaid tehnilisi eeliseid.
• Kui projekt jätkab suur võimsustihedus ja kompaktsem disain, on virnastatud struktuur parem nii ruumikasutuse kui ka soojushalduse osas.

Suure kiirusega rakenduste olemus on võimsuse prioriteet, mitte võimsuse prioriteet.
Kui süsteemi eesmärk nihkub lihtsast energia salvestamisest energiatoele ja dünaamilisele reageerimisele, siis valik aku struktuur peab liikuma väiksema sisetakistuse ja suurema ühtluse suunas.

Struktuur on konkurentsivõime kõrge intressimääraga ajastul

Oma lühemad vooluteed, ühtlasem soojusjaotus ja parem mehaaniline stabiilsus, virnastatud liitiumaku kasutatakse üha laialdasemalt suure kiirusega rakendustes.

Ettevõtete jaoks, kes planeerivad energiasalvestussüsteeme või uuendavad oma tooteid, ei ole õige akustruktuuri valimine mitte ainult tehniline küsimus, vaid ka pikaajalise töökindluse ja projekti investeeringutasuvuse küsimus.