Az energia tároló akkumulátor modulja a legközépső integrációs réteg egy puszta cella és egy kész akkumulátorcsomag között. Ezen a szinten egy fix számú cellát soros és párhuzamos összekapcsolnak, és első alkalommal mechanikai támogatást is kapnak. Ezen a felületen biztosítják az alapvető nyomonkövetést és a hőt eltávolításra szolgáló meghatározott felületet. Ez az a tényező, amiért az akkumulátortermikus mérnök számára éppúgy fontos, mint az elektromos áramellátás esetén. Az út egy forró cellától a hűtőfolyadékig nagyrészt az akkumulátormodul szintjén kezdődik, még mielőtt a csomagot lezárnák. Ez a cikk áttekinti, hogy mi is az egy akkumulátor, mi található benne, hogyan változtatja meg a cellaformát az akkumulátor hőtárolási útvonalát, és mi változik valójában akkor, amikor az akkumulátorokat egy csomagba rakják.
Mi az az energia tároló akkumulátor modul?
Az akkumulátor modul több cellát egyesíti egyetlen működőképes egységbe, amely növeli a feszültséget és kapacitást, miközben a cellák körül egy elsődleges réteg strukturális és hővédelmet biztosít. A cellák a legkisebb elektromos-vegyes egység, és meghatározzák a kémiai összetételt, a névleges feszültséget és az akkumulátor élettartamát. A modul ezeket kombinálja, így nagyobb rendszer építhető és karbantartható blokkokban, a cella-cella elrendezés helyett. Egy szint magasabb szintű csomag több modult egyesít egy csomag szintű akkumulátor-üzemeltetési rendszerrel, hőszabályozással és egy házban, amely a kész terméknek az autó vagy a tároló szekrény tényleges használatát biztosítja.
A modul szintjén a feszültség és a kapacitás közvetlenül attól függ, hogy a cellák hogyan vannak összekapcsolva. A soros összekapcsolás feszültséget ad, a párhuzamos összekapcsolás pedig kapacitást – ezért a modul névjegye egy tervezési döntés, nem egy fix szám. A cella kémiai összetétele határozza meg a kiinduló pontot: a lítium-vas-foszfát (LFP) cellák névleges feszültsége körülbelül 3,2 V, míg az NMC és NCA típusú nikkel-alapú kémiai összetételek 3,6–3,7 V-hoz közelítenek. A pontos számadatokat inkább a konkrét cella adatlapjából kell megismerni, mintsem az adatsort követve levonni.
A modulok azért léteznek, mert a méretarány és a használhatóság mind javulnak, amikor a cellákat csoportokban kezeljük. Egy olyan modult, amely meghibásodik, elöregszik vagy cserére szorul, egyszerűen kivételezhető és kicserélhető anélkül, hogy ez zavarná az egész rendszert. A csoportosítás lehetővé teszi azt is, hogy egy gyártó egy építőelemet egy adott rendszeren belül egyenként egyenként integráljon a többi termékbe. Egy egyetlen rendszerhez készült modul ritkán illeszkedik tökéletesen egy másikba, és ez az egyik oka annak, hogy egyedi akkumulátormodulok Egy adott cella, a csomag geometriája és a hűtőrendszer specifikus igényei szerint vannak tervezve, nem pedig általános alkatrészként értékesítik őket.
Mi van egy akkumulátormodulban?
Az akkumulátormodul belsejében egy meghatározott cella-rendszer található, valamint azok a részek, amelyek összekötik, tartják, monitorozzák és hűtik azt – nem csak a cellákat. Minden elemnek megvan a maga szerepe, mert az akkumulátormodulnak képesnek kell lennie a rezgéseknek, a hőciklusoknak és az évekig tartó feltöltés és kisütésnek a túlzott kihordása és felmelegedése nélkül való túlélése. A legfontosabb részek a legtöbb konstrukcióban konzisztensek maradnak:
- Cell array: a cellák olyan választott sorrendben és párhuzamosan elrendezettek, hogy meghatározzák a modul feszültségét és kapacitását.
