Аналіз запобіжних конструкцій для призматичних алюмінієвих-кришок силових батарей: синергетичний захист через екранне меню, запобіжник і-вибухозахищений клапан

Зі швидким розвитком нових енергетичних транспортних засобів, систем накопичення енергії та електричного транспорту вимоги до безпеки, надійності та постійності енергії та акумуляторів для накопичення енергії продовжують зростати. Будучи основним елементом акумуляторної системи, елемент живлення батареї не тільки забезпечує накопичення та вивільнення енергії, але й має внутрішній тиск, температуру, електрохімічні реакції та механічні структурні стани, які безпосередньо впливають на безпеку всього блоку. Отже, у призматичних алюмінієвих-конструкціях акумуляторів механізми безпеки-такі як скидання тиску, переривання струму та реакція на ненормальні умови-отримують таку ж увагу промисловості, як основні компоненти, такі як клеми, кришки та корпуси.

 

Акумуляторні батареї з призматичним алюмінієвим-корпусом зазвичай використовують металеві корпуси, що забезпечує високу міцність конструкції, ефективне використання простору та легкість модульної інтеграції. У таких додатках, як нові енергетичні транспортні засоби та системи зберігання енергії, ці елементи повинні витримувати різні робочі умови, включаючи заряджання, розряджання, коливання температури та механічні вібрації. У разі виникнення таких проблем, як перезаряд, внутрішнє коротке замикання, ненормальне нагрівання або постійне накопичення газу, внутрішній тиск може швидко зрости; отже, запобіжні механізми на кришці повинні виконувати відповідні захисні дії відповідно до конкретної стадії несправності.

 

З точки зору конструкції безпеки механізми безпеки в кришці батареї в призматичному алюмінієвому-корпусі являють собою не простий єдиний захисний компонент, а радше багаторівневу систему захисту, яка керується різними механізмами запуску. До типових компонентів у традиційних конструкціях належать пристрій безпеки від перезаряду (OSD), запобіжник-переривання струму та механізм-скидання тиску (вибухозахищений-клапан). Ці три компоненти усувають ризики, пов’язані з ненормальною напругою, струмом і внутрішнім тиском, відповідно, виконуючи різні функції безпеки на різних етапах несправності.

 

За нормальних умов експлуатації внутрішні компоненти батареї зберігають стабільні електричні з’єднання та механічну цілісність. У разі аномального заряджання або інших несправностей внутрішні електрохімічні реакції можуть утворювати надлишок газу, спричиняючи поступове підвищення внутрішнього тиску. Якщо ненормальний стан зберігається, необхідно спочатку зменшити споживання енергії за допомогою електричних або механічних засобів; якщо тиск згодом перевищує межі, які можуть витримати кожух і ущільнювальні конструкції, механізм-скидання тиску повинен випускати внутрішній газ. Таким чином, конструкція безпеки батареї зазвичай дотримується стратегії «--захисту в глибину», яка просувається від виявлення аномалії до переривання струму та, нарешті, до скидання тиску в екстремальних сценаріях.

 

 

 

OSD-або пристрій захисту від перезаряду-– це механічний захисний механізм, який використовується в певних призматичних алюмінієвих-конструкціях акумуляторів для захисту від аномалій перезаряду. Його основною функцією є не просто безпосередній випуск тиску, а й ініціювання механічної дії, коли внутрішній тиск досягає встановленого порогу, таким чином переводячи контур у певний захисний стан.

 

У деяких традиційних конструкціях OSD розташовується поблизу негативної клеми та складається з металевого компонента, здатного до пружної деформації. За нормальних робочих умов цей компонент підтримує встановлений стан ізоляції або з’єднання щодо навколишніх провідних структур. Коли батарея перезаряджається, що супроводжується утворенням внутрішнього газу, тиск підвищується; коли досягнуто проектного діапазону спрацьовування, металевий елемент (часто це диск із замиканням) деформується та змінює положення, встановлюючи певний електричний шлях із відповідними провідними компонентами.

