Progettazione strutturale e ottimizzazione della tecnologia di imballaggio dei sistemi di batterie di potenza

I. Progettazione strutturale dei sistemi di batterie di potenza

La struttura di un sistema di batterie di potenza comprende celle, moduli e pacchi batteria. La cella è l'unità fondamentale e la sua progettazione strutturale e la scelta dei materiali sono determinanti per le prestazioni della batteria. I principali tipi di celle attualmente disponibili includono celle cilindriche, prismatiche e a sacchetto, ciascuna delle quali offre determinati vantaggi in termini di densità energetica, sicurezza e costo. Ad esempio, le celle cilindriche presentano un'elevata densità energetica e un basso costo, ma una sicurezza relativamente scarsa; le celle prismatiche raggiungono un equilibrio tra sicurezza e costo; le celle a sacchetto, emerse precocemente e ampiamente utilizzate nelle applicazioni 3C, stanno guadagnando terreno nelle applicazioni di potenza e presentano un potenziale di sviluppo significativo. Un modulo è tipicamente costituito da un certo numero di celle collegate in serie e/o in parallelo, dotate di un sistema di gestione termica e di connessioni elettriche. La progettazione del modulo mira a proteggere le celle dalle influenze ambientali esterne e a migliorare le prestazioni complessive del sistema di batterie. Tra le considerazioni chiave durante la progettazione del modulo figura l'isolamento termico ed elettrico tra le celle per garantire sicurezza e stabilità. Aziende come XIAMEN TOB NEW ENERGY TECHNOLOGY CO., LTD. specializzati nella fornitura su misura soluzioni per la produzione di moduli e pacchi batteria , garantendo prestazioni e affidabilità ottimali a partire dal livello del modulo. Il pacco batteria rappresenta la forma finale del sistema di batterie di potenza, caratterizzato da una struttura complessa generalmente composta da moduli batteria, un sistema di gestione termica, un sistema di gestione della batteria (BMS), un sistema elettrico e componenti strutturali. Le parti strutturali del pacco batteria, come il coperchio superiore, l'involucro e il coperchio inferiore, garantiscono un isolamento sicuro e proteggono le celle dagli impatti esterni. Il sistema elettrico, costituito principalmente da una centralina di controllo ad alta tensione e da interfacce ad alta tensione, è responsabile della trasmissione e della distribuzione di energia. Durante la progettazione strutturale del pacco batteria, è necessario considerare attentamente le prestazioni di sicurezza. Ad esempio, strutture multistrato e tecnologie di isolamento termico possono ridurre la generazione di calore durante il funzionamento, mentre sensori e algoritmi intelligenti consentono il monitoraggio in tempo reale dello stato della batteria per prevenire anomalie come sovraccarica o sovrascarica.

II. Tecnologia di imballaggio delle batterie di potenza

Essendo una tecnologia critica nel campo dei veicoli a nuova energia, il confezionamento di batterie di potenza ha un impatto diretto sulla densità energetica, sulla sicurezza e sull'affidabilità del sistema di batterie. Con il rapido sviluppo del mercato dei veicoli a nuova energia, la tecnologia del confezionamento di batterie di potenza ha subito continue innovazioni e miglioramenti. Il confezionamento di batterie di potenza prevede principalmente tre configurazioni: connessioni in serie, in parallelo e ibride. Le connessioni in serie soddisfano i requisiti di alta tensione, rendendole adatte a scenari di uscita ad alta tensione. Le connessioni in parallelo aumentano la capacità e l'autonomia del sistema. Le configurazioni ibride combinano i vantaggi di entrambe, soddisfacendo contemporaneamente i requisiti di alta tensione e alta capacità.

In pratica, il confezionamento delle batterie di potenza deve tenere conto di molteplici fattori. In primo luogo, le incongruenze tra le celle rappresentano una sfida significativa. A causa delle variazioni nei processi di produzione e nei materiali, le celle possono differire nelle prestazioni. Pertanto, misure come la selezione e l'accoppiamento ottimizzati delle celle, insieme a un BMS avanzato, sono essenziali per ridurre al minimo le incongruenze e migliorare le prestazioni complessive della batteria.