- Buszvezetékek és összekötők: az áramot a cellák között és a modulcsatlakozókhoz vezető vezetők.
- Mechanikus ház vagy keret: az a szerkezet, amely a cellákat a helyükön tartja, a befogó terhelést viseli, és a modulnak a kezelő merevségét biztosítja.
- Monitorozó elektronika: sejt szintű feszültség- és hőmérséklet érzékelés, gyakran egy modulos monitorozó egység, amely a csomag szintű BMS-hez jelent adatokat.
- Hőátadó felület és hűtőfelület: a részeket betöltő anyag és a kontaktfelület, amelyek a hőt a cellákról a hideg lemezre vagy a hűtőrendszerre irányítják.
Az utolsó két tényező az, ami miatt a modul nem több egy szabadon elhelyezkedő sejtcsomagnak, hanem egy kezelt egységnek. A modul szintjén végzett monitorozás korán észleli a külső határértéket meghaladó cellát, és a hőszigetelés határozza meg, hogy a hőt mennyire jut el ténylegesen a hűtőrendszeren keresztül. Mindkettőt könnyű elszigetelni, és egyetlen modul összerakása és tömítése után ezek javítása drága lehet.
Hogyan formálja a Cell Format modul hőáramlási útvonalát?
A cellaformátum határozza meg, hogy a hő hogyan távozik a cellából, és ezért azt is, hogy a modul hűtőfelülete hogyan kell kinéznie. A hengeres, prímés és tasak formájú cellák mindegyike eltérő kontaktgeometriát képvisel, ezért az egyes formátumokhoz illő hűtési eljárás ritkán felel meg a másiknak. A három formátum formája és a hőtovábbításra biztosított sík felület mérete tekintetében is eltérőek:
- A hengeres cellák (például az 18 mm átmérőjű és 65 mm hosszúságú 18650-es, a 21700-as vagy a nagyobb méretű 4680-as) görbületes felületekkel és koncentrált terminállal rendelkeznek, ezért a hőt gyakran a végektől vagy a cellák közötti részeken keresztül szívják ki.
- A prisma alakú cellák nagy, lapos felületűek, és jól alkalmazkodnak egy meleglemez széles, egyenletes érintkezéséhez egyik oldalról.
- A puszcshajók vékonyak és rugalmasak, nagy felületekkel és alacsony merevséggel rendelkeznek, ezért még egyenletes érintkezést biztosítani is csak nagy támogatással és szabályozott nyomással lehetséges.
A kontaktminőség – a nyers kontaktfelületen túl – meghatározza az eredményt. A valódi cellafelületek soha nem teljesen simák, és a tömbbeállítási tűrések kis, változó szakadékot hagyanak a cella és a hűtőfelület között. A hőtároló anyag ezt a szakadékot tölti ki, hogy a megrongálódott levegő ne akadályozza a hőt. Az összeszerelési feszültségek is fontosak itt, mivel túl kevés rögzítőnyomás tömörített levegővel okozott réseket hagy, míg a túl sok rögzítőnyomás tömörített levegővel vagy törött cellát eredményezhet. A formátumok mélyebb megosztásához tekintse meg áttekintésünket: Elektromos autó akkumulátor modul típusok leírja, hogyan változik a különböző geometriákban az energiafogyasztás a hűtés egyszerűsége függvényében.
A modul szintű hőgazdálkodás
A modul szintű hőtágulás célja, hogy minden cellát egy szűk, egységes hőmérséklet-tartományban tartson. A modulon belüli hőmérséklet-különbség egyenetlenül öregsíti az elemeket, és a legrosszabb esetben hővesztést okoz. Ha egy lítium-ionos akkumulátor túlhevül vagy túlzásba megy, akkor hővesztést válthat ki, és terjedni kezd a szomszédos elemekre. Ez a meghibásodási mód pedig csak akkor lehet megállítani, ha már elkezdődött. A cellák hűvössége – és éppen olyan fontos, hogy hasonló hőmérsékleten maradjanak – a modul feladata a csomag szintjén működő rendszer előtt.