 

Критична цінність цієї механічної дії полягає в її здатності перетворювати зміни внутрішнього тиску в зміни стану контуру. На відміну від систем, які повністю покладаються на електронне керування для виявлення аномалій, цей механічний тригерний механізм реагує незалежно, служачи додатковою функцією безпеки в системі акумулятора.

 

Важливо зауважити, що конкретна структура, тиск спрацьовування та метод активації екранного меню різняться в різних акумуляторах. У міру розвитку архітектури елементів, номінальної напруги, ємності та стратегій безпеки деякі новіші конструкції кришки акумулятора замінили або переробили традиційний підхід екранного меню на користь альтернативних захисних структур. Отже, проектування кришки батареї вимагає вибору відповідної захисної структури на основі специфічної хімії елемента, характеристик тиску та стандартів безпеки, а не просто застосування фіксованих параметрів.

 

 

У той час як екранне меню в основному виконує функцію механічного запуску, запобіжник відповідає за розрив ланцюга під час аномальних подій струму. Певні ненормальні умови батареї можуть генерувати миттєві струми, що значно перевищують нормальний робочий рівень; у таких випадках потрібна керована структура запобіжника, щоб швидко розірвати шлях струму.

 

Запобіжники зазвичай досягають певної -пропускної здатності за струмом через конструкцію їх-площі поперечного перерізу. Вони зберігають стабільну провідність під час нормального заряджання та розряджання; однак, коли ненормальний струм перевищує розрахункову межу, у локалізованій зоні виникає надмірне джоулеве нагрівання, що призводить до швидкого нагрівання та плавлення елемента запобіжника, що порушує електричне з’єднання.

 

Для батарейних систем основним завданням конструкції запобіжника є не просто досягнення якнайшвидшого переривання, а й досягнення балансу між надійністю роботи за нормальних умов і швидкістю реагування під час аномалій. Занадто низький номінал запобіжника може призвести до неприємного відключення під час нормальної роботи, тоді як занадто високий поріг може не спромогтися оперативно контролювати струми замикання. Тому потрібен комплексний підхід до проектування з урахуванням таких факторів, як номінальний струм елемента, піковий струм, струм-короткого замикання, температура навколишнього середовища та структура з’єднання.

 

У деяких конструкціях батареї запобіжник вбудовано в роз’єм кришки, клемний стовп або інші провідні конструкції, щоб зменшити кількість окремих компонентів і скоротити шлях для ненормальних струмів. Для літій-іонних-енергетичних-батарей із високою{1}}енергією зміна струму під час аномального короткого-замикання відбувається надзвичайно швидко; отже, геометрія, матеріал, опір і теплові характеристики конструкції запобіжника повинні бути ретельно перевірені.

 

Вибухозахищений клапан виконує функцію скидання надзвичайного тиску.

 

Внутрішній тиск може продовжувати зростати під час серйозних температурних аномалій, внутрішніх коротких замикань або тривалого утворення газу в батареї. Якщо припинення струму не зупиняє внутрішню реакцію, конструкція скидання тиску стає критично важливим компонентом пасивної безпеки.

 

Вибухозахищені клапани, як правило, інтегровані в кришку призматичних алюмінієвих-корпусів акумуляторів, причому тиск відкриття контролюється попередньо-спроектованою слабкою точкою або зоною. Коли внутрішній тиск досягає зазначеного діапазону, клапан розривається або відкривається вздовж зазначеної зони, дозволяючи внутрішнім газам випускатися в контрольованому напрямку, тим самим зменшуючи ризик ненавмисного розриву корпусу.

 

Вибухозахищений-клапан — це, по суті, структура регулювання тиску; його конструкція повинна збалансувати тиск відкриття, здатність до скидання, міцність матеріалу, ефективність ущільнення та шлях випуску після активації. Тиск відкриття не може бути занадто низьким, оскільки це може призвести до випадкової активації під час нормального виробництва, транспортування або використання; і навпаки, він не може бути занадто високим, оскільки це може перешкодити своєчасному скиданню тиску до того, як корпус досягне своєї структурної межі.

