Val á rafhlöðuuppbyggingu fyrir hleðslu- og úthleðslusviðsmyndir með miklum hraða: Stafla eða vinding?

Stofnað árið 2002, sérhæfir sig í framleiðslu fjarskiptabúnaðar og samþættingu orkugeymslu og er traustur samstarfsaðili fjögurra helstu fjarskiptafyrirtækja Kína.

Þegar orkugeymslukerfi verður samtímis að skila mikilli afköstum, svörun á millisekúndnastigi og stöðugri notkun til langs tíma, er hönnun rafhlöðubyggingar ekki lengur bara málefni framleiðsluferlisins. Þess í stað verður hún kjarnaþáttur kerfisins sem ákvarðar innri viðnámsstýringu, skilvirkni hitastýringar og líftíma rafhlöðunnar. Sérstaklega í hleðslu-/afhleðslutilfellum þar sem... 3°C–10°C og hærra, innri frumubygging hefur bein áhrif á viðnámsdreifingu, rafefnafræðilega skautun, varmadreifingarleiðir og vélræna spennustjórnun.

Fyrir verkfræðinga sem fást við val á orkugeymslukerfum er mikilvægt að skilja grundvallarmuninn á staflaðar litíum rafhlöður og sárfrumur við háhraða rekstrarskilyrði er nauðsynlegt til að ná áreiðanlegri kerfishönnun.

Þessi grein greinir kerfisbundið tæknilega frammistöðu mismunandi rafhlöðubyggingar í háhraðaforritum frá mörgum sjónarhornum, þar á meðal straumleið, rafefnafræðilegri impedans, varmafræðilegri hegðun, byggingarálagi og samhæfni kerfa. Einnig er kannað hagnýtt verkfræðilegt gildi þeirra í raunverulegri hönnun orkugeymsluvara.

1. Rafefnafræðileg og byggingarleg tengikerfi við háhraðaskilyrði

Við lága spennu (≤1C) stafar spennutap rafhlöðunnar aðallega af innri viðnámi efnanna og jónaflutningsviðnámi rafvökvans, en áhrif byggingarmismunar eru tiltölulega takmörkuð.
Hins vegar, þegar hlutfallið fer yfir 3C, óhmsk viðnám (Rₒ), hleðsluflutningsviðnám (Rct), og styrkskautun eykst hratt og vandamálið með ójafna straumdreifingu inni í frumunni fer að koma upp.

Hægt er að tákna spennu rafhlöðunnar sem:

þar sem Rₒ er mjög í fylgni við straumleiðarlengdina í straumsafnara rafskautsins.

Í vafin uppbyggingu er straumur fluttur eftir endilöngu rafskautsplötunnar, sem leiðir til tiltölulega langrar rafeindaflutningsleiðar. Aftur á móti notar staflað uppbygging marga flipa sem eru tengdir samsíða til að skipta straumnum, sem gerir honum kleift að fara í gegnum rafskautin í þykktarátt, sem styttir flutningsfjarlægðina verulega. Við háhraða púlsútfellingu endurspeglast þessi munur á straumleið beint í spennufalli og varmamyndunarstyrk.

Verkfræðilegar prófanir sýna oft að þegar útblásturshraðinn eykst úr 1C til 5C,
Hitahækkunarkúrfan í sárfrumum hefur greinilega bratta halla en í staflaðri frumu, sem bendir til
meiri styrkur innri straumþéttleika. Þessi styrkingaráhrif hafa ekki aðeins áhrif á augnabliksáhrif
skilvirkni, en flýtir einnig fyrir niðurbroti SEI filmu og styttir þannig líftíma hennar.

2. Tæknilegir eiginleikar og takmarkanir á sárbyggingu vegna mikillar hraða

Vafningarferlið er þróuðasta tæknilega leiðin í litíumrafhlöðuiðnaðinum og hentar sérstaklega vel fyrir sívalningslaga rafhlöður og sumar prismalaga rafhlöður. Kjarnaeinkenni þess er að katóða, aðskilnaður og anóða eru stöðugt vafðar í sömu röð og ... katóðu-skiljari-anóðu-skiljari til að mynda hlauprúlluuppbyggingu.

Þessi hönnun býður upp á nokkra kosti, þar á meðal mikil framleiðsluhagkvæmni, þroskaður búnaður, stjórnanlegur kostnaður og góð samræmi.

