Uchaguzi wa Muundo wa Betri kwa Matukio ya Kiwango cha Juu cha Kuchaji na Kutoa Chaji: Kurundika au Kuzungusha?

Ilianzishwa mwaka wa 2002, ikibobea katika utengenezaji wa vifaa vya mawasiliano na ujumuishaji wa uhifadhi wa nishati, na mshirika anayeaminika wa waendeshaji wanne wakuu wa mawasiliano wa China.

Wakati mfumo wa kuhifadhi nishati lazima utoe nguvu nyingi, mwitikio wa kiwango cha milisekunde, na uendeshaji thabiti wa muda mrefu, muundo wa kimuundo wa betri si suala la mchakato wa utengenezaji tu. Badala yake, unakuwa kigezo kikuu cha mfumo kinachoamua udhibiti wa upinzani wa ndani, ufanisi wa usimamizi wa joto, na maisha ya mzunguko. Hasa katika hali za kuchaji/kutoa umeme za 3C–10C na zaidi, muundo wa ndani wa seli huathiri moja kwa moja usambazaji wa upinzani, upolainishaji wa kielektroniki, njia za uenezaji wa joto, na usimamizi wa msongo wa mawazo wa kiufundi.

Kwa wahandisi wanaohusika katika uteuzi wa mifumo ya kuhifadhi nishati, kuelewa tofauti za msingi kati ya betri za lithiamu zilizopangwa na seli za jeraha chini ya hali ya juu ya uendeshaji ni muhimu kwa ajili ya kufikia muundo wa mfumo unaoaminika.

Makala haya yanachambua kimfumo utendaji wa kiufundi wa tofauti miundo ya betri katika matumizi ya kiwango cha juu kutoka mitazamo mingi, ikiwa ni pamoja na njia ya sasa, uzuiaji wa kielektroniki, tabia ya thermodynamic, mkazo wa kimuundo, na utangamano wa ujumuishaji wa mfumo. Pia inachunguza thamani yao ya uhandisi wa vitendo katika muundo wa bidhaa za uhifadhi wa nishati katika ulimwengu halisi.

1. Mifumo ya Kuunganisha Kielektroniki-Kimuundo Chini ya Hali za Kiwango cha Juu

Chini ya hali ya kiwango cha chini (≤1C), upotevu wa volteji ya betri hutokana hasa na upinzani wa ndani wa vifaa na upinzani wa usafiri wa ioni wa elektroliti, huku athari ya tofauti za kimuundo ikiwa ndogo.
Hata hivyo, mara tu kiwango kinapozidi 3Cupinzani wa ohmic (Rₒ), upinzani wa uhamishaji wa chaji (Rct), na upolarishaji wa mkusanyiko huongezeka kwa kasi, na tatizo la usambazaji usio sawa wa mkondo ndani ya seli huanza kujitokeza.

Volti ya mwisho ya betri inaweza kuonyeshwa kama ifuatavyo:

ambapo Rₒ ina uhusiano mkubwa na urefu wa njia ya mkondo katika kikusanyaji cha mkondo wa elektrodi.

Katika muundo wa jeraha, mkondo hupitishwa kando ya urefu wa karatasi ya elektrodi, na kusababisha njia ndefu ya usafirishaji wa elektroni. Kwa upande mwingine, muundo uliorundikwa hutumia tabo nyingi zilizounganishwa sambamba ili kugawanya mkondo, na kuuruhusu kupita kwenye elektrodi katika mwelekeo wa unene, na kufupisha kwa kiasi kikubwa umbali wa usafirishaji wa elektroni. Chini ya kutokwa kwa mapigo ya kiwango cha juu, tofauti hii katika njia ya mkondo inaonyeshwa moja kwa moja katika kushuka kwa volteji na kiwango cha uzalishaji wa joto.

Vipimo vya uhandisi mara nyingi huonyesha kwamba wakati kiwango cha kutokwa kinaongezeka kutoka 1C kwa 5C,
Mkunjo wa kupanda kwa joto wa seli za jeraha una mteremko mkali zaidi kuliko ule wa seli zilizorundikwa, ikionyesha
Mkusanyiko ulio wazi zaidi wa msongamano wa ndani wa mkondo wa ndani. Athari hii ya mkusanyiko haiathiri tu papo hapo
ufanisi, lakini pia huharakisha uharibifu wa filamu ya SEI, na hivyo kupunguza maisha ya mzunguko.

2. Sifa za Kiufundi na Mapungufu ya Kiwango cha Juu ya Muundo wa Jeraha

Mchakato wa kuzungusha ni njia ya kiteknolojia iliyokomaa zaidi katika tasnia ya betri ya lithiamu na inafaa sana kwa seli za silinda na baadhi ya seli za prismatiki. Sifa yake kuu ni kwamba kathodi, kitenganishi, na anodi huunganishwa kila mara katika mfuatano wa kathodi–kitenganishi–anodi–kitenganishi kuunda muundo wa jeli-roll.

Ubunifu huu una faida kadhaa, ikiwa ni pamoja na ufanisi mkubwa wa utengenezaji, vifaa vilivyokomaa, gharama inayoweza kudhibitiwa, na uthabiti mzuri.