 

Для систем накопичення енергії та акумуляторних батарей нових транспортних засобів, які використовують літієві батареї, вибухозахищений-клапан має бути розроблено разом із загальною структурою блоку. Під час активації високотемпературні гази та пари електроліту мають бути випущені в напрямку, який дозволяє уникнути прямого зіткнення з сусідніми елементами, шинами, з’єднувачами чи іншими компонентами високої{3}}напруги. Таким чином, оцінка механічних властивостей клапана окремо недостатня для задоволення фактичних вимог безпеки; Перевірка-системного рівня, яка враховує внутрішній простір акумуляторної батареї та шляхи поширення тепла, також є важливою.

 

 

 

З точки зору робочих механізмів, OSD, запобіжник і-вибухозахищений клапан відповідають різним рівням ризику безпеки. OSD в основному покладається на механічну активацію, викликану специфічними умовами ненормального тиску; запобіжник спрямований на переривання ненормальних струмів; а вибухозахищений-клапан призначений для скидання тиску під час більш екстремальних ситуацій.

 

Ця багатошарова конструкція втілює концепцію «-за-глибини захисту» в системі безпеки батареї. За нормальних умов експлуатації різні конструкції безпеки не перешкоджають стандартній продуктивності заряду та розряду акумулятора. Коли виникає аномалія, ці захисні конструкції вмикаються послідовно залежно від тяжкості несправності; якщо електричний захист не в змозі повністю стримувати ненормальний стан, механічна конструкція скидання тиску служить останньою лінією пасивного захисту.

 

На практиці не всі елементи батареї використовують ідентичні конфігурації екранного меню (пристрою захисту від перезаряду), запобіжника та-вибухозахищеного клапана. Варіації в хімічному складі елемента, ємності, номінальній напрузі та сценаріях застосування вимагають різних рішень безпеки для вузла кришки елемента. Отже, процес інженерного проектування надає перевагу комплексному аналізу режиму відмови, а не простому оцінюванню наявності певних компонентів безпеки.

 

 

Конструкції безпеки всередині кришки виконують лише частину загальної функції безпеки батареї; сам процес виробництва клітин безпосередньо впливає на надійність кінцевого продукту. Як приклад візьмемо елементи з призматичним алюмінієвим-корпусом, виробництво зазвичай включає кілька етапів: підготовка електродів, складання елемента, герметизація корпусу, заповнення електролітом, формування, класифікація ємності та тестування.

 

Виробництво електродів, як правило, починається зі змішування активних матеріалів, провідних речовин, зв’язуючих речовин і розчинників для створення стабільної суспензії з подальшим нанесенням покриття, сушінням, каландруванням і різанням. Такі фактори, як рівномірність дисперсії суспензії, товщина покриття, поверхнева щільність і якість країв електродів, впливають на подальшу електрохімічну продуктивність.

 

Під час складання елемента позитивний електрод, негативний електрод і сепаратор об’єднуються-шляхом намотування або складання-, щоб утворити оголений елемент. Для підключення електродних контактів до струмоприймачів зазвичай потрібні процеси зварювання, адаптовані до конкретної системи матеріалу. Зона зварювання повинна мати достатню механічну міцність, зводячи до мінімуму бризки, задирки та локальні зони-впливу тепла, щоб запобігти пошкодженню сепаратора та інших внутрішніх структур.

 

Згодом оголену комірку вставляють в алюмінієвий корпус, а кришку прикріплюють і герметизують. Для створення герметичного ущільнення між кришкою і кожухом зазвичай використовується прецизійне зварювання. Для призматичних комірок шов корпусу і зона зварювання кришки є критичними точками для підтримки герметичності; дефекти зварювання можуть призвести до витоку електроліту, проникнення вологи або витоку внутрішніх газів, що потребує ретельного ущільнення та перевірки герметичності. Після заповнення електролітом елемент батареї проходить такі процеси, як герметизація, формування та оцінка ємності.