Hins vegar, við mikla notkun, standa sárbyggingar frammi fyrir nokkrum líkamlegum takmörkunum sem erfitt er að forðast.

First, hönnun með einum flipa eða takmörkuðum flipa getur leitt til straumþéttingar. Þegar mikill straumur fer í gegnum frumuna hefur straumurinn tilhneigingu til að renna helst í gegnum svæði nálægt flipunum og mynda staðbundna heita bletti.

Í öðru lagi, nærvera a miðlægur holur kjarni dregur úr rúmmálsnýtingu, sem takmarkar svigrúm til frekari úrbóta á orkuþéttleika.

Í þriðja lagi veldur beygja rafskautsblöðanna við vindingarferlið leifar af vélrænu álagi, sem gerir það líklegra að virkt efni losni við tíðar, háhraða hringrásir.

Þó að fjölflipavöflun og forbeygjutækni geti dregið úr sumum þessara vandamála, þá leiðir innbyggða uppbyggingin samt sem áður til tiltölulega langra rafeindaflutningsleiða og gerir það erfitt að draga verulega úr innri viðnámi. Þess vegna, í forritum þar sem háafköst eru aðalmarkmiðið, eru vafðar byggingar smám saman að víkja fyrir staflaðri byggingar.

3. Byggingarlegir kostir og eðlisfræðilegur grunnur staflaðra litíumrafhlöða

Staflaðar litíum rafhlöður eru smíðaðar með því að leggja saman katóður, skiljur og anóður, eina af annarri. Helstu kostir þeirra felast í því að fínstilltar straumleiðir og jafnari dreifing álags.

Í fyrsta lagi, frá sjónarhóli núverandi dreifingar, nota staflaðar mannvirki venjulega margir flipar samtímis, sem gerir kleift að dreifa straumnum jafnari yfir rafskautsflötinn. Straumurinn fer í gegnum rafskautslögin í þykktarátt, sem styttir leiðina verulega og dregur þannig úr ómískri viðnámi. Í útblásturstilfellum sem eru að ofangreindum 5C, þá verður bati á spennufalli sem af þessu hlýst sérstaklega áberandi.

Í öðru lagi, hvað varðar hitastjórnun, gerir lagskipting staflaðrar uppbyggingar kleift að framleiða hita jafnara, en jafnframt útilokar það hitasöfnunarsvæði sem myndast af holum kjarna í vafrum. Þessi jafnari hitadreifing dregur úr hættu á staðbundinni ofhitnun og veitir hagstæðari grunn fyrir hitasvið fyrir hönnun vökvakælingar- eða loftkælikerfa á einingastigi.

Í þriðja lagi, hvað varðar vélrænan stöðugleika, forðast staflaðar mannvirki beygju rafskautsins og veita jafnari spennudreifingu.
Við háhraða hringrás eykst tíðni útvíkkunar og samdráttar rafskautanna. Staflað hönnun getur dregið úr hættu á aflögun aðskilnaðar og örskammhlaupum af völdum spennuþéttni. Tilraunagögn sýna að, undir sama efniskerfi, sýna staflaðar frumur yfirleitt Varðveisluhlutfall afkastagetu meira en 10% hærra en sárfrumur í háhraða lotuprófunum.

4. Þýðing orkuþéttleika og rýmisnýtingar á kerfisstigi

Í hönnun orkugeymslukerfa hefur orkuþéttleiki ekki aðeins áhrif á færibreytur einstakra frumna, heldur einnig á heildarhönnun skápsins og hagkvæmni verkefnisins. Miðlægur holur kjarni vafinna frumna dregur óhjákvæmilega úr rúmmálsnýtingu, en staflaðar mannvirki bæta skilvirkni rýmisfyllingar með flatlaga staflun.

Bæði kenning og hagnýt notkun benda til þess að staflaðar byggingar geti náð u.þ.b. 5%–10% hærri rúmmálsorkuþéttleiki.

Fyrir orkugeymslukerfi fyrirtækja og iðnaðar þýðir þessi framför:

• Æðri kWh/m³
• Samþjappaðari hönnun geymsluskápa
• Minni kröfur um rými í búnaðarherbergi
• Betri kostnaðaruppbygging fyrir flutninga og uppsetningu

Þegar kerfiskvarðinn nær MWh stig, þá bættu nýtingu rýmis sem hlýst af byggingarmun er hægt að breyta í verulegan ávinning af verkfræðilegum kostnaði.