Hata hivyo, chini ya matumizi ya kiwango cha juu, miundo ya jeraha inakabiliwa na mapungufu kadhaa ya kimwili ambayo ni vigumu kuepuka.

Kwanza, miundo ya kichupo kimoja au kichupo kidogo inaweza kusababisha mkusanyiko wa mkondo. Wakati mkondo wa juu unapita kwenye seli, mkondo huelekea kutiririka vyema kupitia maeneo yaliyo karibu na vichupo, na kuunda sehemu zenye joto za eneo hilo.

Pili, uwepo wa kiini cha kati chenye uwazi hupunguza matumizi ya ujazo, na hivyo kupunguza nafasi ya uboreshaji zaidi katika msongamano wa nishati.

Tatu, kupinda kwa karatasi za elektrodi wakati wa mchakato wa kuzungusha huanzisha mabaki ya mkazo wa mitambo, ambayo hufanya uwezekano wa kumwagika kwa nyenzo zinazofanya kazi wakati wa mzunguko wa mara kwa mara wa kiwango cha juu.

Ingawa teknolojia za kuzungusha vichupo vingi na za kabla ya kupinda zinaweza kupunguza baadhi ya masuala haya, muundo wa asili bado husababisha njia ndefu za usafirishaji wa elektroni na hufanya iwe vigumu kupunguza kwa kiasi kikubwa upinzani wa ndani. Kwa hivyo, katika matumizi ambapo utendaji wa kiwango cha juu ndio lengo kuu, miundo ya jeraha inaachilia hatua kwa hatua miundo iliyorundikwa.

3. Faida za Kimuundo na Msingi wa Kimwili wa Betri za Lithiamu Zilizopangwa

Betri za lithiamu zilizopangwa hujengwa kwa kuweka tabaka kathodi, vitenganishi, na anodi moja baada ya nyingine. Faida zao kuu ziko katika njia za sasa zilizoboreshwa na usambazaji zaidi wa mkazo sare.

Kwanza, kutoka kwa mtazamo wa usambazaji wa sasa, miundo iliyopangwa kwa kawaida hutumia vichupo vingi sambamba, kuwezesha usambazaji wa mkondo sare zaidi katika ndege ya elektrodi. Mkondo hupita kwenye tabaka za elektrodi katika mwelekeo wa unene, na kufupisha njia kwa kiasi kikubwa na hivyo kupunguza upinzani wa ohmic. Katika hali za kutokwa hapo juu 5C, uboreshaji unaotokana na kushuka kwa volteji unakuwa dhahiri zaidi.

Pili, katika suala la usimamizi wa joto, mpangilio wa tabaka za muundo uliorundikwa huruhusu uzalishaji wa joto kuwa sawa zaidi, huku pia ukiondoa eneo la mkusanyiko wa joto linalosababishwa na kiini tupu katika seli zilizojeruhiwa. Usambazaji huu wa joto unaofanana zaidi hupunguza hatari ya kuongezeka kwa joto ndani na hutoa msingi mzuri zaidi wa uwanja wa joto kwa ajili ya upoezaji wa kioevu cha kiwango cha moduli au muundo wa mfumo wa kupoeza hewa.

Tatu, kuhusu uthabiti wa mitambo, miundo iliyorundikwa huepuka kupinda kwa elektrodi na hutoa usambazaji sawa wa mkazo.
Wakati wa mzunguko wa kasi ya juu, masafa ya upanuzi na mkazo wa elektrodi huongezeka. Muundo uliopangwa unaweza kupunguza hatari ya mabadiliko ya kitenganishi na saketi fupi ndogo zinazosababishwa na mkusanyiko wa msongo wa mawazo. Data ya majaribio inaonyesha kwamba, chini ya mfumo huo huo wa nyenzo, seli zilizopangwa kwa kawaida huonyesha kiwango cha uhifadhi wa uwezo zaidi ya 10% juu kuliko seli zilizojeruhiwa katika upimaji wa mzunguko wa kiwango cha juu.

4. Umuhimu wa Kiwango cha Mfumo wa Uzito wa Nishati na Matumizi ya Nafasi

Katika muundo wa mfumo wa kuhifadhi nishati, msongamano wa nishati huathiri si tu vigezo vya seli moja, bali pia muundo wa jumla wa makabati na uchumi wa mradi. Kiini cha kati cha seli zilizojeruhiwa hupunguza matumizi ya ujazo bila shaka, ilhali miundo iliyopangwa huboresha ufanisi wa kujaza nafasi kupitia upangaji wa safu tambarare.

Nadharia na matumizi ya vitendo yanaonyesha kwamba miundo iliyorundikwa inaweza kufikia takriban Msongamano wa nishati ya ujazo wa juu kwa 5%–10%.

Kwa mifumo ya kuhifadhi nishati ya kibiashara na viwandani, uboreshaji huu unamaanisha:

• Higher kWh/m³
• Muundo mdogo zaidi wa kabati la kuhifadhia vitu
• Mahitaji ya nafasi ya chini ya chumba cha vifaa
• Muundo bora wa gharama za usafirishaji na usakinishaji

Wakati kiwango cha mfumo kinafikia Kiwango cha MWh, uboreshaji wa matumizi ya nafasi unaosababishwa na tofauti za kimuundo unaweza kubadilishwa kuwa faida kubwa za gharama za uhandisi.

