Nabrekanje baterije - katera preskusna metoda je najprimernejša za baterije električnih vozil?
Ko se vrečke in prizmatične litij-ionske celice starajo, se razširijo (nabrekanje baterije). To vodi do povečanega tlaka v baterijskem sklopu in poslabša električno delovanje. Konvencionalni sistemi za upravljanje baterij (BMS) ne zaznajo tega pritiska ali njegovih učinkov, kar vodi do netočnih napovedi stanja napolnjenosti (SOC) in stanja delovanja (SOH) s staranjem baterije.
Preskusna miza, ki sta jo razvila ZwickRoell in MBTS, bo znatno izboljšala prihodnji razvoj baterijskih sklopov.
Video o nabrekanju baterij Trenutni izzivi Video o novo razvitem preskusnem sistemuPrimerjava klimatske komore in preskusne mize ZwickRoell / MBTS Prednosti Kontaktirajte nas
Osredotočenost na preskušanje baterij: Varnost, učinkovitost, napredek
Litij-ionske baterije so ključne komponente elektrifikacije prometnega sektorja. Raziskave in razvoj skupaj s celovitim zagotavljanjem kakovosti igrajo pomembno vlogo pri nadaljnjem razvoju komponent baterijskih celic, baterijskih celic, baterijskih sklopov in celotnih visokonapetostnih sistemov za shranjevanje. Zato so preskušanja baterij za karakterizacijo uporabljenih materialov, določanje lastnosti vmesnih izdelkov in analiza obnašanja celic ključni predpogoji za napredek.
Poleg mehanskega preskušanja komponent baterij so pomembna tudi večfunkcijska ali večfizikalna preskušanja celic in celičnih sistemov. Zagotavljajo zanesljivost in varnost delovanja med razvojem visokonapetostnih shranjevalnih sistemov. To se lahko uporabi za karakterizacijo obnašanja baterije med postopkom polnjenja in praznjenja. Ta postopek včasih ustvari dragocene podatke za nadaljnji razvoj sistemov za upravljanje baterij (BMS).
Trenutni izzivi pri razvoju, proizvodnji in zagotavljanju kakovosti litij-ionskih baterij
V tehnologiji LIB (litij-ionskih baterij) so vrečkaste in prizmatične celice običajno razporejene v baterijskih sklopih z uporabo konfiguracij celica-sklop ali celica-modul. Za zagotovitev optimalne električne zmogljivosti se med proizvodnjo uporablja določena stopnja mehanskega predtlačenja. Ta nadzorovani tlak je ključnega pomena, saj nezadostno tlačenje vodi do zmanjšane kapacitete, zmanjšane električne zmogljivosti in pospešenega staranja. Prevelik pritisk ima posledično podobne negativne učinke.
Mehanski tlak je pomemben za življenjski cikel baterijskega sklopa. Razlog: Med polnjenjem in praznjenjem se celice ponovno širijo in krčijo. Ta proces je znan tudi kot »dihanje«. Sčasoma pride do postopnega nabrekanja (nabrekanja baterije) zaradi procesa staranja. Te spremembe vodijo do povečanega notranjega tlaka v baterijskem sklopu, ki lahko preseže idealne obratovalne pogoje. Zato je vzdrževanje natančnega nadzora nad tem mehanskim tlakom pomembno za ohranjanje učinkovitosti in življenjske dobe baterije. Zato je pri načrtovanju baterijskega sklopa ključnega pomena, da se na to osredotočimo, da zagotovimo optimalne pogoje za celice in določimo idealne pogoje za celico, na primer s preskusom ene same celice [1, 2].
Vendar pa trenutno na trgu ni preskusnega sistema, ki bi sinhrono meril in nadzoroval temperaturo in tlak ter lahko izvajal električne protokole. Zaradi tega je bil razvit nov preskusni sistem za karakterizacijo baterijskih celic.
Inovativen večfunkcijski sistem za preskušanje v primerjavi z najsodobnejšo rešitvijo s klimatsko komoro
Sinhroni nadzor temperature in tlaka med delovanjem LIB je bil do sedaj zaradi tehničnih omejitev otežen. Klimatske komore lahko le posredno nadzorujejo temperaturo LIB-a z uravnavanjem temperature zraka v komori. Poleg tega je mehanski nadzor tlaka na celici mogoče doseči le s pasivnimi sistemi, saj bi aktivni tlak zahteval večjo klimatsko komoro in bi lahko povzročil težave zaradi neoptimalnih temperaturnih pogojev.
