Battery Swelling - Elektrikli araç bataryaları için en uygun test yöntemi hangisidir?
Kese hücreler ve prizmatik lityum-iyon hücreler yaşlandıkça genişler (batarya şişmesi).(Battery Swelling). Ve bu da batarya paketindeki basıncın artmasına ve aynı zamanda elektriksel performansın düşmesine neden olur. Geleneksel batarya yönetim sistemleri (BMS) bu basıncı veya etkilerini algılamaz, bu da batarya yaşlandıkça şarj durumu (SOC) ve sağlık durumu (SOH) tahminlerinin yanlış olmasına neden olur.
ZwickRoell ve MBTS tarafından geliştirilen test standı, batarya paketlerinin gelecekteki gelişimini önemli ölçüde artırabilir.
Battery Swelling videosu mevcut zorluklar Yeni geliştirilen test sisteminin videosuİklim odası ile ZwickRoell / MBTS test standının karşılaştırılması Avantaj Bize ulaşın
Batarya testine odaklanın: Güvenlik, verimlilik, ilerleme
Lityum-iyon bataryalar, ulaşım ve trafik sektörünün elektrifikasyonunun kilit bir bileşenidir. Araştırma ve geliştirme, kapsamlı kalite güvencesi ile birlikte üretimde, batarya hücresi bileşenleri, batarya hücreleri ve batarya paketleri ile komple yüksek voltajlı depolama sistemlerinin daha da geliştirilmesinde önemli bir rol oynamaktadır. Bu nedenle, kullanılan malzemelerin karakterizasyonu için batarya testi ara ürün özelliklerinin belirlenmesi ve hücre davranışının analizi ilerleme için kritik öneme sahip koşullardır.
Batarya bileşenlerinin mekanik testlerinin yanı sıra, hücrelerin ve hücre sistemlerinin çok işlevli veya çok fiziksel testleri de önemlidir. Yüksek voltajlı depolama sistemlerinin geliştirilmesinde çalışma sırasında güvenilirlik ve güvenlik sağlarlar. Bu, şarj ve deşarj işlemi sırasında batarya davranışını karakterize etmek için kullanılabilir. Bu prosedür batarya yönetim sistemlerinin (BMS) daha da geliştirilmesi için değerli veriler üretir.
Lityum iyon bataryaların geliştirilmesi, üretimi ve kalite güvencesinde güncel zorluklar
LIB teknolojisinde (lityum iyon bataryalar), kese hücreler ve prizmatik hücreler genellikle hücreden pakete veya hücreden modüle konfigürasyonları kullanılarak batarya paketlerinde düzenlenir. Burada optimum elektrik performansısağlamak için, üretim sırasında belirli bir derecede mekanik ön sıkıştırma uygulanır. Bu kontrollü basınç çok önemlidir, çünkü yetersiz sıkıştırma kapasite düşüşüne, elektrik performansında azalmaya ve yaşlanmanın hızlanmasına neden olur. Yine, aşırı basınç da benzer olumsuz etkilere sahiptir.
Mekanik basınç, batarya paketinin yaşam döngüsü için önemlidir. Nedeni: Hücrelerin şarj ve deşarj işlemi sırasında, hücreler genişler ve tekrar daralır. Bu sürece „nefes alma“ da denir. Zamanla, yaşlanma süreçlerine bağlı olarak kademeli bir şişme (Battery Swelling) meydana gelir. Bu değişiklikler, batarya paketinde iç basıncın artmasına neden olur ve bu da ideal çalışma koşullarının aşılmasına yol açabilir. Bu nedenle, bataryanın verimliliğini ve ömrünü korumak için bu mekanik basınçla ilgili hassas bir düzenlemenin sürdürülmesi önemlidir. Bu nedenle, batarya paketinin tasarım aşamasında, hücreler için en uygun sınır koşullarını sağlamak ve tek tek hücre testleri yaparak hücreler için ideal koşulları belirlemek çok önemlidir [1, 2].
Ancak, hem sıcaklığı hem de basıncı zaman senkronize olarak ölçen ve düzenleyen ve aynı zamanda elektriksel protokolleri yürütebilen bir test sistemi şu anda piyasada mevcut değildir. Bu nedenle, batarya hücrelerini karakterize etmek için yeni bir test sistemi geliştirilmiştir.
Yenilikçi çok işlevli test sistemi ve iklim odasına sahip son teknoloji çözüm
LIB çalışması sırasında sıcaklık ve basıncın senkronize kontrolü şimdiye kadar teknik sınırlamalar nedeniyle engellenmiştir. İklim odaları, odadaki hava sıcaklığını ayarlayarak LIB'nin sıcaklığını yalnızca dolaylı olarak düzenleyebilir. Ayrıca, hücredeki mekanik basınç kontrolü yalnızca pasif sistemler ile sağlanabilir, çünkü aktif basınç daha büyük bir iklim odası gerektirecek ve optimum olmayan sıcaklık koşulları nedeniyle sorunlara yol açabilecektir.
