Вы когда-нибудь задумывались, что питает ваш электромобиль Tesla или BYD?? Электромобили становятся все более распространенными в нашей повседневной жизни, такие термины, как “аккумуляторная батарея,” “модуль,” и “пакет” часто всплывать. Но что именно означают эти термины, и как они работают вместе, обеспечивая питание вашего электромобиля?
Думайте об этом как о сборке из кубиков LEGO.: вы начинаете с отдельных блоков (элементы батареи), объединить их в более мелкие разделы (аккумуляторные модули), и, наконец, создайте полную структуру (аккумуляторная батарея). Точно так же, как каждая деталь LEGO играет решающую роль в конечном творении., Каждый уровень аккумуляторной системы служит определенной цели в обеспечении питания вашего электромобиля..
Теперь давайте более подробно рассмотрим аккумуляторную батарею., модуль и упаковка, а также связь и различие между ними.
Оглавление
Что такое аккумуляторная батарея?
Аккумуляторный элемент — это основная функциональная единица литий-ионной батареи.. Глядя на его структуру, каждая ячейка батареи содержит пять ключевых компонентов: положительный электрод (катод), отрицательный электрод (анод), электролит, сепаратор, и корпус. Катод и анод — это место, где хранятся ионы лития. – материал катода может быть оксидом лития-кобальта (LCO), никель-кобальт-марганец (НКМ), или фосфат лития-железа (ЛФП), тогда как анод обычно изготавливается из графитовых материалов. Электролит действует как путь для перемещения ионов лития.. Сепаратор выполняет двойную роль: он предотвращает прямой контакт между положительным и отрицательным электродами, позволяя ионам лития проходить сквозь. Окончательно, корпус обеспечивает физическую защиту и герметизацию всего аккумулятора..
Литий-ионные аккумуляторные элементы бывают трех основных форматов.: цилиндрический, призматический, и карманные клетки.
Цилиндрический аккумуляторный элемент
Цилиндрические аккумуляторные элементы были первыми литий-ионными батареями, выпущенными в массовое производство.. Они изготавливаются путем намотки катода., анод, и сепаратор в определенном порядке придают форму цилиндра и затем помещают его в металлический корпус.. Наиболее распространенные размеры на рынке сегодня включают в себя 18650 (18диаметр мм, 65длина мм, емкостью около 2,2-3,4Ач), 21700 (21диаметр мм, 70длина мм, емкостью около 4,0-5,0 Ач), и более новый 4680 (46диаметр мм, 80длина мм). Благодаря превосходной надежности и ценовым преимуществам, Цилиндрические аккумуляторные элементы широко используются в электроинструментах., портативные устройства, и электромобили – при этом Tesla является одним из крупнейших пользователей цилиндрических аккумуляторных элементов..
Преимущества цилиндрических аккумуляторных элементов
1. Их производственный процесс является наиболее зрелым и высокоавтоматизированным., что приводит к значительной экономической выгоде и стабильному качеству продукции.
2. Цилиндрическая форма обеспечивает равномерное распределение напряжений при внутреннем давлении., обеспечение превосходной механической прочности.
3. Высокая степень стандартизации – товары разных производителей взаимозаменяемы.
4. Большое соотношение площади поверхности к объему, что делает их лучше при отводе тепла.
Недостатки цилиндрических аккумуляторных элементов
1. Наиболее заметной проблемой является их низкая эффективность использования пространства.. Цилиндрические формы естественным образом создают зазоры при упаковке в прямоугольные пространства., в результате теряется пространство.
2. Из-за их относительно небольшой индивидуальной емкости, создание аккумуляторной системы большой емкости требует последовательного и параллельного соединения множества аккумуляторных ячеек.. Это увеличивает количество точек подключения и усложняет сборку..
3. Цилиндрические аккумуляторные элементы обычно имеют меньшую плотность энергии по сравнению с пакетными элементами., что несколько ограничивает их использование в приложениях, требующих высокой плотности энергии..
4. Их фиксированные размеры ограничивают гибкость конструкции., что затрудняет оптимизацию формы батареи для конкретных применений.