TOB NUOVA ENERGIA offre una completa linea pilota della batteria E soluzioni per linee di laboratorio per batterie per aiutare i clienti a testare e affrontare queste sfide, garantendo un passaggio senza soluzione di continuità dal laboratorio alla produzione con una qualità delle celle costante. In secondo luogo, la gestione termica è un aspetto fondamentale del confezionamento delle batterie di potenza, che comprende la gestione del raffreddamento e del riscaldamento. Durante il funzionamento, le batterie generano un calore considerevole che, se non dissipato efficacemente, può portare a un aumento della temperatura, compromettendo le prestazioni e la sicurezza. Le tecniche di gestione del raffreddamento, tra cui il raffreddamento ad aria, il raffreddamento a liquido, il raffreddamento a heat pipe e il raffreddamento a cambiamento di fase, garantiscono il funzionamento della batteria entro un intervallo di temperatura ottimale. In ambienti a bassa temperatura, le batterie agli ioni di litio presentano una maggiore resistenza interna e una capacità ridotta. Condizioni estreme possono persino causare il congelamento dell'elettrolita e l'impossibilità di scaricarsi, con un impatto significativo sulle prestazioni a bassa temperatura del sistema di batterie e una riduzione della potenza erogata e dell'autonomia nei veicoli elettrici. Pertanto, la ricarica a bassa temperatura comporta in genere il preriscaldamento della batteria a una temperatura adeguata. Le tecniche di gestione del riscaldamento includono metodi interni ed esterni. Il riscaldamento esterno, che impiega gas ad alta temperatura, liquidi, piastre riscaldanti elettriche, materiali a cambiamento di fase o l'effetto Peltier, è relativamente più sicuro. Il riscaldamento interno sfrutta il calore Joule generato durante il funzionamento della batteria, ma ha un impatto poco chiaro sulla durata e sulla sicurezza della batteria, con un'applicazione limitata nei veicoli elettrici.

Infine, il confezionamento delle batterie deve dare priorità alla sicurezza. Misure come la protezione da sovraccarico, da scarica eccessiva e da sovratemperatura sono necessarie per prevenire anomalie. Inoltre, i sistemi di batterie devono essere sottoposti a rigorosi test e validazioni per garantire la conformità agli standard e ai requisiti di sicurezza pertinenti. Questa è una parte fondamentale di Servizi integrati di apparecchiature e messa in servizio di TOB NEW ENERGY .

III. Strategie di ottimizzazione per la progettazione strutturale e la tecnologia di imballaggio

1. Innovazione nella tecnologia dei materiali

Per le batterie dei veicoli a nuova energia, i progressi nella scienza e nella tecnologia dei materiali sono fondamentali per migliorarne le prestazioni. I progressi nella scienza dei materiali svolgono un ruolo cruciale nell'ottimizzazione della struttura e della tecnologia di confezionamento delle batterie. In primo luogo, la ricerca sui materiali catodici rappresenta un punto di svolta fondamentale per migliorare le prestazioni delle batterie. Ad esempio, i materiali ternari ad alto contenuto di nichel aumentano significativamente la densità energetica, estendendo così l'autonomia dei veicoli a nuova energia. Inoltre, tecniche di modifica come il drogaggio e il rivestimento migliorano ulteriormente la stabilità e la sicurezza dei materiali catodici. In secondo luogo, l'innovazione nei materiali anodici rappresenta una direzione importante per lo sviluppo delle batterie. I materiali anodici a base di silicio, con la loro elevata capacità specifica e l'adeguato potenziale di intercalazione del litio, rappresentano la scelta preferita per gli anodi delle batterie agli ioni di litio di prossima generazione. Approcci su scala nanometrica e compositi affrontano il problema dell'espansione di volume degli anodi di silicio durante la carica e la scarica, prolungando efficacemente la durata del ciclo di vita della batteria. Tuttavia, rispetto al carbonio, i materiali a base di silicio sono relativamente costosi e la produzione su larga scala deve tenere conto dei costi. La selezione di fonti di silicio appropriate e l'impiego di processi su scala nanometrica corretti possono mitigare le sfide applicative e promuovere la produzione commerciale di materiali anodici a base di silicio.