 

Процес утворення активує клітину за допомогою певного протоколу заряду-розряду та створює стабільний міжфазний шар твердого електроліту (SEI).

 

Оскільки параметри формування впливають на початкову ємність клітини, внутрішній опір і подальшу циклічну продуктивність, суворий контроль процесу є важливим.

 

Для продуктів, призначених для систем накопичення енергії, елементи також мають бути сумісні зі структурами-рівня системи, наприклад комплектами акумуляторних батарей. Це вимагає оцінки не лише продуктивності самих клітин, але й таких факторів, як між-з’єднання клітин, керування температурою, ізоляційні проміжки та усунення несправностей.

 

 

Незважаючи на те, що кришка призматичної алюмінієвої-корпусної батареї є відносно компактною, вона об’єднує клеми, ущільнювальні конструкції, вибухозахищені механізми й інші компоненти електричного з’єднання, що робить її важливою функціональною зоною елемента. Конструкція кришки має відповідати одночасно різноманітним вимогам, зокрема механічній міцності, ізоляційним характеристикам, герметичності, -пропускній здатності по струму та можливостям безпеки.

 

По-перше, клеми та провідні з’єднувальні структури мають забезпечувати стабільну пропускну здатність-струму та підтримувати низький контактний опір під час тривалого-перемикання. По-друге, ізоляційна структура повинна забезпечувати відповідну електричну ізоляцію між позитивними та негативними клемами, а також між клемами та корпусом. По-третє, інтерфейс між кришкою та корпусом має підтримувати стабільну герметичність, щоб мінімізувати ризик потрапляння вологи та забруднень у комірку.

 

У літієвих-іонних-елементах високої місткості збільшене внутрішнє накопичення енергії може призвести до більшого виділення тепла та газу під час аномальних умов; отже, механічна конструкція та можливості реагування безпеки конструкції кришки повинні бути відповідно покращені. Враховуючи тривалий термін експлуатації та велику кількість циклів заряду-розряду, характерних для програм накопичення енергії, стійкість до втоми, стійкість до корозії та довготривала -стабільність герметизації компонентів кришки також є важливими напрямками.

 

 

Оскільки нова енергетична галузь продовжує розвиватися, застосування акумуляторів вийшло за межі автомобільних силових агрегатів і охопило накопичення енергії в житлових приміщеннях, накопичувачі енергії C&I (комерційні та промислові), резервне живлення для телекомунікацій і-великомасштабне накопичення енергії в мережах. Різні сценарії застосування висувають різні вимоги до структур безпеки акумулятора. У секторах побутового та комерційного/промислового зберігання енергії літієві акумуляторні блоки для систем зберігання сонячної енергії зазвичай працюють у відносно фіксованих середовищах; однак через їх тривалий життєвий цикл і велику системну ємність довгострокова-надійність, керування температурою та можливості ізоляції несправностей мають першочергове значення.

 

Для побутових накопичувачів енергії літій{0}}іонні батареї мають не лише відповідати основним вимогам до зберігання енергії, але й враховувати обмеження простору, коливання температури навколишнього середовища та легкість обслуговування. Конструкція безпеки кришки комірки повинна функціонувати в координації з системою керування батареєю (BMS), конструкцією корпусу та системою керування температурою.

 

У системах зберігання енергії в поєднанні з відновлюваними джерелами енергії літій-іонні батареї часто піддаються циклам заряду-розряду; отже, узгодженість комірок і стабільність циклу служать критичними основами для проектування системи. Водночас внутрішні з’єднувальні структури та компоненти безпеки акумуляторної батареї мають бути достатньо міцними, щоб витримувати довго-робочі умови.

 

Оскільки акумуляторні системи стають все більш модульними, дизайн літій-іонних акумуляторних блоків перейшов від фокусування лише на продуктивності окремих елементів до пріоритетного управління безпекою-на рівні системи. Це охоплює кілька рівнів, включаючи моніторинг осередків, визначення температури, захист від перевантаження по струму, моніторинг ізоляції та усунення несправностей.