5. Changamoto za Kiufundi za Mchakato wa Kukusanya na Mitindo ya Viwanda

Mchakato wa kupanga unahitaji usahihi wa hali ya juu wa vifaa, una muda wa uzalishaji wa polepole zaidi kuliko kuzungusha, na unahusisha uwekezaji mkubwa wa awali wa vifaa. Hata hivyo, kwa kukomaa kwa mashine za kufungasha kwa kasi ya juu, mifumo ya ulinganifu wa kuona, na vifaa vilivyounganishwa vya kukata na kufungasha, ufanisi wake umeimarika sana. Baadhi ya vifaa vya hali ya juu tayari vimeleta ufanisi wa upangaji karibu na ule wa michakato ya uzungushaji.

Kwa kuongezea, kuibuka kwa teknolojia ya elektrodi kavu na teknolojia mseto zilizounganishwa za stack-wind inawezesha miundo iliyorundikwa kudumisha faida za utendaji huku ikipunguza pengo la gharama polepole.

Ushindani wa siku zijazo hautakuwa tena suala la kupanga mambo kwa pamoja dhidi ya kuzungusha, bali ni kutafuta usawa bora kati ya ufanisi na utendaji wa utengenezaji.

6. Kutoka Muundo wa Seli hadi Ujumuishaji wa Uhandisi wa Kiwango cha Mfumo

Katika matumizi ya kuhifadhi nishati, uchaguzi wa muundo wa seli lazima uzingatiwe kwa uratibu na muundo wa kiwango cha mfumo.

Seli zilizorundikwa zenye upinzani mdogo hufanya kazi vizuri zaidi katika hali za upanuzi sambamba, na kutoa uthabiti bora wa volteji na kurahisisha BMS kufanya kazi Ukadiriaji wa SOC na udhibiti wa usawaWakati huo huo, sifa zao za usambazaji wa joto zinafaa zaidi kwa mahitaji ya kuchaji/kutoa chaji haraka ya mifumo ya vibadilishaji vya umeme vyenye nguvu nyingi.

Katika muundo wetu wa mfumo wa kuhifadhi nishati wa msimu, tunatumia suluhisho la betri ya lithiamu-ion inayoweza kurundikwa ambayo huchanganya miundo ya seli yenye utendaji wa hali ya juu na BMS yenye akili ili kufikia upanuzi wa uwezo unaonyumbulika na utoaji thabiti wa kiwango cha juu. Mfumo huu unaunga mkono chaji na utoaji wa haraka, una maisha marefu ya mzunguko na matengenezo ya chini, na unafaa kwa hifadhi ya nishati ya kibiashara na viwandani, ujumuishaji wa hifadhi ya PV, na matumizi ya nishati mbadala yenye nguvu nyingi.

Muundo wa moduli sio tu kwamba hupunguza shinikizo la uwekezaji wa awali, lakini pia hufanya upanuzi wa uwezo wa siku zijazo uwe rahisi zaidi.

7. Mantiki ya Uamuzi wa Uhandisi kwa Uteuzi wa Muundo

Katika mazoezi ya uhandisi, uteuzi wa miundo unapaswa kutathminiwa kikamilifu kulingana na vipimo vifuatavyo:

• Ikiwa programu kimsingi ni bei ya chini na inayozingatia gharama, muundo wa jeraha hutoa faida za ukomavu na ufanisi wa gharama.
• Ikiwa mfumo unahitaji mapigo ya mara kwa mara ya mkondo wa juu, uwezo wa kuchaji/kutoa chaji haraka, au maisha marefu ya mzunguko, muundo uliorundikwa hutoa faida kubwa zaidi za kiufundi.
• Ikiwa mradi utaendelea msongamano mkubwa wa nguvu na muundo mdogo zaidi, muundo uliorundikwa ni bora zaidi katika matumizi ya nafasi na usimamizi wa joto.

Kiini cha matumizi ya kiwango cha juu ni kipaumbele cha nguvu badala ya kipaumbele cha uwezo.
Wakati lengo la mfumo linapobadilika kutoka hifadhi rahisi ya nishati hadi usaidizi wa nguvu na mwitikio unaobadilika, chaguo la muundo wa betri lazima ielekee kwenye upinzani mdogo wa ndani na usawa wa juu zaidi.

Muundo ni Ushindani katika Enzi ya Kiwango cha Juu

Pamoja na wake njia fupi za mkondo, usambazaji wa joto sare zaidi, na uthabiti bora wa mitambo, betri ya lithiamu iliyopangwa inatumika zaidi na zaidi katika matumizi ya kiwango cha juu.

Kwa makampuni yanayopanga mifumo ya kuhifadhi nishati au kuboresha bidhaa zao, kuchagua muundo sahihi wa betri si suala la kiufundi tu, bali pia ni suala la uaminifu wa muda mrefu na faida ya mradi kutokana na uwekezaji.