TOB NUOVA ENERGIA fornisce all'avanguardia materiali della batteria e supporto tecnico per l'innovazione sia del catodo che dell'anodo, facilitando tali sforzi di ricerca e sviluppo e commercializzazione. In terzo luogo, le caratteristiche degli elettroliti e dei separatori hanno un impatto significativo sulle prestazioni complessive della batteria. Lo sviluppo di nuovi elettroliti può ridurre la resistenza interna e migliorare l'efficienza di conversione energetica, mentre i separatori ad alte prestazioni prevengono efficacemente i cortocircuiti interni e l'autoscarica.

2. Ottimizzazione dei processi di progettazione e produzione dei moduli

La progettazione dei moduli è fondamentale per la tecnologia di confezionamento delle batterie di potenza, e la sua razionalità e avanguardia influiscono direttamente sulle prestazioni complessive del sistema di batterie. L'innovazione continua e il miglioramento dei processi di progettazione e produzione dei moduli sono essenziali per migliorare le prestazioni delle batterie di potenza. In primo luogo, l'ottimizzazione della progettazione dei moduli coinvolge il layout strutturale e la disposizione delle celle. Layout strutturali razionali riducono la resistenza interna e la resistenza termica, migliorando l'efficienza del trasferimento di energia. La disposizione scientifica delle celle garantisce una buona resistenza agli urti in caso di impatto esterno. In secondo luogo, i progressi nei processi di produzione sono cruciali per l'ottimizzazione dei moduli. Tecnologie avanzate di saldatura, incapsulamento e collaudo garantiscono stabilità e coerenza durante la produzione. Ad esempio, la saldatura laser consente connessioni precise tra celle e moduli riducendo al contempo la resistenza di contatto, mentre le linee di incapsulamento automatizzate aumentano l'efficienza produttiva e riducono l'errore umano. TOB NUOVA ENERGIA offre apparecchiature per batterie personalizzate e soluzioni end-to-end soluzioni per linee di produzione di batterie Per raggiungere questi precisi obiettivi di produzione, la progettazione dei moduli e i miglioramenti del processo produttivo devono tenere pienamente conto delle caratteristiche di dissipazione del calore. L'ottimizzazione delle strutture di dissipazione del calore e l'utilizzo di materiali termici efficienti riducono efficacemente la generazione di calore durante il funzionamento e migliorano la stabilità termica del sistema di batterie.

3. Ottimizzazione integrata della gestione termica ed energetica

L'ottimizzazione integrata della gestione termica ed energetica nei sistemi di batterie per veicoli a energia rinnovabile è fondamentale per migliorare le prestazioni e la sicurezza. Con l'evoluzione della tecnologia delle batterie, vengono poste esigenze sempre più elevate in termini di gestione termica ed energetica. L'obiettivo della gestione termica è dissipare efficacemente il calore generato durante il funzionamento della batteria per prevenirne il surriscaldamento. Le strategie di ottimizzazione integrata includono l'utilizzo di materiali termoconduttivi avanzati, la progettazione di strutture di dissipazione del calore razionali e l'integrazione di sistemi di controllo della temperatura intelligenti. Rispetto al raffreddamento ad aria, il raffreddamento a liquido con piastre di raffreddamento è più efficiente e le piastre di raffreddamento in alluminio o lega di alluminio sono relativamente economiche. Le principali direzioni di ricerca riguardano l'ottimizzazione della struttura e della fluidodinamica delle piastre di raffreddamento per semplificare la produzione e migliorarne l'efficacia. Studi recenti si concentrano sulla progettazione dei canali di raffreddamento, riducendo la resistenza al flusso e migliorando l'uniformità della temperatura. Ad esempio, alcuni esperti hanno progettato una nuova piastra di raffreddamento a liquido basata su canali a serpentina, migliorando significativamente l'efficienza di raffreddamento in condizioni specifiche. Il pacco batteria 4680 CTC di Tesla utilizza un design a serpentina per la sua piastra di raffreddamento interna. Altri hanno progettato piastre di raffreddamento con struttura a nido d'ape per batterie prismatiche, migliorando la dissipazione del calore grazie all'aumento dei canali di raffreddamento. I sistemi di dissipazione del calore basati su materiali a cambiamento di fase (PCM) sono sistemi di gestione termica passiva che utilizzano l'accumulo e il rilascio di calore latente per mantenere il pacco batteria a una temperatura ottimale. Offrono vantaggi come l'assenza di consumo energetico, l'assenza di parti in movimento e bassi costi di manutenzione. Tuttavia, i PCM hanno una conduttività termica relativamente bassa, quindi l'integrazione di materiali metallici nei PCM può mitigare questo inconveniente intrinseco. Nella gestione energetica, l'attenzione è rivolta alla distribuzione razionale e all'utilizzo efficiente dell'energia della batteria. Strategie di gestione energetica accurate possono estendere l'autonomia di guida, migliorare l'efficienza di conversione energetica e ridurre le perdite di energia. L'ottimizzazione integrata include l'ottimizzazione degli algoritmi di ricarica, l'integrazione di sistemi di recupero dell'energia e l'utilizzo di strategie di pianificazione energetica intelligenti. Ad esempio, alcuni veicoli a nuova energia utilizzano una tecnologia di ricarica intelligente che regola la corrente e la tensione di carica in base allo stato della batteria in tempo reale e alle abitudini dell'utente per utilizzare l'energia della batteria in modo efficace. L'ottimizzazione integrata della gestione termica ed energetica deve anche considerare la loro sinergia. L'integrazione razionale consente alla gestione termica ed energetica di completarsi e promuoversi a vicenda. Ad esempio, quando la temperatura della batteria è troppo alta, il sistema di gestione dell'energia può regolare automaticamente il funzionamento per ridurre la generazione di calore, mentre il sistema di gestione termica dissipa prontamente il calore per evitare danni.