Raziskovalci iz ZwickRoella in MBTS so zato razvili novo metodo, s katero je mogoče med polnjenjem in praznjenjem z visoko natančnostjo nadzorovati ali meriti temperaturo površine in mehanski tlak na vrečkah in prizmatičnih celicah. [3] Ta inovativni sistem omogoča natančno merjenje mehanskih, toplotnih in električnih parametrov, hkrati pa izolira vplive temperature in tlaka na delovanje. Slika 1 pojasnjuje tehnološke razlike in prednosti med klimatskimi komorami in novo tehnologijo preskušanja.
Tlačne plošče z integriranim aktivnim termičnim kondicioniranjem so patentiran sistem podjetja MBTS GmbH. Ta sistem na celico izvaja mehanski pritisk in hkrati nadzoruje površinsko temperaturo celice. Celoten elektrotermični mehanski sistem je popolnoma avtomatiziran, kar omogoča hitre in natančne protokole. In hkrati zmanjšuje vplive uporabnikov.
Nova metoda multifizikalne analize občutljivosti
Nedavna študija ZwickRoella in MBTS je poskušala kvantificirati vpliv mehanskega tlaka, temperature in hitrosti praznjenja na izgubo moči litij-ionskih celic v vrečki. [2] V ta namen so bile celice LGe66 praznjene pri različnih hitrostih praznjenja C, tlakih in temperaturnih pogojih. Rezultati ponujajo dragocen vpogled v optimizacijo zasnove baterijskih sklopov in zagotavljanje dolgoročne zanesljivosti v sistemih za shranjevanje energije. Študija je bila izvedena v nadzorovanih pogojih, pri čemer so bile preučene tri temperature (5 °C, 25 °C in 45 °C), štiri ravni tlaka (0,2 MPa, 0,5 MPa, 0,8 MPa in 1,2 MPa) ter tri hitrosti praznjenja (0,5 °C, 1,5 °C in 3,0 °C).
Študija potrjuje naslednje ugotovitve trenutnih znanstvenih študij:
Povečan tlak negativno vpliva na delovanje. Višje temperature pa posledično povečajo kapaciteto. Vendar pa se obseg teh učinkov razlikuje glede na specifične obratovalne pogoje. Na primer, pri temperaturi 5 °C in pretoku 0,5 °C bi povečanje tlaka z 0,2 b MPa na 1,2 MPa povzročilo 5,84-odstotno zmanjšanje pretočne zmogljivosti. V nasprotju s tem bi bilo zmanjšanje pri 45 °C le 2,17 odstotka. Podobno povečanje temperature z 25 °C na 45 °C pri 0,5 °C in 0,2 MPa povzroči izboljšanje praznilne kapacitete za 4,27 odstotka. Pri višji hitrosti praznjenja za 1,5 °C je enak temperaturni premik povzročil znatno povečanje praznilne kapacitete za 43,04 odstotka.
Kot je prikazano na sliki 2, obstaja povezava med praznilno kapaciteto in hitrostjo praznjenja (C) pri različnih temperaturah in ravneh tlaka. Povečanje tlaka ne povzroči enakega upada kapacitete takoj, ko se spremeni hitrost praznjenja C in/ali temperatura. To kaže na večfizikalno korelacijo med temi parametri.
V tabeli 1 so navedene numerične vrednosti te praznilne kapacitete za vse preskušene primere polnjenja. Zanimivo opažanje je, da se pri nizki temperaturi (5 °C) in visoki stopnji praznjenja vpliv tlaka zdi zanemarljiv. Nazivna praznilna kapaciteta preiskovane celice je 66 Ah.
Ti rezultati ponazarjajo kompleksno in nelinearno interakcijo temperature, tlaka in hitrosti praznjenja pri delovanju litij-ionskih baterij. Rezultati poudarjajo pomen aktivnega upravljanja temperature in tlaka med delovanjem baterije za zagotovitev optimalne učinkovitosti in zanesljivosti.
