Battery Swelling - Która metoda badawcza jest najlepsza dla akumulatorów pojazdów elektrycznych?
W miarę starzenia się ogniw litowo-jonowych i pryzmatycznych następuje ich rozszerzanie się (Battery Swelling). I prowadzi to do podwyższenia ciśnienia w akumulatorze i jednocześnie pogarsza wydajność elektryczną. Konwencjonalne systemy zarządzania akumulatorem (BMS) nie uwzględniają tego ciśnienia ani jego skutków, co skutkuje niedokładnymi prognozami stanu naładowania (State-of-Charge, SOC) i stanu zdrowia (State-of-Health, SOH) w miarę starzenia się akumulatora.
Stanowisko badawcze opracowane przez ZwickRoell i MBTS może znacząco usprawnić przyszły rozwój pakietów akumulatorowych.
Video Battery Swelling Aktualne wyzwania Video o nowo opracowanym systemie badawczymPorównanie komory klimatycznej ze stanowiskiem badawczym ZwickRoell/MBTS Zalety Zapraszamy do kontaktu
Badanie baterii w centrum uwagi: Bezpieczeństwo, wydajność, postęp
Akumulatory litowo-jonowe są kluczowym elementem elektryfikacji sektora transportu i ruchu drogowego. Badania i rozwój, a także kompleksowe zapewnienie jakości, odgrywają ważną rolę w dalszym rozwoju komponentów ogniw akumulatorowych, ogniw akumulatorowych i pakietów akumulatorów, a także kompletnych systemów magazynowania wysokiego napięcia. Dlatego też badanie baterii w celu scharakteryzowania użytych materiałów, określenia właściwości pośrednich cech produktu jak i analiza zachowania ogniw są kluczowymi warunkami postępu.
Obok badań mechanicznych elementów akumulatorów istotne jest także wielofunkcyjne ewent. wielofizyczne badanie ogniw i systemów ogniw . Zapewniają niezawodność i bezpieczeństwo eksploatacji podczas rozwoju magazynów wysokiego napięcia. Pozwala to na scharakteryzowanie zachowania akumulatora podczas procesu ładowania i rozładowywania. Proces ten czasami generuje cenne dane służące dalszemu rozwojowi systemów zarządzania akumulatorami (BMS).
Aktualne wyzwania w zakresie rozwoju, produkcji i zapewnienia jakości baterii litowo-jonowych
W technologii LIB (akumulatory litowo-jonowe) ogniwa typu Pouch i pryzmatyczne są zwykle układane w pakietach baterii w konfiguracji Cell-to-Pack lub Cell-to-Module. Aby zagwarantować optymalną wydajność elektryczną w trakcie produkcji stosuje się pewien stopień wstępnej kompresji mechanicznej . Kontrolowane ciśnienie jest niezwykle istotne, gdyż niewystarczające sprężanie prowadzi do zmniejszenia wydajności, pogorszenia parametrów elektrycznych i przyspieszonego starzenia się urządzenia . Ponownie, zbyt duża presja ma równie negatywne skutki.
Ciśnienie mechaniczne ma duże znaczenie dla cyklu życia akumulatora. Powód: Podczas procesu ładowania i rozładowywania ogniwa rozszerzają się i kurczą. Proces ten nazywany jest również „Oddychaniem“. Z czasem następuje stopniowe puchnięcie (pęcznienie baterii), które jest spowodowane procesami starzenia. Zmiany te skutkują wzrostem ciśnienia wewnętrznego w akumulatorze, które może przekroczyć idealne warunki pracy. Dlatego utrzymanie precyzyjnej kontroli nad tym ciśnieniem mechanicznym jest istotne i ważne dla zachowania wydajności i żywotności akumulatora. Dlatego też niezwykle istotne jest zapewnienie idealnych warunków dla ogniw już na etapie projektowania pakietu baterii, np. poprzez badanie poszczególnych ogniw [1, 2].
Jednak aktualnie system badawczy, który mierzy i kontroluje jednocześnie temperaturę i ciśnienie oraz może realizować protokoły elektryczne, nie jest obecnie dostępny na rynku. W tym celu opracowano nowy system badawczy do charakteryzacji ogniw akumulatorowych.
Innowacyjny wielofunkcyjny system badawczy kontra rozwiązanie State of the Art z komorą klimatyczną
Synchroniczna regulacja temperaturą i ciśnieniem podczas pracy reaktora LIB było dotychczas trudne ze względu na ograniczenia techniczne. Komory klimatyczne umożliwiają jedynie pośrednią kontrolę temperatury LIB, poprzez regulację temperatury powietrza w komorze. Co więcej mechaniczną kontrolę ciśnienia w ogniwie można osiągnąć jedynie za pomocą systemów pasywnych , gdyż aktywne ciśnienie wymagałoby większej komory klimatycznej i mogłoby prowadzić do problemów z powodu nieoptymalnych warunków temperaturowych.