Призматический аккумуляторный элемент
В призматических аккумуляторных элементах для корпуса используются жесткие алюминиевые или стальные корпуса., с внутренней структурой, изготовленной с использованием процессов намотки или штабелирования. Как основной формат батареи, призматические ячейки имеют относительно гибкие размеры и большую индивидуальную емкость., от 20 Ач до 314 Ач, некоторые производители даже производят аккумуляторные батареи емкостью 560 Ач.. В настоящее время, призматические элементы в основном используются в электромобилях., коммерческие электромобили, и системы хранения энергии. Крупнейшие производители аккумуляторов, такие как BYD, CATL и Лысый являются призматическими клетками, производящими массовое производство.
Преимущества призматических аккумуляторных элементов
1. Прямоугольная конструкция обеспечивает лучшее использование пространства., помогает увеличить плотность энергии аккумуляторных блоков.
2. Большие контактные поверхности призматических ячеек облегчают отвод тепла., что полезно для управления температурой батареи.
3. Более высокая емкость отдельных ячеек означает меньшее количество последовательных и параллельных соединений по сравнению с цилиндрическими ячейками., упрощение конструкции системы.
4. Большие плоские поверхности делают установку и сборку аккумулятора более удобной..
Недостатки призматических аккумуляторных элементов
1. По сравнению с цилиндрическими клетками, призматические ячейки имеют более высокие производственные затраты и требуют более строгих производственных процессов..
2. По своему внутреннему строению, призматические элементы имеют тенденцию несколько разбухать во время циклов зарядки и разрядки., требующее дополнительного места и дополнительных ограничений в механической конструкции.
3. Характеристики призматических ячеек значительно различаются у разных производителей в отрасли., что затрудняет обмен между различными брендами.
Мешок Ячейка
В качестве внешней оболочки в пакетных ячейках используется алюминиево-пластиковая пленка., обычно со многоуровневой внутренней структурой. Алюминиевая пластиковая пленка состоит из нескольких слоев композитных материалов, включая нейлон., алюминиевая фольга, и полипропилен, делает его легким и экономичным. В бытовой электронике, Пакетные ячейки бывают разных размеров и мощностей для удовлетворения различных требований к продукту. – например, Аккумуляторы смартфонов обычно имеют емкость 3-4 Ач., в то время как аккумуляторы ноутбуков могут достигать 5-8 Ач. В настоящее время, Пакетные элементы в основном используются в бытовой электронике. (например, смартфоны, таблетки, и ноутбуки) и портативные электронные устройства.
Преимущества ячеек-мешков
1. Благодаря легкому алюминиево-пластиковому пленочному корпусу, они имеют высокую гравиметрическую плотность энергии (энергия на единицу веса).
2. Пакетные ячейки обеспечивают большую гибкость конструкции, позволяющая настраивать размер и форму для различных применений.
3. Многослойная внутренняя структура обеспечивает плотный контакт между проводящими слоями., что приводит к низкому внутреннему сопротивлению и хорошей производительности.
4. Во время теплового разгона, Ячейки кармана имеют тенденцию сбрасывать внутреннее давление за счет набухания и деформации., а не насильственный взрывной провал.
Недостатки карманных клеток
1. Алюминиевый пленочный корпус имеет относительно низкую механическую прочность и уязвим к внешним повреждениям., требующие дополнительных конструктивных элементов для защиты.
2. Пакетные ячейки требуют строго контролируемых производственных условий., особая чувствительность к влаге. Процесс герметизации должен выполняться в строго контролируемой сухой среде..
3. При хранении и транспортировке необходима особая осторожность во избежание воздействия влаги и физического давления., что увеличивает затраты на логистику.
4. Пакетные элементы обычно имеют более низкую производительность по сравнению с батареями в твердом корпусе., что несколько влияет на их ценовую конкурентоспособность.
Что такое аккумуляторный модуль?
После введения наименьшей единицы – аккумуляторная ячейка – давайте рассмотрим следующий уровень аккумуляторной системы: аккумуляторный модуль. Батарейный модуль — это функциональный блок, созданный путем последовательного и параллельного соединения нескольких аккумуляторных ячеек.. Он включает в себя не только сами аккумуляторные элементы, но также основные электрические соединения и функции защиты.. Проще говоря, если элементы батареи похожи на строительные блоки, то базовым конструктивным блоком из этих блоков является аккумуляторный модуль.