A hűtési eljárások több csoportba sorolhatók, amelyek mindegyike más-más alkalmazáshoz igazodik. Az léghűtés egyszerű és olcsó, de nehézséget okoz a hőmérséklet egyenletessége, mivel a teljesítmény növekszik. A hideglemezű folyadékhűtés sokkal több hőt képes elvezetni és biztosítja a nagyobb egyenletességet, ezért dominál a nagyobb sűrűségű moduloknál. A merülő hűtés közvetlenül a cellákba áramlik, és olyan helyeken használatos, ahol a tűzállóság és a hőterhelés magas. A megfelelő választás a modul hőterhelésétől, a hőmérséklet-egyenletességi célkitűzéstől és a hűtőfolyamatban megengedett nyomáseséstől függ. Egyetlen módszerből nem születik alapértelmezés szerint előny.
A hőmérséklet egyenletessége önállóan is tervezési célkitűzés, a csúcsértékektől függetlenül. Egy modul elfogadható maximális cellatelepértéket képes megtartani, és mégis egyenletesen öregszik, ha az egyik sarok következetesen melegebb, mint a többi. Minden egyes cella a saját helyi hőmérsékletének változása szerint öregszik. Ezért egy csak a legforróbb cella hőmérsékletét mérő rendszer is elmarad: a korlátozó tényező nem az egyes cellák száma, hanem a teljes rendszer hőmérsékletének eloszlása.
A teljes útvonalat kötetként érdemes elolvasni: a hő a sejtből egy termikus határfelületi anyag, A hűtőfolyadékot egy hideg lemezen tápláljuk be, és a hűtőfolyadékot kiöntjük. Az áramköri rendszer minden egyes összekötője ellenállást jelent, ezért egy erős hideg lemez és egy rossz összekötő még mindig meleg marad. A megfelelő összekötőanyag és a hideg lemez kiválasztása az adott cella formátumhoz és üzemidőhöz igazodik, és ez az, ami a modul hűtését döntően befolyásolja. Ez a megfelelő összekötőanyag a mi ESS hűtési megoldások A biztonság szempontjából a modulok konstrukcióját általában az UL 1973 szabvány szerint értékelik, és egyetlen cellás meghibásodás egy rendszeren belüli terjedését az UL 9540A szabvány szerint vizsgálják. Mindkettő hasznos referenciaérték, amikor a vevő összehasonlítja, mennyire komolyan veszi egy modul a termikus szélütés elleni védelem kialakítását.
Az ugyanezen láncban egy gyakori hibát találunk: a hűtőlemez és az interfész közötti nem megfelelő illeszkedés. A hűtőlemeznek a modul hőterhelésére kellően nagy méretűnek kell lennie, és a modul még akkor is felmerülhetnek forró pontok, ha a kapcsolóelem anyagát a rossz cellaformátumhoz választják. Ez a nem megfelelő illeszkedés olyan interfészként nyilvánul meg, amely túl vékony ahhoz, hogy betöltse a hullámos tasaktest felületét, vagy túl kemény ahhoz, hogy ellenálljon a merev, prizmás tartályra gyakorolt nyomásnak. A megoldás nem egy erősebb hűtőlemez, hanem egy az adott cella réseként, síkosságának és rögzítési körülményeinek megfelelő kapcsolóelem.
Modul vs. csomag: Mi változik a következő szinten?