Naukowcy ZwickRoell i MBTS opracowali nową metodę, dzięki której możliwe jest regulowanie lub mierzenie z dużą precyzją temperatury powierzchni i nacisku mechanicznego na Pouch i ogniwa pryzmatyczne podczas procesu ładowania i rozładowywania. [3] Ten innowacyjny system umożliwia precyzyjny pomiar parametrów mechanicznych, termicznych i elektrycznych, jednocześnie izolując wpływ temperatury i ciśnienia na wydajność. Rysunek 1 ilustruje różnice technologiczne i zalety komór klimatycznych oraz nowej technologii badawczej.
Płyty ściskające ze zintegrowanym aktywnym kondycjonowaniem termicznym są opatentowanym systemem firmy MBTS GmbH. System ten wywiera nacisk mechaniczny na ogniwo i kontroluje temperaturę powierzchni ogniwa. Cały układ elektrotermiczny jest w pełni zautomatyzowany, co umożliwia szybkie i precyzyjne wykonywanie protokołów. Jednocześnie zmniejsza wpływ użytkowników.
Nowa metoda analizy czułości wielofizycznej
Niedawno przeprowadzone przez ZwickRoell i MBTS badanie miało na celu określenie wpływu ciśnienia mechanicznego, temperatury i szybkości rozładowania na degradację wydajności ogniw litowo-jonowych typu Pouch . [2] W tym celu ogniwa LGe66 rozładowywano z różną szybkością C, ciśnieniem i temperaturą. Wyniki dostarczają cennych informacji na temat optymalizacji konstrukcji akumulatorów i zapewnienia długoterminowej niezawodności systemów magazynowania energii. Badanie przeprowadzono w kontrolowanych warunkach, przy zastosowaniu trzech temperatur (5°C, 25°C i 45°C), czterech poziomów ciśnienia (0,2 MPa, 0,5 MPa, 0,8 MPa i 1,2 MPa) i trzech szybkości rozładowania (0,5°C, 1,5°C i 3,0°C).
Badanie potwierdza następujące ustalenia aktualnych badań naukowych:
Zwiększone ciśnienie ma negatywny wpływ na wydajność. Wyższe temperatury z kolei zwiększają wydajność. Zakres tych efektów zmienia się jednak w zależności od konkretnych warunków pracy. Na przykład przy temperaturze 5°C i prędkości rozładowania 0,5°C wzrost ciśnienia z 0,2 MPa do 1,2 MPa spowodowałby zmniejszenie wydajności rozładowania o 5,84 procent. Dla porównania, przy temperaturze 45°C redukcja wyniosłaby zaledwie 2,17 procent. Podobnie zwiększenie temperatury z 25°C do 45°C przy 0,5°C i ciśnieniu 0,2 MPa skutkuje poprawą wydajności rozładowania o 4,27 procent. Przy wyższej szybkości rozładowania wynoszącej 1,5°C taka sama zmiana temperatury spowodowała znaczny wzrost wydajności rozładowania wynoszący 43,04 procent.
Jak pokazano na rysunku 2, istnieje zależność pomiędzy wydajnością rozładowania a szybkością przepływu C przy różnych temperaturach i poziomach ciśnienia. Zwiększenie ciśnienia nie powoduje takiej samej utraty wydajności, jak zmiana współczynnika C i/lub temperatury. Oznacza to, że istnieje wielofizyczna korelacja pomiędzy tymi parametrami.
W tabeli 1 zestawiono wartości liczbowe tej pojemności rozładowania dla wszystkich badanych przypadków ładowania. Ciekawym spostrzeżeniem jest to, że przy niskiej temperaturze (5°C) i wysokiej prędkości C wpływ ciśnienia wydaje się być nieistotny. Nominalna pojemność rozładowania badanego ogniwa wynosi 66 Ah.
Wyniki te podkreślają złożoną i nieliniową zależność temperatury, ciśnienia i szybkości rozładowania od wydajności akumulatorów litowo-jonowych. Wyniki podkreślają znaczenie aktywnego zarządzania temperaturą i ciśnieniem podczas pracy akumulatora w celu zapewnienia optymalnej wydajności i niezawodności.
Nowo opracowany system badawczy umożliwia precyzyjne określenie korelacji pomiędzy współczynnikiem C, ciśnieniem i temperaturą. Konsekwencje dla rozwoju i zarządzania akumulatorami są ogromne, jak wyjaśniono poniżej.
