Benergy Производитель промышленных литиевых батарей с 2009
Призматические клетки Lifepo4, цилиндрические клетки и клетки в виде пакетиков: как выбрать правильный формат клеток.
Призматические клетки, цилиндрические клетки и клетки в виде мешочков: как выбрать правильный формат клеток.
Дискуссия о трех форматах упаковки элементов питания возобновляется практически в начале каждого нового проекта по разработке батарей. Сторонники квадратных элементов отстаивают эффективность упаковки, сторонники цилиндрических — стабильность и экономичность, а сторонники пакетных — плотность энергии и гибкость формы; каждая сторона может указать на свои собственные преимущества. Но в действительности среди этих трех типов литий-ионных элементов питания нет принципиально лучшего формата; важно то, насколько хорошо каждый из них соответствует конкретным ограничениям данного применения.
1. Характеристики трех форматов клеток
Призматические (квадратные алюминиевые) ячейки Для герметизации намотанного или многослойного сердечника используется жесткий корпус из алюминиевого сплава. Сама оболочка выступает в качестве структурного элемента, способного выдерживать определенное внутреннее давление и непосредственно служить несущей балкой в модуле. Призматические ячейки выпускаются в широком ассортименте моделей с низкой степенью стандартизации — ячейки одинаковой емкости от разных производителей часто не взаимозаменяемы, что затрудняет повторное использование конструкций модулей. Кроме того, углы призматических ячеек являются зонами концентрации напряжений, и оболочка имеет тенденцию к выпячиванию при длительной циклической работе, поэтому необходимо предусмотреть зазор между корпусом и блоком сердечников для компенсации этого явления.
Цилиндрические ячейки Электроды, намотанные внутри корпуса, помещены в стальную или алюминиевую оболочку. Цилиндрическая форма равномерно распределяет напряжение и хорошо противостоит внутреннему давлению, обеспечивая наилучшую структурную прочность из трех форматов. Она также предлагает наивысшую степень стандартизации, отлаженные производственные линии и превосходную стабильность. Слабое место занимает сборка модуля: малый размер ячеек и большое количество ячеек требуют обширных монтажных кронштейнов, шин и жгутов проводов для датчиков, что увеличивает долю веса конструктивных элементов.
Пакетные ячейки заключены в алюминиевую ламинированную пленку и не имеют жесткой оболочки. Их преимущества очевидны: наименьший вес, возможность изготовления по индивидуальному заказу, чрезвычайно тонкая или даже неправильная форма, а также большая площадь теплоотвода. Однако механическая прочность является самой слабой из трех; требуется дополнительная поддержка и зажимные рамы, а также защита от проколов и сжатия острыми краями, и необходимо предусмотреть запас прочности на случай набухания при циклической нагрузке.
2. Эффективность упаковки
Эффективность упаковки измеряет, какая часть плотности энергии элемента сохраняется после двух уровней интеграции — модуля и упаковки — и остается на системном уровне. Согласно статистике по основным системам упаковки, представленным на рынке, разница между тремя форматами на уровне модуля невелика и находится в диапазоне 85–89%. Призматические клетки Примерно 89%, цилиндрические ячейки — около 87%, а ячейки типа «мешочек» — около 85%. Реальное расхождение наблюдается на системном уровне: призматические — около 70%, цилиндрические — около 65%, а ячейки типа «мешочек» — около 60%.
При традиционных модульных конструкциях, пакет и Призматические клетки Разница может составлять примерно 10 процентных пунктов. Почему формат Pouch — с самой высокой плотностью энергии на уровне ячеек — показывает наихудшие результаты на системном уровне? Потому что алюминиевая ламинированная пленка не выдерживает нагрузки, поэтому при сборке модулей необходимо добавлять зажимные рамы, изоляционные листы, охлаждающие пластины и запас на разбухание; время цикла процессов укладки и выход годной продукции при использовании алюминиевой ламинированной пленки также увеличивают стоимость.
Цилиндрические ячейки Проблемы возникают по другой причине — большое количество ячеек приводит к увеличению количества кронштейнов, шин, жгутов проводов датчиков и сварных швов. Именно поэтому технологии CTP и CTC так важны: благодаря интеграции ячеек непосредственно в блок и устранению промежуточной модульной структуры, Призматические клетки можно достичь эффективности упаковки на системном уровне выше 80%. Поэтому при выборе формата зацикливаться на плотности энергии на уровне ячейки имеет ограниченную ценность — следует обращать внимание на показатели на системном уровне.