 

 

В даний час ринок пропонує різноманітний асортимент літієвих батарей; різні катодні матеріали та електрохімічні системи демонструють різні рівні термічної стабільності, робочої напруги та щільності енергії. Наприклад, елементи живлення LiFePO4 (LFP) забезпечують чудову термічну стабільність, завдяки чому вони широко застосовуються в системах накопичення енергії, тоді як системи з високою -енерго-щільністю можуть вимагати більшої уваги до управління температурою, структурної цілісності та захисту від перегріву.

 

Незалежно від використовуваної хімії, конструкції захисних конструкцій повинні перевірятися на основі конкретних систем матеріалів і умов експлуатації. Параметри тиску, номінальний струм або вибухонепроникні-структури, пов’язані з одним типом осередків, не можна просто застосувати як універсальний стандарт проектування для всіх продуктів.

 

Для великомасштабних-систем зберігання енергії питання поширення тепла між осередками потребує подальшого розгляду. Коли аномалія виникає в одній комірці, структура безпеки повинна не лише містити ризик, пов’язаний із цією конкретною коміркою, але й мінімізувати ймовірність поширення аномалії на сусідні комірки. Тому захист-на рівні комірки, ізоляція-на рівні модуля та-системи пожежогасіння й вентиляції мають бути інтегровані, щоб сформувати комплексний ланцюг безпеки.

 

 

Вибухозахищений-клапан не працює ізольовано; він безпосередньо пов'язаний з корпусом комірки, ущільнювальною конструкцією кришки та вентиляційними каналами системи. За нормальних умов експлуатації внутрішня частина батареї має підтримувати високий рівень герметичності, щоб запобігти проникненню вологи та зовнішніх забруднювачів, а також забезпечити, щоб внутрішній електроліт не витік через зону монтажу кришки. У разі ненормального утворення газу вибухозахищений механізм має спрацювати негайно за проектного порогового значення тиску.

 

Отже, етап інженерної перевірки зазвичай зосереджується на таких факторах, як герметичність, тиск активації, напрямок скидання тиску та структурна цілісність після активації. Для комірок різної ємності оцінки також повинні враховувати швидкість утворення газу та внутрішні просторові обмеження; це гарантує, що вибухозахищена конструкція-відповідає вимогам до герметичності під час нормальної роботи, одночасно забезпечуючи достатню здатність скидання тиску за ненормальних умов.

 

 

 

За останні роки структурна конструкція батареї змінилася від одно-компонентного захисту до багато-багаторівневого синергічного підходу до безпеки. У той час як минулі зусилля зосереджувались насамперед на тому, чи володіють окремі клітини вибухозахищеними-захистами та захистом від перевантаження по струму, поточні інженерні розробки підкреслюють синергію між матеріалами, елементами, кришками, модулями, акумуляторними блоками та системами керування.

 

Для таких застосувань, як «літієві батареї SuperPack» із високою-енергетичною-щільністю, розробники систем повинні одночасно звернути увагу на безпеку внутрішньої клітини, електричний захист, керування температурою та механічний захист. Незважаючи на те, що компоненти безпеки на кришці невеликі за розміром, вони відіграють вирішальну роль у забезпеченні захисту під час ненормальних подій; отже, їхня точність і послідовність виготовлення є найважливішими.

 

У секторі автомобілів з новою енергією акумуляторні системи розвиваються в напрямку вищої напруги, вищої щільності енергії та більшої інтеграції; у секторі накопичення енергії потужність системи та термін експлуатації постійно зростають. Ці тенденції пред'являють підвищені вимоги до структури кришок батарейних елементів. У майбутніх конструкціях кришки, ймовірно, буде віддано пріоритет функціональній інтеграції, мініатюризації, високій надійності та інтелектуальним можливостям, одночасно підвищуючи рівень безпеки під час ненормальних умов завдяки точному контролю тиску та оптимізації матеріалів.