ZwickRoell ve MBTS araştırmacıları bu nedenle, şarj ve deşarj işlemi sırasında keseler ve prizmatik hücreler üzerindeki yüzey sıcaklığının ve mekanik basıncın yüksek hassasiyetle düzenlenebileceği veya ölçülebileceği yeni bir yöntem geliştirdiler. [3] Bu yenilikçi sistem, mekanik, termal ve elektriksel parametrelerin hassas bir şekilde ölçülmesini sağlarken, aynı zamanda sıcaklık ve basıncın performansa etkilerini izole eder. Şekil 1, iklim odaları ile yeni test teknolojisi arasındaki teknolojik farklılıkları ve avantajları göstermektedir.
Entegre aktif termal koşullandırmaya sahip baskı plakaları MBTS GmbH'nin patentli bir sistemidir. Bu sistem hücreye mekanik basınç uygular ve ayrıca hücrenin yüzey sıcaklığını kontrol eder. Tüm elektrotermal mekanik sistem, hızlı ve doğru protokoller sağlamak için tamamen otomatiktir. Ve aynı zamanda kullanıcı etkilerini azaltır.
Yeni çoklu fiziksel duyarlılık analizi yöntemi
ZwickRoell ve MBTS tarafından yakın zamanda gerçekleştirilen bir çalışmada ,mekanik basınç, sıcaklık ve deşarj oranlarının poşet tipi lityum iyon hücrelerin performans düşüşü üzerindeki etkisini ölçmeye çalışılmıştır. [2] LGe66 hücreleri farklı C hızlarında, basınç ve sıcaklık koşullarında deşarj edilmiştir. Sonuçlar, batarya paketlerinin tasarımını optimize etmek ve enerji depolama sistemlerinde uzun vadeli güvenilirlik sağlamak için değerli bilgiler sağlamaktadır. Çalışma kontrollü koşullar altında gerçekleştirildi ve üç sıcaklık (5°C, 25°C ve 45°C), dört basınç seviyesi (0,2 MPa, 0,5 MPa, 0,8 MPa ve 1,2MPa) ve üç boşaltma oranı (0,5°C, 1,5°C ve 3,0°C) incelendi.
Mevcut bilimsel çalışmalardan elde edilen aşağıdaki bulgular çalışma tarafından doğrulanmıştır:
Artan baskı performans üzerinde olumsuz bir etkiye sahiptir. Daha yüksek sıcaklıklar da kapasiteyi artırır. Ancak, bu etkilerin kapsamı belirli çalışma koşullarına bağlı olarak değişir. Örneğin, 5°C sıcaklıkta ve 0,5°C deşarj hızında, basıncın 0,2b MPa'dan 1,2 MPa'ya yükselmesi, deşarj kapasitesinde yüzde 5,84'lük bir azalmaya neden olur. Buna karşılık, 45°C'deki azalma sadece yüzde 2,17 olacaktır. Benzer şekilde, 0,5°C ve 0,2 MPa'da sıcaklığın 25°C'den 45°C'ye yükseltilmesi deşarj kapasitesinde yüzde 4,27'lik bir iyileşmeye yol açmaktadır. 1,5°C'lik daha yüksek bir deşarj oranında, aynı sıcaklık değişimi deşarj kapasitesinde yüzde 43,04'lük önemli bir artışa yol açmıştır.
Şekil 2'de gösterildiği gibi, farklı sıcaklık ve basınç seviyelerinde deşarj kapasitesi ile C oranı arasında bir ilişki vardır. Basıncın artırılması, C oranı ve/veya sıcaklık değişir değişmez aynı kapasite kaybına neden olmaz. Bu durum, bu parametreler arasında çoklu fiziksel bir korelasyon olduğunu göstermektedir.
Tablo 1, test edilen tüm şarj durumları için bu deşarj kapasitesinin sayısal değerlerini göstermektedir. İlginç bir gözlem, düşük sıcaklıkta (5°C) ve yüksek C oranında basıncın etkisinin ihmal edilebilir düzeyde olduğu görülmektedir. Analiz edilen hücrenin nominal deşarj kapasitesi 66 Ah'dir.
Bu sonuçlar, lityum-iyon bataryaların performansında sıcaklık, basınç ve deşarj oranlarının karmaşık ve doğrusal olmayan etkileşimini göstermektedir. Sonuçlar, optimum verimlilik ve güvenilirlik sağlamak için batarya çalışması sırasında sıcaklık ve basıncın aktif olarak yönetilmesinin önemini vurgulamaktadır.