IV. Direzioni di sviluppo per la progettazione strutturale e la tecnologia di imballaggio

1. Elevata densità energetica e lunga durata

Nel contesto del rapido sviluppo del mercato dei veicoli alimentati da nuove energie, la densità energetica e la durata delle batterie sono diventate punti focali della ricerca.

La struttura e la tecnologia di confezionamento delle batterie di potenza si stanno evolvendo verso una maggiore densità energetica e una maggiore durata. L'aumento della densità energetica è fondamentale per estendere l'autonomia dei veicoli a nuova energia. I ricercatori stanno sviluppando nuovi materiali per catodo e anodi con maggiore densità energetica e migliore stabilità delle prestazioni, come i materiali ternari ad alto contenuto di nichel e i compositi silicio-carbonio. L'ottimizzazione della struttura della batteria è un altro approccio importante, come l'utilizzo di strutture multistrato e separatori più sottili per migliorare ulteriormente la densità energetica. Recenti ricerche sulla progettazione razionale e sulla preparazione innovativa di materiali catodici ternari monocristallini ricchi di nichel per batterie agli ioni di litio hanno prodotto nuovi risultati. Rispetto alle strutture policristalline, i materiali catodici ternari monocristallini ricchi di nichel offrono vantaggi eccezionali in termini di densità di compattazione e prestazioni di sicurezza, rendendoli la scelta preferita per i catodi delle batterie allo stato solido di nuova generazione. Ad esempio, basandosi sulla legge di maturazione di Ostwald, i ricercatori hanno stabilito una relazione tra temperatura, dimensione delle particelle e tempo di calcinazione e hanno sviluppato una tecnica di litiazione pulsata ad alta temperatura e breve durata per controllare con precisione le dimensioni di monocristalli di alta qualità. Hanno sintetizzato con successo particelle monocristalline di NCM83 con una dimensione di 3,7 μm, che presentano una distribuzione più uniforme dello stress. Dopo 1.000 cicli in una cella a sacchetto pieno, il tasso di ritenzione della capacità ha raggiunto l'88,1%. Questo lavoro fornisce importanti indicazioni teoriche e supporto tecnico per la progettazione e la sintesi di materiali catodici ternari monocristallini ricchi di nichel ad alta energia specifica con eccellente stabilità del ciclo.