Zalety techniczne systemu zarządzania akumulatorem
Dzięki dodatkowym wnioskom z badań pojedynczych ogniw w rozwoju technologii magazynowania wysokiego napięcia skupiono się teraz na osiągnięciu optymalnego ciśnienia wewnątrz pakietu ogniw . Pomaga to uniknąć utraty wydajności i efektów starzenia się sprzętu. Jednakże z powodu Battery Swellings nadal występują wahania ciśnienia. Zachowanie ciśnienia wynikające z tego zjawiska można obliczyć na etapie rozwoju i przesłać do BMS jako wstępne obliczenia. Dzięki temu podejściu nie ma potrzeby stosowania dodatkowych czujników ciśnienia w akumulatorze.
W rezultacie działania BMS są skuteczniejsze, ponieważ ciśnienie w stosie można oszacować na podstawie stanu naładowania ogniwa i jego kondycji. Pozwoliłoby to na uzyskanie dokładniejszej prognozy wydajności elektrycznej akumulatora. Rysunek 3 przedstawia schematyczną reprezentację procedury.
Korzyści techniczne i ekonomiczne dla rozwoju magazynów wysokiego napięcia
Podczas opracowywania pakietu akumulatorów przeprowadzana jest pętla badawcza symulacyjna dla standardowej konstrukcji, która obejmuje kilka etapów:
- Badanie i modelowanie pojedynczej komórki
- Symulacja jednorodnych procedur na poziomie modułów i pakietów
- Tworzenie prototypów i badanie.
Jeżeli kontrole zakończą się niepowodzeniem, proces trzeba będzie powtórzyć, co wymaga dodatkowych zasobów. Typowym przykładem takiego przypadku jest sytuacja, gdy cyklu jazdy nie można ukończyć ze względu na niewystarczającą pojemność akumulatora. Często jest to spowodowane nadmiernym naciskiem na komórki, co prowadzi do ich degeneracji.
Dzięki precyzyjnemu pomiarowi przemieszczenia rozszerzającej się pojedynczej komórki, z dokładnością do 1µm, i ocenie wydajności elektrycznej w określonych warunkach ciśnienia, opracowane modele mogą przewidywać, czy dana konstrukcja może prowadzić do niewystarczającej wydajności lub awarii.
Ta zdolność predykcyjna umożliwia efektywniejsze procesy projektowania i skraca cykle iteracyjnego rozwoju, jak pokazano na rysunku 5.
Perspektywa
Obecna sytuacja geopolityczna wywiera coraz większą presję na przemysł motoryzacyjny, który musi przyspieszyć postęp technologiczny i utrzymać konkurencyjność. Optymalizacja procesów rozwoju i produkcji stanowi kluczowy krok w kierunku redukcji kosztów i spełnienia wymagań rynku. Przedstawione rozwiązanie uwzględnia ten cel, np. zwiększając efektywność rozwoju i pomagając w dostarczaniu wysokiej jakości produktu.
Źródła danych
[1] Mussa, A.S.; Klett, M.; Lindbergh, G.; Lindström, R.W. Effects of external pressure on the performance and ageing of single-layer lithium-ion pouch cells. J. Power Sources 2018, 385, 18–26.
[2] Li, R.; Li, W.; Singh, A.; Ren, D.; Hou, Z.; Ouyang, M. Effect of external pressure and internal stress on battery performance and lifespan. Energy Storage Mater. 2022, 52, 395–429.
[3] Aiello, L.; Ruchti, P.; Vitzthum, S.; Coren, F. Influence of Pressure, Temperature and Discharge Rate on the Electrical Performances of a Commercial Pouch Li-Ion Battery. Batteries 2024, 10, 72.
O AUTORZE:
Dyrektor generalny i współzałożyciel MBTS GmbH
Jako współzałożyciel i dyrektor generalny MBTS, wyspecjalizował firmę w opracowywaniu precyzyjnych systemów badawczych multifizycznych dla ogniw Pouch i pryzmatycznych. Wcześniej przez kilka lat pracował jako inżynier ds. rozwoju i analizy w Samsung SDI Battery Systems i AVL. Jednocześnie obronił doktorat na Uniwersytecie Technicznym w Grazu w dziedzinie oceny bezpieczeństwa akumulatorów litowo-jonowych.
O AUTORZE:
Head of Global Industry Management w ZwickRoell
Jako Head of Global Industry Management odpowiada za strategiczny rozwój rozwiązań badawczych w obszarze Elektryfikacja i e-mobilność. Jako specjalista w zakresie badań mechanicznych materiałów i komponentów w przemyśle motoryzacyjnym, posiada wieloletnie doświadczenie badawcze w Katedrze Technologii Kształtowania i Odlewnictwa (utg) na Uniwersytecie Technicznym w Monachium. Kierował tam licznymi dwustronnymi projektami badawczymi z wiodącymi producentami samochodów i w 2023 r. obronił doktorat na temat sprężysto-plastycznej charakterystyki stali o wysokiej wytrzymałości. Jego zainteresowania naukowe koncentrowały się na charakterystyce materiałów arkuszowych i eksperymentach dyfrakcyjnych in-situ.