A modulról a csomagokba történő átállás bizonyos energiafogyasztást jelent a rendszereszköz-szintű vezérlés, védelem és csomagolás érdekében. Az egyes összeszerelési szintek hardvereket – például házakat, a csomag szintjén működő BMS-et, hűtőrendszereket és szerkezeti védelmet – tartalmaznak, amelyek tömeget és térfogatot biztosítanak anélkül, hogy energiát tárolnának. Ez az extra költség az oka annak, hogy a cellákról a modulokra és a csomagokra való átállás során a hasznos energiafogyasztás jellemzően csökken. A pontos csökkenés a kémiai összetétel és a csomagolás függvénye, és inkább trendként kell kezelni, mint fix százalékként.
A felelősség is változik, ahogy a határ kifelé húzódik. Egy modul a helyi érzékelést és az első hűtőkapcsolót látja el. A csomag szintjén működő BMS pedig koordinálja az akkumulátor töltöttségi szintjét, az egyensúlyt és a biztonsági lekapcsolásokat minden modulon belül, miközben a csomagházban védi a behatolás elleni védelem és a baleset vagy a környezeti terhelések elleni védelem. A biztonsági értékelés is ugyanazt a struktúrát követi, a sejt szintjén működő UL 1642-től a modul szintjén működő UL 1973-ig és a rendszer szintjén működő UL 9540A-ig. Ez a határ, ahol a modul szintjén működő érzékelés véget ér és a csomag szintjén működő koordináció kezdődik, az Az akkumulátormodul és az akkumulátorcsomag közötti különbség.
Következtetés
A legfontosabb, amit elvihetünk, az az, hogy az akkumulátor modulja az a pont, ahol először meg kell tervezni a hőtárolást, nem pedig a cella. Egy modul önálló feszültséget és kapacitást állít elő soros és párhuzamos kábelsorozással. Emellett meghatározza a hűtőfelületet, az interfészkülönbséget és a befogóerőt, amelyek döntik el, hogy a hőt mennyire hagyja el a cellák. A leggyakrabban elkövetett tévedés az, hogy a hűtést a cella-hűtőfolyamat véglegesítését követően tervezzük meg, miközben a cella-hűtőfolyamat nagyrészt a modulgyártás során van meghatározva. A cella formája az első döntő tényező: meghatározza, hogy ésszerű-e egy sík hűtőlemez, egy végfelületi hűtésű rendszer vagy egy nyomásvezérelt tasakrendszer, és a hűtőfelületet úgy kell kiválasztani, hogy megfeleljen az igényeknek. Amikor ezek a döntések egy tényleges üzemidőciklussal találkoznak, a megfelelő hűtőlemez és a hűtőfelület anyagai teszik lehetővé egy cella-összeállítás modulként való átalakítását, amely képes tartani a hőmérséklet-tartományát teljes élettartama alatt.
GYIK
Hol helyezkedik el egy modul egy akkumulátorcella és egy akkumulátorcsomag között?
Egy modul a középpontban helyezkedik el: a cella az energia tárolásának legkisebb egysége, a modul pedig struktúrával és alapvető felügyelettel ellátott cellákat csoportosít össze, a csomag pedig egy teljes BMS-t, hőtérő rendszert és házat tartalmazó modulokat egyesít. Minden lépéssel növekszik a feszültség vagy kapacitás, valamint nő a védelem szintje, miközben a felhasználható energia sűrűsége csökken, mivel a házak, a vezetékek és a hűtőberendezések tömegtöbbletet eredményeznek anélkül, hogy energiát tárolnának.
Mi található egy akkumulátormodulban?
Az akkumulátormodul egy fix cellákból álló réteget, buszvezetékeket és összekötőket, egy mechanikus keretet, cellataktól függő felügyeletet és egy hűtéstechnikai felületet tartalmaz. A felügyelet és a hűtéstechnikai felület azok, amelyekből egy csoport cella egyetlen egységként működik, és mindkettőt csak a modul összerakása és tömítése után lehet megváltoztatni.
Hogyan vannak elrendezve a sejtek egy BESS moduljában?