5. Tæknilegar áskoranir í staflunarferlinu og þróun í greininni

Staflaferlið krefst mikillar nákvæmni í búnaði, hefur tiltölulega hægari framleiðslutíma en vinding og felur í sér hærri upphafsfjárfestingu í búnaði. Hins vegar, með þroska ... hraðvirkar staflavélar, sjónstillingarkerfi og samþættur skurðar- og staflabúnaður, skilvirkni þess hefur batnað verulega. Sum háþróuð búnaður hefur þegar fært stöflunarhagkvæmni nálægt þeirri sem er í vafningsferlum.

Að auki, tilkoma þurr rafskautstækni og blendings-stafla-vind samþætt tækni gerir stöfluðum mannvirkjum kleift að viðhalda afköstum og jafnframt minnka kostnaðarmuninn smám saman.

Framtíðarkeppni mun ekki lengur snúast einfaldlega um að stafla eða vinda, heldur frekar um leit að besta jafnvægi milli framleiðsluhagkvæmni og afköst.

6. Frá frumubyggingu til verkfræðisamþættingar á kerfisstigi

Í orkugeymsluforritum verður að íhuga val á frumubyggingu í samræmi við hönnun á kerfisstigi.

Lágviðnámsstaflaðar frumur virka betur í samsíða stækkunartilvikum, bjóða upp á betri spennujöfnuð og auðvelda BMS að virka Mat á SOC og jafnvægisstýringÁ sama tíma henta hitadreifingareiginleikar þeirra betur fyrir hraða hleðslu-/úthleðslukröfur aflmikilla inverterkerfa.

Í hönnun okkar á mátbundnu orkugeymslukerfi notum við Staflanleg litíum-jón rafhlöðulausn sem sameinar afkastamiklar frumubyggingar með snjöllu BMS til að ná fram sveigjanlegri afkastagetuaukningu og stöðugri háhraðaúttaki. Kerfið styður hraða hleðslu og útskrift, er með langan líftíma og lítið viðhald og hentar fyrir Orkugeymsla fyrir fyrirtæki og iðnað, samþætting sólarorkugeymslu og varaaflsforrit með miklum afli.

Mátunarhönnunin dregur ekki aðeins úr upphafsfjárfestingarþrýstingi heldur gerir einnig framtíðarútvíkkun afkastagetu þægilegri.

7. Verkfræðileg ákvörðunarrökfræði fyrir val á mannvirkjum

Í verkfræði ætti að meta val á burðarvirki ítarlega út frá eftirfarandi þáttum:

• Ef umsóknin er aðallega lágt verð og kostnaðarnæmt, sárbyggingin býður upp á kosti þroska og hagkvæmni.
• Ef kerfið krefst þess tíðir hástraumspúlsar, hraður hleðslu-/úthleðslugeta eða langur líftími, staflaða uppbyggingin býður upp á sterkari tæknilega kosti.
• Ef verkefnið heldur áfram mikil aflþéttleiki og þéttari hönnun, staflaða uppbyggingin er betri bæði hvað varðar nýtingu rýmis og hitastjórnun.

Kjarninn í umsóknum með háu hlutfalli er Forgangur í afli frekar en forgangur í afkastagetu.
Þegar markmið kerfisins færist frá einfaldri orkugeymslu yfir í orkustuðning og kraftmikil viðbrögð, þá er valið á rafhlöðuuppbygging verður að stefna í átt að minni innri viðnámi og meiri einsleitni.

Uppbygging er samkeppnishæfni á tímum hávaxta

Með þess styttri straumleiðir, jafnari varmadreifing og betri vélrænn stöðugleikier staflað litíum rafhlöðu er verið að nota sífellt víðar í forritum með háum hraða.

Fyrir fyrirtæki sem skipuleggja orkugeymslukerfi eða uppfæra vörur sínar er val á réttri rafhlöðuuppbyggingu ekki aðeins tæknilegt mál, heldur einnig spurning um langtímaáreiðanleika og arðsemi fjárfestingar í verkefninu.