Oticanje baterije - Koja metoda ispitivanja je najpogodnija za baterije električnih vozila?
Kada ćelije tipa kesice i prizmatične litijum-jonske ćelije stare, one se šire (Oticanje baterije). Ovo dovodi do povećanog pritiska u baterijskom paketu i pogoršava električne performanse. Konvencionalni sistemi za upravljanje baterijama (BMS) ne detektuju ovaj pritisak ili njegove efekte, što dovodi do netačnih predviđanja stanja napunjenosti (SOC) i stanja ispravnosti (SOH) kako baterija stari.
Ispitni sto koji su razvili ZwickRoell i MBTS značajno će poboljšati budući razvoj baterijskih paketa.
Video o oticabju baterije Trenutni izazovi Video o novorazvijenom sistemu za ispitivanjePoređenje klimatske komore i ZwickRoell / MBTS ispitnog stola Prednosti Kontaktirajte nas
Fokus na ispitivanje baterija: Bezbednost, efikasnost, napredak
Litijum-jonske baterije su ključne komponente elektrifikacije transportnog i saobraćajnog sektora. Istraživanje i razvoj, zajedno sa sveobuhvatnim osiguranjem kvaliteta, igraju važnu ulogu u daljem razvoju komponenti baterijskih ćelija, baterijskih ćelija, baterijskih paketa i kompletnih sistema za skladištenje visokog napona. Stoga su ispitivanje baterija radi karakterizacije korišćenih materijala, određivanje svojstava međuproizvoda, kao i analiza ponašanja ćelija, ključni preduslovi za napredak.
Pored mehaničkog ispitivanja komponenti baterije, važna su i multifunkcionalna ili multifizička ispitivanja ćelija i ćelijskih sistema. Oni obezbeđuju pouzdanost i bezbednost rada tokom razvoja skladištenja visokog napona. Ovo se može koristiti za karakterizaciju ponašanja baterije tokom procesa punjenja i pražnjenja. Ova procedura ponekad generiše vredne podatke za dalji razvoj sistema za upravljanje baterijama (BMS).
Trenutni izazovi u razvoju, proizvodnji i osiguranju kvaliteta litijum-jonskih baterija
U LIB (litijum-jonskoj bateriji) tehnologiji, ćelije u obliku kesica i prizmatične ćelije su obično raspoređene u baterijske pakete koristeći konfiguracije ćelija-paket ili ćelija-modul. Da bi se osigurale optimalne električne performanse, tokom proizvodnje se primenjuje određeni stepen mehaničke prethodne kompresije. Ovaj kontrolisani pritisak je ključan, jer nedovoljna kompresija dovodi do smanjenog kapaciteta, smanjenih električnih performansi i ubrzanog starenja. Zauzvrat, preveliki pritisak ima slične negativne efekte.
Mehanički pritisak je važan za životni ciklus baterijskog paketa. Razlog: Ćelije se ponovo šire i skupljaju tokom procesa punjenja i pražnjenja. Ovaj proces je poznat i kao “disanje”. Vremenom dolazi do postepenog oticanja (oticanja baterije), usled procesa starenja. Ove promene dovode do povećanog unutrašnjeg pritiska u baterijskom paketu, koji može prevazići idealne radne uslove. Stoga je održavanje precizne kontrole ovog mehaničkog pritiska relevantno i važno za održavanje efikasnosti i dugovečnosti baterije. Stoga je ključno obratiti pažnju na ovo prilikom projektovanja baterijskog paketa kako bi se obezbedili optimalni uslovi za ćelije, kako bi se odredili idealni uslovi za ćeliju, na primer pomoću ispitivanja jedne ćelije [1, 2].
Međutim, sistem za ispitivanje koji meri i kontroliše temperaturu i pritisak sinhrono i može da izvršava električne protokole, trenutno nije na tržištu. Iz tog razloga, razvijen je novi sistem ispitivanja za karakterizaciju baterijskih ćelija.
Inovativni multifunkcionalni sistem za ispitivanje u odnosu na najsavremenije rešenje sa klimatskom komorom
Sinhrona kontrola temperature i pritiska tokom rada LIB-a je do sada bila otežana zbog tehničkih ograničenja. Klimatske komore mogu samo indirektno kontrolisati temperaturu LIB-a, podešavanjem temperature vazduha u komori. Pored toga, mehanička kontrola pritiska na ćeliji može se postići samo putem pasivnih sistema, jer bi aktivni pritisak zahtevao veću klimatsku komoru i mogao bi dovesti do problema zbog neoptimalnih temperaturnih uslova.