Батарейные модули играют решающую промежуточную роль в общей аккумуляторной системе.. Благодаря правильному последовательному соединению, они могут повысить напряжение одного элемента батареи (обычно 3,2-3,7 В) до необходимого уровня (например, 48 В или выше). Параллельные соединения увеличивают емкость и выходную мощность.. Помимо улучшения электрических характеристик, конструкция аккумуляторного модуля должна решать множество технических задач, включая балансировку аккумуляторных элементов., контроль температуры, и структурная поддержка.
Глубокое понимание аккумуляторных модулей необходимо для проектирования и применения всей аккумуляторной системы.. Если вы хотите узнать больше о аккумуляторных модулях, не стесняйтесь прочитать нашу специальную статью: что такое аккумуляторный модуль?. В этой статье представлена более подробная информация о аккумуляторных модулях..
Понимая как аккумуляторные элементы, так и аккумуляторные модули, мы заложили основу для изучения принципа работы аккумуляторных блоков и их конструктивных особенностей.. Аккумуляторный блок объединяет несколько аккумуляторных модулей, образуя полноценную систему хранения энергии.. Продолжим изучение аккумуляторов..
Что такое аккумуляторная батарея?
Аккумуляторный блок — это аккумулятор энергии более высокого уровня, чем аккумуляторный модуль.. Несколько аккумуляторных модулей соединены последовательно и параллельно через тщательно спроектированные системы шин для достижения требуемых уровней напряжения и емкости.. Однако, аккумуляторный блок — это не просто комбинация аккумуляторных модулей – это сложная система. Полная система аккумуляторных батарей в основном включает в себя: массив аккумуляторных модулей, система управления батареями (БМС), система терморегулирования (ТМС), высоковольтный распределительный блок, система структурной поддержки, и различные датчики.
Конфигурации аккумуляторных блоков существенно различаются в зависимости от их применения.. В электромобилях, Напряжение аккумуляторной батареи обычно находится в диапазоне 300-400 В. (с некоторыми моделями высокого класса, использующими системы на 800 В.), и мощность варьируется от 30 кВтч до 100 кВтч.. Коммерческим электромобилям могут потребоваться конструкции еще большей мощности. В приложениях для хранения энергии, диапазон простирается от нескольких кВтч для домашнего хранения энергии до сотен МВтч для хранения энергии на уровне сети..
БМС
Система управления батареями (БМС) действует как “мозг” аккумуляторной батареи. Необходимо отслеживать и управлять различными рабочими параметрами в режиме реального времени, чтобы обеспечить безопасную и эффективную работу системы.. Полная система BMS обычно включает в себя главный контроллер и несколько подчиненных контроллеров., формирование иерархической структуры управления. Главный контроллер осуществляет управление и принятие решений на уровне системы., в то время как подчиненные контроллеры работают на уровне модулей для сбора более подробных данных.
Основной задачей BMS является обеспечение безопасности аккумуляторной системы.. Это происходит путем контроля напряжения., текущий, температура, и другие параметры в режиме реального времени, чтобы убедиться, что батарея работает в безопасных пределах.. Если обнаружена какая-либо аномалия, BMS немедленно принимает защитные меры, например, отключение высоковольтной цепи или включение системы охлаждения.. Кроме того, BMS управляет контролем предварительной зарядки, постепенное создание высокого напряжения через схему предварительной зарядки во время запуска системы, чтобы предотвратить повреждение компонентов из-за скачков тока.
Балансировка аккумуляторных элементов — еще одна важная функция BMS.. Во время работы аккумуляторной батареи, состояние отдельных аккумуляторных ячеек может отличаться из-за производственных различий и различных условий эксплуатации.. BMS использует методы активной или пассивной балансировки для регулировки состояния заряда отдельных элементов батареи., гарантируя, что они остаются последовательными. Это жизненно важно для увеличения срока службы и производительности аккумуляторной батареи..