 

 

З точки зору виробництва, кришки акумуляторів є прецизійними металевими компонентами; Контроль якості охоплює не тільки точність розмірів, але й властивості матеріалу, штампування, якість зварювання, обробку поверхні, характеристики ізоляції та герметичність.

 

Для штампованих компонентів важливо контролювати товщину матеріалу, розміри форми та локалізовану деформацію, щоб запобігти впливу надмірного залишкового напруження на подальше складання. Для тонкостінних-конструкцій або конструкцій із рифленням-таких як вибухонепроникні-клапани-важливий контроль зосереджується на структурних розмірах і місцевій міцності, щоб гарантувати, що фактичний тиск активації залишається в межах проектних специфікацій.

 

Процеси зварювання вимагають ретельного моніторингу безперервності зварного шва, глибини проплавлення, пористості, бризок і зони-термічного впливу. Для герметичного зварного шва, що з’єднує кришку з корпусом, комплексна оцінка також повинна включати випробування на герметичність.

 

У масовому виробництві узгодженість часто важливіша, ніж продуктивність окремого зразка. Отже, виробничі процеси повинні встановлювати стабільні робочі вікна та постійно контролювати якість продукту шляхом перевірки розмірів, візуального огляду, випробування на герметичність та функціональної перевірки.

 

 

Оскільки нова енергетична галузь розширюється, технологія безпеки акумуляторів і надалі зосереджуватиметься на високій щільності енергії, високому рівні інтеграції та довгостроковій-надійності. Для акумуляторів живлення збільшення розмірів комірок і підвищення напруги в системі вимагають одночасного покращення струмопровідної-ємності кришки, ізоляції та безпеки{3}}скидання тиску.

 

У секторі зберігання енергії,літій{0}}іонні системи зберігання енергіїзазвичай вимагають довшого терміну експлуатації та більшої ємності, приділяючи більшу увагу довготривалій циклічній-надійності, тепловій безпеці та можливостям ізоляції несправностей.

 

Водночас виробництво акумуляторів розвивається в напрямку автоматизації, цифровізації та точності. Такі технології, як-контроль розмірів, моніторинг зварювального процесу, випробування на герметичність і відстеження виробничих даних, дають змогу ще більше покращити цілісність кришок батарей і елементів. Для структур безпеки цифровізація виробничого процесу дозволяє виробникам точніше визначати потенційні коливання якості та зменшувати ризик відмови під час масового виробництва.

 

Загалом захисні конструкції в кришках призматичних алюмінієвих-корпусів акумуляторів є життєво важливим компонентом системи безпеки елемента. Такі функції, як OSD (пристрій захисту від перезарядки), запобіжник і-вибухозахищений клапан захищають окремі механізми-механічне спрацьовування, аномальне відключення струму та скидання тиску, відповідно-тоді як виробництво елементів, зварювання та герметизація, вибір матеріалів, керування температурою та системи керування батареями разом утворюють комплексну структуру безпеки.

 

Оскільки нові транспортні засоби та системи накопичення енергії розвиваються до більшої ємності, вищої напруги та більшої інтеграції, безпека батареї більше не є проблемою, що обмежується одним компонентом; скоріше це завдання системної інженерії, яке охоплює матеріали, виробництво елементів, структурний дизайн, системи взаємозв’язку та -застосування кінцевого використання. Заглядаючи в майбутнє, пластини кришки акумулятора та їхні компоненти безпеки продовжуватимуть вдосконалюватися з точки зору мініатюризації, точності, перевірки надійності та багатофункціональної інтеграції, забезпечуючи тим самим міцнішу структурну основу для довгострокової-стабільної роботи живлення та акумуляторів для накопичення енергії.

 

З точки зору інженерних закупівель, вибір кришки батареї та відповідних прецизійних металевих захисних компонентів має надавати пріоритет оцінці систем матеріалів, узгодженості розмірів, процесів формування та зварювання, герметичності та можливостей перевірки конструкції безпеки, з вибором, узгодженим із конкретними технічними вимогами елементів батареї та систем.