Istraživači iz ZwickRoell-a i MBTS-a su stoga razvili novu metodu kojom se površinska temperatura i mehanički pritisak na kesice i prizmatične ćelije mogu kontrolisati ili meriti sa visokom preciznošću tokom procesa punjenja i pražnjenja. [3] Ovaj inovativni sistem omogućava precizno merenje mehaničkih, termičkih i električnih parametara, uz istovremeno izolovanje uticaja temperature i pritiska na performanse. Slika 1 razjašnjava tehnološke razlike i prednosti između klimatskih komora i nove tehnologije ispitivanja.
Kompresione ploče sa integrisanim aktivnim termičkim kondicioniranjem su patentirani sistem kompanije MBTS GmbH. Ovaj sistem primenjuje mehanički pritisak na ćeliju i takođe kontroliše površinsku temperaturu ćelije. Čitav elektrotermički mehanički sistem je potpuno automatizovan kako bi se omogućili brzi i precizni protokoli. I istovremeno, smanjuje uticaj korisnika.
Nova metoda multifizičke analize osetljivosti
Nedavna studija koju su sproveli ZwickRoell i MBTS pokušala je da kvantifikuje uticaj mehaničkog pritiska, temperature i brzine pražnjenja na gubitak snage litijum-jonskih ćelija u obliku kesica. [2] U tu svrhu, ćelije LGe66 su praznile pri različitim brzinama pražnjenja (C), pritisku i temperaturi. Rezultati pružaju vredne uvide u optimizaciju dizajna baterijskih paketa i obezbeđivanje dugoročne pouzdanosti u sistemima za skladištenje energije. Studija je sprovedena pod kontrolisanim uslovima i ispitane su tri temperature (5 °C, 25 °C i 45 °C), četiri nivoa pritiska (0,2 MPa, 0,5 MPa, 0,8 MPa i 1,2 MPa) i tri brzine pražnjenja (0,5 °C, 1,5 °C i 3,0 °C).
Sledeća otkrića iz aktuelnih naučnih studija potvrđuju se studijom:
Povećan pritisak negativno utiče na performanse. Više temperature, zauzvrat, povećavaju kapacitet. Međutim, obim ovih efekata varira u zavisnosti od specifičnih uslova rada. Na primer, na temperaturi od 5 °C i brzini pražnjenja od 0,5 °C, povećanje pritiska sa 0,2b MPa na 1,2 MPa rezultiralo bi smanjenjem kapaciteta pražnjenja za 5,84 procenta. Nasuprot tome, smanjenje na 45 °C bi bilo samo 2,17 procenata. Slično tome, povećanje temperature sa 25 °C na 45 °C pri 0,5 °C i 0,2 MPa rezultira poboljšanjem kapaciteta pražnjenja od 4,27 procenata. Pri većoj brzini pražnjenja od 1,5 °C, ista temperaturna promena dovela je do značajnog povećanja kapaciteta pražnjenja od 43,04 procenta.
Kao što je prikazano na slici 2, postoji veza između kapaciteta pražnjenja i brzine pražnjenja (C) na različitim temperaturama i nivoima pritiska. Povećanje pritiska ne izaziva isti pad kapaciteta čim se promeni brzina pražnjenja (C) i/ili temperatura. Ovo ukazuje na multifizičku korelaciju između ovih parametara.
Tabela 1 navodi numeričke vrednosti ovog kapaciteta pražnjenja za sve ispitivane slučajeve punjenja. Zanimljivo je zapažanje da na niskoj temperaturi (5 °C) i visokoj brzini pražnjenja, efekat pritiska izgleda zanemarljiv. Nominalni kapacitet pražnjenja ćelije koja se ispituje je 66 Ah.
Ovi rezultati ilustruju složenu i nelinearnu interakciju temperature, pritiska i brzine pražnjenja u performansama litijum-jonskih baterija. Rezultati naglašavaju važnost aktivnog upravljanja temperaturom i pritiskom tokom rada baterije kako bi se osigurala optimalna efikasnost i pouzdanost.