Точная оценка заряда также является ключевой задачей BMS.. В отличие от указателей уровня топлива в традиционных автомобилях, оценка состояния заряда (СОЦ) а оставшийся запас хода у электромобилей гораздо сложнее. BMS должна учитывать множество факторов, включая состояние батареи в реальном времени., исторические данные об использовании, температура окружающей среды, и условия вождения для построения точных моделей оценки. Одновременно, он оценивает состояние батареи (СОХ) и прогнозирует тенденции снижения мощности, предоставление важной информации для пользователей и обслуживающего персонала.
Система терморегулирования
Система терморегулирования (ТМС) имеет решающее значение для обеспечения производительности и безопасности аккумуляторной батареи.. Литиевые батареи выделяют значительное количество тепла во время работы., который, если не рассеяться быстро, может не только повлиять на производительность, но и привести к проблемам с безопасностью. Текущие основные решения по управлению температурным режимом включают в себя: системы воздушного охлаждения, системы жидкостного охлаждения, и системы охлаждения материалов с фазовым переходом. В электромобилях, системы жидкостного охлаждения становятся доминирующим выбором из-за их превосходного рассеивания тепла и экономии пространства.. Для систем хранения энергии, могут использоваться различные решения по охлаждению в зависимости от требований к мощности и условий эксплуатации.. Комплексная система управления температурным режимом должна учитывать не только охлаждение, но и обогрев в холодных условиях. – это важно для поддержания производительности зарядки/разрядки аккумулятора и его долговечности..
Безопасность Защита
Защита безопасности является решающим фактором при проектировании аккумуляторной батареи.. Аккумуляторные блоки требуют наличия нескольких механизмов защиты., включая: электробезопасность, термическая защита от неуправляемого движения, и структурная безопасность. По электробезопасности, упаковка должна быть оборудована устройствами отключения высокого напряжения, контроль изоляции, и защита от перезаряда и чрезмерной разрядки. Для защиты от термического разгона, конструкция должна включать в себя барьеры распространения тепла, системы оповещения, и устройства сброса давления. Что касается структурной безопасности, рюкзак должен быть водонепроницаемым, защита от пыли, виброустойчивость, и защита от сбоев. Особенно в автомобильной промышленности, аккумуляторные блоки должны соответствовать строгим стандартам безопасности при столкновении.
Приложения
Аккумуляторные блоки имеют разные приоритеты конструкции для разных применений..
В электромобилях, согласование аккумуляторной батареи со всей системой автомобиля — сложный процесс. Сначала идет механическая интеграция – аккумуляторная батарея должна быть тесно интегрирована с кузовом автомобиля, удовлетворение как требований к пространству, так и обеспечение прочности конструкции и безопасности при столкновении. Далее идет электрическая интеграция, требующие согласования с высоковольтными и зарядными системами автомобиля. Затем есть интеграция управления температурным режимом., который должен работать с системой кондиционирования автомобиля для эффективного контроля температуры.. Окончательно, необходимо учитывать такие факторы, как распределение веса транспортного средства и контроль затрат.. Пассажирские электромобили обычно используют “скейтборд” дизайн, установка аккумуляторной батареи под шасси – это одновременно снижает центр тяжести для лучшей управляемости и максимально эффективно использует пространство автомобиля..
В приложениях для хранения энергии, Приоритеты проектирования аккумуляторных батарей отличаются от приложений для электромобилей. По сравнению с использованием электромобилей, аккумуляторные батареи для хранения энергии больше ориентированы на масштабируемость системы, цикл жизни, и экономическая эффективность, при этом более мягкие требования к плотности мощности и ограничениям по объему. Крупные станции хранения энергии обычно используют контейнерные конструкции., органично сочетать несколько систем аккумуляторных батарей с независимыми системами противопожарной защиты и контроля окружающей среды. Кроме того, аккумуляторные батареи для хранения энергии требуют специализированных систем управления энергопотреблением (EMS) оптимизировать стратегии зарядки/разрядки, улучшить экономику системы, и сократить эксплуатационные расходы.