Yeni geliştirilen test sistemi, C oranı, basınç ve sıcaklık arasındaki korelasyonların yüksek hassasiyetle ölçülmesini mümkün kılmaktadır. Aşağıda açıklandığı üzere, batarya paketlerinin geliştirilmesi ve yönetimine yönelik etkileri çok büyüktür.
Batarya yönetim sistemi için teknik avantajlar
Tek hücre testinden elde edilen ek bilgilerle, yüksek voltajlı akü geliştirme çalışmalarının odak noktası artık hücre paketinin içindeki optimum basıncı elde etmek üzerine yoğunlaşmıştır. Bu sayede performans kayıpları ve yaşlanma etkileri önlenebilir. Bununla birlikte Battery Swellings nedeniyle basınç dalgalanmaları meydana gelmeye devam eder. Bu fenomenden kaynaklanan basınç davranışı, geliştirme aşamasında hesaplanabilir ve ön hesaplama olarak BMS'ye aktarılabilir. Dolayısıyla bu yaklaşım, batarya paketinde ek basınç sensörlerine olan ihtiyacı ortadan kaldırır.
Sonuç olarak, BMS'nin eylemleri daha etkili hale gelir, çünkü yığın baskısı, hücrenin şarj ve sağlık durumunun koşullarına göre tahmin edilebilir. Bu, batarya paketinin elektrik performansının daha doğru bir şekilde tahmin edilmesini sağlayacaktır. Şekil 3, prosedürün şematik bir gösterimini göstermektedir.
Yüksek voltajlı depolamanın geliştirilmesi için teknik ve ekonomik avantajlar
Batarya paketinin geliştirilmesi sürecinde, standart tasarım için birkaç aşamadan oluşan bir simülasyon test döngüsü izlenir:
- Tek bir hücrenin testi ve modellenmesi
- Modül ve paketleme seviyelerinde homojen prosedürlerin simülasyonu
- Prototip oluşturma ve test.
Testler başarısız olursa, işlem tekrarlanmalıdır ve bu da ek kaynak gerektirir. Böyle bir durumun yaygın bir örneği, batarya paketi kapasitesinin yetersizliği nedeniyle sürüş döngüsünün tamamlanamamasıdır. Bu genellikle aşırı yığın baskısından kaynaklanır ve hücrelerin dejenerasyonuna yol açar.
Tek tek hücrelerin genişlemesindeki kaymayı 1 µm hassasiyetle hassas bir şekilde ölçerek ve belirli basınç koşulları altında elektriksel performansı değerlendirerek, geliştirilen modeller bir tasarımın yetersiz performansa veya arızaya yol açıp açmayacağını tahmin edebilir.
Şekil 5'te gösterildiği gibi bu öngörü yeteneği daha verimli tasarım süreçlerini mümkün kılar ve yinelemeli geliştirme döngülerini kısaltır..
Görünüm
Mevcut jeopolitik durum, otomotiv endüstrisinin teknolojik ilerlemeyi hızlandırması ve rekabet gücünü koruması için baskı yaratmaktadır. Geliştirme ve üretim süreçlerinin optimizasyonu, maliyetleri düşürmek ve pazar gereksinimlerini karşılamak için çok önemli bir adımdır. Sunulan çözüm, geliştirme verimliliğini artırarak ve yüksek kaliteli bir ürün sunmaya katkıda bulunarak bu hedefi göz önünde bulundurmaktadır.
Kaynakça bilgileri
[1] Mussa, A.S.; Klett, M.; Lindbergh, G.; Lindström, R.W. Dış basıncın tek katmanlı lityum-iyon kese hücrelerin performansı ve yaşlanmasına etkileri. J. Power Sources 2018, 385, 18–26.
[2] Li, R.; Li, W.; Singh, A.; Ren, D.; Hou, Z.; Ouyang, M. Dış basınç ve iç gerilimin batarya performansı ve ömrü üzerindeki etkisi. Energy Storage Mater. 2022, 52, 395–429.
[3] Aiello, L.; Ruchti, P.; Vitzthum, S.; Coren, F. Basınç, sıcaklık ve deşarj hızının ticari kese lityum-iyon bataryanın elektriksel performansına etkisi. Bataryalar 2024, 10, 72.
YAZAR HAKKINDA:
MBTS GmbH'nin CEO'su ve kurucu ortağı
MBTS'nin kurucu ortağı ve CEO'su olarak, şirketi kese ve prizma hücreler için yüksek hassasiyetli çoklu fizik test sistemleri geliştirmeye odaklamıştır. Daha önce Samsung SDI Battery Systems ve AVL'de geliştirme ve analiz mühendisi olarak birkaç yıl çalışmıştır. Bununla paralel olarak, Graz Teknik Üniversitesi'nde lityum iyon bataryaların güvenlik değerlendirmesi alanında doktora yaptı.