3. Возможности регулирования скорости
Общепринятый Цилиндрические ячейки В обычных цилиндрических элементах имеется только один контакт, поэтому ток должен течь вбок вдоль электрода, чтобы достичь контакта — длинный путь с высоким сопротивлением, который также приводит к образованию горячих точек на контакте. В многоконтактных конструкциях электрод сегментируется, сокращая путь. В безконтактных конструкциях идет еще дальше, используя всю торцевую поверхность электрода в качестве проводящего канала — например, для цилиндрического элемента 4680, по данным источников, путь тока сокращается примерно на 90%, внутреннее сопротивление снижается примерно до одной пятой от сопротивления обычных цилиндрических элементов, пиковая мощность в несколько раз превышает мощность стандартных элементов 2170, а повышение температуры во время быстрой зарядки снижается на 15–20 °C.
Призматические клетки Как правило, в них используются многослойные электроды или многоконтактная обмотка, поэтому их внутреннее сопротивление по своей природе низкое, а скоростные характеристики находятся в числе лучших из трех; многослойные структуры также более равномерно распределяют ток.
Обычно выводы элементов в пакетных элементах расположены с одной стороны, что обеспечивает относительно длинный путь прохождения тока и производительность на среднем уровне; крупноформатные пакетные элементы также могут страдать от неравномерной внутренней плотности тока. Это дает четкое эмпирическое правило выбора: если продукт предъявляет жесткие требования к непрерывной высокой мощности или сверхбыстрой зарядке, отдавайте приоритет призматическим многослойным элементам или крупноформатным табличным элементам. Цилиндрические ячейки .
4. Характеристики терморегулирования
Цилиндрические ячейки Они обладают высоким соотношением площади поверхности к объему, а зазоры, которые естественным образом образуются между ячейками, подходят как для воздушного охлаждения, так и для жидкостного охлаждения на основе каналов, что способствует пассивному рассеиванию тепла; однако равномерность распределения температуры в значительной степени зависит от конструкции зазоров — слишком малые зазоры препятствуют потоку воздуха, а слишком большие зазоры снижают эффективность упаковки.
Большие плоские грани Призматические клетки Они могут быть непосредственно соединены с пластинами жидкостного охлаждения или теплопроводящими ребрами, что обеспечивает низкое контактное тепловое сопротивление и делает интеграцию системы управления тепловым режимом относительно простой; сложность заключается в большой тепловой массе элемента и разности температур между основным блоком и поверхностью оболочки, что ухудшает равномерность в условиях быстрой зарядки.
Обе большие грани ячеек Pouch служат поверхностями теплообмена, обеспечивая наибольшую площадь теплопередачи и подходя для двухстороннего жидкостного охлаждения или даже иммерсионного охлаждения; проблема заключается в неравномерной плотности тока и распределении старения внутри крупноформатных ячеек Pouch, что требует моделирования температурного поля в сочетании с конструкцией зажима с равномерным давлением.
5. Термозащита
Основной поток Цилиндрические ячейки Они обладают меньшей суммарной энергией, чем другие форматы (например, около 4–5 Ач для 2170 и около 20–30 Ач для 4680), поэтому энергия, выделяемая при тепловом разгоне, ограничена; в сочетании с зазорами между ячейками, где могут размещаться теплоизоляционные материалы, распространение тепла между ячейками относительно легко блокировать. Вентиляционное отверстие CID/PTC на крышке также может обеспечивать направленный сброс давления. Скрытый риск на уровне модуля и системы заключается в большом количестве ячеек и точек соединения, что повышает вероятность отказа основания.
Основной поток Призматические клетки Имеются большие емкости (например, крупные элементы емкостью 314 Ач, используемые в системах хранения энергии), поэтому отдельный элемент выделяет большое количество энергии при тепловом разгоне; блокировка должна производиться на уровне модуля с помощью слюдяных листов и теплоотводящих прокладок, направленная вентиляция должна осуществляться через вентиляционное отверстие в верхней крышке, а для обеспечения безопасности системы требуется дополнительная противопожарная защита на системном уровне.
Обычно при перезарядке или перегреве ячейки в пакетах сначала разбухают и выпускают газы, а не разрываются мгновенно, поэтому режим отказа относительно безобиден; однако алюминиевая ламинированная пленка уязвима к проколам и сжатию острыми краями, поэтому механическая защита и структурная поддержка должны быть надежными. Важно подчеркнуть: безопасность зависит не только от упаковки. Химический состав (присущая LFP термическая стабильность превосходит высоконикелевую NCM), однородность ячеек, надежность сварных швов, конструкция системы терморегулирования, стратегия BMS и заводская сортировка совместно определяют результат. Различия между химическими составами в одной и той же упаковке могут быть больше, чем различия между упаковками с одним и тем же химическим составом.
Вкратце: три варианта упаковки по сути представляют собой три разных «способа восприятия нагрузки»: Призматические клетки пусть оболочка несёт в себе несущую конструкцию. Цилиндрические ячейки Пусть форма распределяет давление, а ячейки Pouch передают всю структурную ответственность внешнему проектированию. Для разработчиков систем нет универсального формата — есть только выбор, соответствующий ограничениям продукта.
www.benergytech.com