A cellákat egy fix sorrendben és párhuzamos mintában helyezték el, amely meghatározza a modul feszültségét és kapacitását; ezt a mintát pedig egy keret vagy ház tartja meg, hogy a geometria stabil maradjon a rezgések és a hőmérséklet ingadozások hatása alatt. A soros csatlakozások növelik a feszültséget, a párhuzamos csatlakozások pedig a kapacitást, így a kialakítást a céllemezre és arra választják, hogy a hőt hogyan kell eljuttatni a hűtőfelületre.
Miért van szükség egy akkumulátormodulra egy hideg lemezre vagy a hőátadó anyagra?
Egy modulhoz hűvös lemez és interfészes anyag szükséges, mert a hőnek folyamatos úton kell eljutnia a cellákig, és a bármelyen is elraktározódott levegő vagy rossz illeszkedés megzavarhatja ezt az útvonalat. Az interfészes anyag betölti a cella és a hűvös lemez közötti kis, egyenetlen rést, így a hő nem akadályozható el, majd a hűvös lemez a hűtőfolyadékban elvezeti azt; egy rosszul illeszkedő, erős lemez még mindig forró marad.
A cellaformátum befolyásolja-e a modul hűtését?
A cella formája befolyásolja mind a hő elszivárgásának helyét, mind a hűtőfelületen rendelkezésre álló sík felület mennyiségét. A prismás cellák alkalmasak a hideg lemezhez való széles oldalirányú érintkezésre, a pouch cellákban pedig még nagyobb nyomás szükséges a következetes érintkezés biztosításához, míg a hengeres cellákat gyakran az oldalról vagy a cellák közötti részeken keresztül hűtik le.
További olvasmányok
- UL 9540A vizsgálati módszer a hővesztés terjedésének megfigyelésére — UL Solutions (T1, szabványügyi testület). A meghatározás arról, hogy hogyan tesztelhető ténylegesen a egysejtű meghibásodások terjedése, valamint a fenti modul- és rendszer-szintű biztonsági referenciairól szóló információk.
- NFPA 855: Az álló energia tároló rendszerek beszerelési szabványa — Nemzeti Tűzvédelmi Szövetség (T1/T2, tűzvédelmi szabványokról szóló testület). A helyhez kötött energia-tároló berendezések és azokhoz kapcsolódó szerkezetek telepítésére és tűzvédelmi előírásokra vonatkozó követelményeket állapítja meg, valamint azokat a kereteket, amelyekben a modul- és rendszer-szintű termikus túlhevültségszabályozók alkalmazhatók.
Kapcsolódó cikkek
- Mi az a napelemes akkumulátoros tárolás? — Magyarázza, hogyan használható a napelemek és egy újratölthető akkumulátor párosítása a nappali energia tárolására az esti használathoz, valamint milyen specifikációk fontosak.
- Energiatároló akkumulátorok az EV töltőállomásokban — Megvizsgálja, hogy a pufferes akkumulátor tárolása hogyan támogatja a gyors elektromos autók feltöltését, miközben nő a feltöltési igény és a hálózat villamosításának mértéke.
- Mik az ESS folyadékhűtés előnyei? — Megmutatja, hogy a folyadékhűtés miért jobb a levegőhűtésnél a hőmérséklet-szabályozás, a hatékonyság és az élettartam terén az energia-tároló rendszerekben.
- Kereskedelmi épületek napenergia-tároló rendszerének esettanulmányai — Az igazi kereskedelmi napelem-energia-tárolási projektekkel végzett utazásról szól, amelyek a csúcsenergia-fogyasztás csökkentését és a leállások idejére biztosított tartalékenergia-ellátást biztosítják.
- Az energiatároló akkumulátorcsomagok innovatív alkalmazásai az adatközpontokban — Részletesen bemutatja, hogyan használják az adatközpontok az akkumulátor tárolást a vészenergiaellátáshoz és a terhelés szabályozásához.