Различия между аккумуляторными батареями, Модуль и пакет
Взаимосвязь между ячейками аккумулятора, модули, и упаковки — это не просто процесс штабелирования, а скорее результат комплексных соображений, включая производительность, безопасность, и факторы стоимости. Давайте рассмотрим различия и связи между этими тремя уровнями с разных точек зрения..
Функциональный
С функциональной точки зрения, каждый уровень имеет свою направленность. В качестве базовой единицы, Элементы аккумуляторной батареи в первую очередь выполняют функцию преобразования электрохимической и электрической энергии., хранение и высвобождение энергии посредством внутренних электрохимических реакций.. Батарейные модули в основном служат для эффективного объединения аккумуляторных элементов., обеспечение основных электрических соединений и механической поддержки, обеспечивая предварительную защиту аккумуляторных элементов. Аккумуляторная батарея представляет собой полноценную систему, которая не только сохраняет энергию, но и реализует функции системного уровня, включая комплексное управление батареями., управление температурным режимом, и защита безопасности.
Производительность
По ТТХ, между этими тремя уровнями есть явные различия. Отдельные элементы батареи обычно работают при напряжении 3,2–3,7 В., с емкостью от нескольких до нескольких сотен ампер-часов.. Их эксплуатационные характеристики определяют основные возможности всей системы хранения энергии.. Например, Плотность энергии аккумуляторной батареи напрямую влияет на дальность действия системы, в то время как его скорость определяет скорость зарядки и разрядки.
Батарейные модули объединяют несколько аккумуляторных ячеек последовательно и параллельно для достижения более высокого напряжения и большей емкости.. Кроме того, батарейные модули обеспечивают структурную поддержку, гарантируя правильное выравнивание и надежную фиксацию элементов батареи.. Батарейные модули также включают в себя базовые функции определения напряжения и контроля температуры.. Что еще более важно, конструкция аккумуляторного модуля должна учитывать требования к охлаждению, обычно включает специальные охлаждающие каналы или охлаждающие пластины.. Все эти элементы конструкции закладывают основу для системной интеграции на уровне аккумуляторной батареи..
Аккумуляторные блоки не только содержат несколько аккумуляторных модулей, но также включают в себя полноценные системы BMS и системы управления температурным режимом.. Таким образом, их отличительной особенностью является полнота системы и обширная функциональность..
За счет увеличения количества вспомогательных компонентов на каждом уровне, Плотность энергии постепенно снижается от аккумуляторных элементов к аккумуляторным модулям и аккумуляторным блокам.. В качестве примера рассмотрим конкретную батарею NCM., Плотность энергии аккумуляторных элементов может достигать 260 Втч/кг., Плотность энергии аккумуляторного модуля составляет около 230 Втч/кг., в то время как аккумуляторная батарея падает примерно до 190 Втч/кг..
Структура затрат
Существуют также существенные различия в структуре затрат.. В общей стоимости аккумуляторной батареи, элементы аккумуляторной батареи составляют наибольшую часть примерно 50%, катодные материалы являются основной составляющей стоимости аккумуляторных элементов.. На уровне аккумуляторного модуля, увеличение затрат из-за конструктивных элементов и соединителей. Уровень аккумуляторной батареи увеличивает системные затраты для BMS., управление температурным режимом, и структурная защита. Такое распределение затрат указывает на то, что снижение стоимости аккумуляторных элементов является ключом к улучшению экономики всей системы хранения энергии..
Стоит отметить, что с развитием технологий, традиционная трехуровневая структура продолжает развиваться. Например, некоторые производители ввели CTP (От ячейки к упаковке) технология, что упрощает традиционный “пакет модулей ячеек” иерархия путем перехода непосредственно от ячейки к упаковке. Хотя это нововведение приводит к улучшению плотности энергии, это также предъявляет более высокие требования к процессам проектирования и производства..
В заключение, важно знать SOC и SOH аккумулятора. Для пользователей, они могут определить состояние батареи, а также лучше использовать и обслуживать ее.. Для производителей, они могут постоянно обновлять свою продукцию и технологии для производства аккумуляторов с более высокими эксплуатационными характеристиками..