Novorazvijeni sistem za ispitivanje omogućava kvantifikaciju korelacija između brzine ohlađenja (C), pritiska i temperature sa visokom tačnošću. Implikacije za razvoj i upravljanje baterijskim paketima su ogromne, kao što je objašnjeno u nastavku.
Tehničke prednosti sistema za upravljanje baterijama
Sa dodatnim uvidima dobijenim iz ispitivanja pojedinačnih ćelija, fokus razvoja skladištenja visokog napona sada je na postizanju optimalnog pritiska unutar ćelijskog paketa. Ovo izbegava gubitak performansi i efekte starenja. Međutim, zbog oticanja baterije, fluktuacije pritiska se i dalje javljaju. Ponašanje pritiska koje proizilazi iz ovog fenomena može se izračunati tokom faze razvoja i preneti u BMS kao prethodni proračun. Ovaj pristup eliminiše potrebu za dodatnim senzorima pritiska u baterijskom paketu.
Kao rezultat toga, delovanje BMS-a je efikasnije, jer se pritisak u steku može proceniti na osnovu uslova napunjenosti i zdravlja ćelije. Ovo bi rezultiralo preciznijim predviđanjem električnih performansi baterijskog paketa. Slika 3 prikazuje šematski dijagram postupka.
Tehničke i ekonomske prednosti za razvoj skladištenja visokog napona
Tokom razvoja baterijskog paketa, prati se simulaciona ispitna petlja za standardnu verziju, koja obuhvata nekoliko faza:
- Ispitivanje i modeliranje jedne ćelije
- Simulacija homogenih procedura na nivou modula i paketa
- Izrada prototipa i ispitivanje.
Ako ispitivanja ne uspeju, proces se mora ponoviti, što zahteva dodatne resurse. Uobičajeni primer za ovo je kada se ciklus vožnje ne može završiti zbog nedovoljnog kapaciteta baterijskog paketa. Ovo je često posledica prekomernog pritiska slaganja, što dovodi do degeneracije ćelija.
Preciznim merenjem pomeranja u širenju pojedinačnih ćelija, sa tačnošću od 1 µm, i procenom električnih performansi pod određenim uslovima pritiska, razvijeni modeli mogu predvideti da li dizajn može dovesti do nedovoljnih performansi ili kvara.
Ova prediktivna sposobnost omogućava efikasnije procese projektovanja i skraćuje iterativne cikluse razvoja, kao što je prikazano na slici 5.
Perspektiva
Trenutna geopolitička situacija povećava pritisak na automobilsku industriju da ubrza tehnološki napredak i ostane konkurentna. Optimizacija procesa razvoja i proizvodnje je odlučujući korak ka smanjenju troškova i ispunjavanju zahteva tržišta. Ilustrovano rešenje razmatra ovaj cilj, na primer povećanjem efikasnosti razvoja i pomoći u isporuci visokokvalitetnog proizvoda.
Reference
[1] Mussa, A.S.; Klett, M.; Lindbergh, G.; Lindström, R.W. Uticaj spoljašnjeg pritiska na performanse i starenje jednoslojnih litijum-jonskih kesičastih ćelija. J. Izvori napajanja 2018, 385, 18–26.
[2] Li, R.; Li, W.; Singh, A.; Ren, D.; Hou, Z.; Ouyang, M. Uticaj spoljašnjeg pritiska i unutrašnjeg naprezanja na performanse i vek trajanja baterije. Materijal za skladištenje energije. 2022, 52, 395–429.
[3] Aiello, L.; Ruchti, P.; Vitzthum, S.; Coren, F. Uticaj pritiska, temperature i brzine pražnjenja na električne performanse komercijalne litijum-jonske baterije. Baterije 2024, 10, 72.
O AUTORU:
Generalni direktor i suosnivač MBTS GmbH
Kao suosnivač i izvršni direktor kompanije MBTS, specijalizovao je kompaniju za razvoj visokopreciznih multifizičkih sistema za ispitivanje kesičastih i prizmatičnih ćelija. Pre toga, radio je nekoliko godina kao inženjer za razvoj i analizu u kompanijama Samsung SDI Battery Systems i AVL. Istovremeno, doktorirao je na Tehničkom univerzitetu u Gracu u oblasti procene bezbednosti litijum-jonskih baterija.