Una lunga durata è essenziale per lo sviluppo sostenibile delle batterie. I ricercatori stanno lavorando per aumentare i tempi di ciclo e ridurre i tassi di decadimento. Questo obiettivo può essere raggiunto efficacemente migliorando i processi di produzione, ottimizzando il BMS e adottando tecnologie avanzate di gestione termica. TOB NUOVA ENERGIA sostiene questi sforzi attraverso le sue soluzioni complete per la produzione di batterie e servizi di supporto alla ricerca e sviluppo.

2. Maggiore sicurezza e affidabilità

Sicurezza e affidabilità sono temi ricorrenti nello sviluppo della struttura delle batterie e della tecnologia di imballaggio. I progressi futuri porranno maggiore enfasi su questi aspetti. Nella selezione dei materiali, i ricercatori si concentreranno maggiormente sulla stabilità termica e chimica per ridurre i rischi di runaway termico e cortocircuiti durante il funzionamento. L'utilizzo di materiali catodici termicamente stabili ed elettroliti ignifughi può migliorare significativamente la sicurezza delle batterie. Nella struttura delle batterie, il design ottimizzato delle celle e la disposizione dei moduli riducono la concentrazione di stress interno e i potenziali rischi per la sicurezza. L'introduzione di molteplici meccanismi di protezione di sicurezza, come l'isolamento termico, la protezione da sovraccarico e la protezione da scarica eccessiva, può interrompere tempestivamente l'alimentazione in caso di anomalie, prevenendo incidenti. Dal punto di vista produttivo, standard di controllo qualità più rigorosi e attrezzature di produzione avanzate garantiscono la costanza e l'affidabilità delle batterie. Processi di produzione perfezionati riducono difetti e tassi di guasto, migliorando le prestazioni complessive delle batterie.

Con il rapido sviluppo dell'Internet of Things (IoT), dei big data e dell'intelligenza artificiale (IA), la struttura delle batterie e la tecnologia di confezionamento stanno diventando sempre più intelligenti e integrate. In futuro, i sistemi di batterie diventeranno più intelligenti ed efficienti, fornendo un valido supporto per migliorare le prestazioni dei veicoli a nuova energia e ottimizzare l'esperienza utente. L'intelligenza è una delle principali direzioni di sviluppo per i sistemi di batterie di potenza. L'integrazione di componenti intelligenti come sensori, attuatori e controller consente il monitoraggio in tempo reale e il controllo preciso dello stato della batteria. Il monitoraggio in tempo reale di temperatura, tensione e corrente consente il rilevamento e la gestione tempestivi delle anomalie. Il controllo preciso dei processi di carica e scarica ottimizza l'efficienza energetica e prolunga la durata della batteria. L'integrazione è un altro metodo importante per ottimizzare i sistemi di batterie di potenza. La progettazione integrata di più moduli e componenti funzionali riduce la complessità del sistema e migliora le prestazioni complessive. L'integrazione di BMS, sistemi di gestione termica e sistemi di recupero dell'energia consente un controllo unificato e una gestione ottimizzata. L'utilizzo di moduli batteria altamente integrati e materiali leggeri riduce ulteriormente il peso e le dimensioni del sistema, aumentando il rapporto di efficienza energetica e l'autonomia dei veicoli a nuova energia.

V. Conclusion

Questo articolo fornisce un'analisi approfondita delle misure di ottimizzazione per la progettazione strutturale e la tecnologia di confezionamento dei sistemi di batterie per veicoli a nuova energia, coprendo tecnologia dei materiali, sicurezza, affidabilità, intelligenza e integrazione. L'articolo rivela i fattori chiave per il miglioramento delle prestazioni e le direzioni di sviluppo. Sullo sfondo del rapido sviluppo del mercato e del progresso tecnologico, la progettazione strutturale e la tecnologia dei sistemi di batterie continueranno a essere ottimizzate e innovate, fornendo un forte supporto all'applicazione diffusa e allo sviluppo sostenibile dei veicoli a nuova energia. XIAMEN TOB NEW ENERGY TECHNOLOGY CO., LTD. si impegna a supportare questa evoluzione attraverso la sua gamma completa di soluzioni per la produzione e la ricerca sulle batterie, dalla fornitura di attrezzature e materiali personalizzati alla consegna dell'intera linea di produzione e al supporto tecnico.