Novo razviti preskusni sistem omogoča visoko natančno kvantificiranje korelacij med hitrostjo C, tlakom in temperaturo. Posledice za razvoj in upravljanje baterijskih sklopov so ogromne, kot je pojasnjeno v nadaljevanju.
Tehnične prednosti sistema za upravljanje baterij
Z dodatnimi spoznanji, pridobljenimi s preskusom posameznih celic, se razvoj visokonapetostnega shranjevanja zdaj osredotoča na doseganje optimalnega tlaka znotraj celičnega paketa. S tem se izognemo izgubi zmogljivosti in učinkom staranja. Vendar pa zaradi nabrekanja akumulatorja še vedno prihaja do nihanj tlaka. Obnašanje tlaka, ki izhaja iz tega pojava, je mogoče izračunati med razvojno fazo in prenesti v BMS kot predhodni izračun. Ta pristop odpravlja potrebo po dodatnih tlačnih senzorjih v baterijskem sklopu.
Posledično so dejanja sistema BMS učinkovitejša, saj bi bilo mogoče tlak v zloženki oceniti na podlagi pogojev napolnjenosti in zdravja celice. To bi omogočilo natančnejšo napoved električne zmogljivosti baterijskega sklopa. Slika 3 prikazuje shematski diagram postopka.
Tehnične in ekonomske prednosti razvoja visokonapetostnih shranjevalnih naprav
Med razvojem baterijskega sklopa se za standardno različico sledi simulacijski preskusni zanki, ki obsega več faz:
- Preskušanje in modeliranje posamezne celice
- Simulacija homogenih postopkov na ravni modulov in sklopov
- Izdelava prototipov in preskušanje.
Če preskusi ne uspejo, je treba postopek ponoviti, kar zahteva dodatne vire. Pogost primer tega je, ko voznega cikla ni mogoče dokončati zaradi nezadostne kapacitete baterijskega sklopa. To je pogosto posledica prekomernega tlaka zlaganja, kar vodi v degeneracijo celic.
Z natančnim merjenjem premika pri raztezanju posamezne celice z natančnostjo 1 µm in ocenjevanjem električne zmogljivosti pod določenimi tlačnimi pogoji lahko razviti modeli napovedo, ali lahko zasnova povzroči nezadostno zmogljivost ali okvaro.
Ta napovedna sposobnost omogoča učinkovitejše procese načrtovanja in skrajša iterativne razvojne cikle, kot je prikazano na sliki 5.
Obeti:
Trenutna geopolitična krajina povečuje pritisk na avtomobilsko industrijo, da pospeši tehnološki napredek in ostane konkurenčna. Optimizacija razvojnih in proizvodnih procesov je odločilen korak k zmanjšanju stroškov in izpolnjevanju zahtev trga. Ilustrirana rešitev upošteva ta cilj, na primer s povečanjem učinkovitosti razvoja in pomočjo pri zagotavljanju visokokakovostnega izdelka.
Reference
[1] Mussa, A.S.; Klett, M.; Lindbergh, G.; Lindström, R.W. Vpliv zunanjega pritiska na delovanje in staranje enoslojnih litij-ionskih vrečkastih celic. J. Viri energije 2018, 385, 18–26.
[2] Li, R.; Li, W.; Singh, A.; Ren, D.; Hou, Z.; Ouyang, M. Vpliv zunanjega pritiska in notranje obremenitve na delovanje in življenjsko dobo baterije. Material za shranjevanje energije 2022, 52, 395–429.
[3] Aiello, L.; Ruchti, P.; Vitzthum, S.; Coren, F. Vpliv tlaka, temperature in hitrosti praznjenja na električne lastnosti komercialne litij-ionske baterije v obliki vrečke. Baterije 2024, 10, 72.
O AVTORJU:
Izvršni direktor in soustanovitelj podjetja MBTS GmbH
Kot soustanovitelj in izvršni direktor podjetja MBTS je podjetje specializiral za razvoj visoko natančnih večfizikalnih preskusnih sistemov za vrečke in prizmatične celice. Pred tem je več let delal kot inženir za razvoj in analizo pri podjetjih Samsung SDI Battery Systems in AVL. Hkrati je doktoriral na Tehniški univerzi v Gradcu s področja ocenjevanja varnosti litij-ionskih baterij.