Анализ конструкций безопасности для призматических алюминиевых крышек силовых аккумуляторов в-корпусе: синергетическая защита с помощью экранного меню, предохранителя и взрывозащитного клапана-

С быстрым развитием новых энергетических транспортных средств, систем хранения энергии и электротранспорта требования к безопасности, надежности и постоянству мощности и аккумуляторных батарей продолжают расти. Являясь основным элементом аккумуляторной системы, силовой аккумуляторный элемент не только обеспечивает накопление и высвобождение энергии, но также учитывает внутреннее давление, температуру, электрохимические реакции и механические структурные состояния, которые напрямую влияют на безопасность всего устройства. Следовательно, в конструкциях аккумуляторов с призматическими алюминиевыми-корпусами механизмы безопасности-такие как сброс давления, прерывание тока и реагирование на аномальные условия-привлекаются в отрасли не меньше внимания, чем фундаментальные компоненты, такие как клеммы, крышки и корпуса.

 

В батареях с призматическим алюминиевым-корпусом обычно используются металлические корпуса, обеспечивающие высокую структурную прочность, эффективное использование пространства и простоту модульной интеграции. В таких приложениях, как новые энергетические транспортные средства и системы хранения энергии, эти элементы должны выдерживать различные условия эксплуатации, включая зарядку, разрядку, колебания температуры и механические вибрации. В случае возникновения таких проблем, как перезарядка, внутренние короткие замыкания, ненормальный нагрев или постоянное скопление газа, внутреннее давление может быстро возрасти; поэтому механизмы безопасности на крышке должны выполнять соответствующие защитные действия, соответствующие конкретной стадии неисправности.

 

С точки зрения безопасности механизмы безопасности внутри крышки призматического аккумулятора в алюминиевом-корпусе представляют собой не простой, единый защитный компонент, а скорее много-уровневую систему защиты, приводимую в действие различными спусковыми механизмами. Типичными компонентами традиционных конструкций являются устройство защиты от перегрузки (OSD), предохранитель-прерывающего тока и механизм-сброса давления (взрывозащищенный-клапан). Эти три компонента устраняют риски, связанные с аномальным напряжением, током и внутренним давлением соответственно, выполняя различные функции безопасности на разных стадиях неисправности.

 

В нормальных условиях эксплуатации внутренние компоненты аккумулятора сохраняют стабильные электрические соединения и механическую целостность. При возникновении ненормальной зарядки или других неисправностей внутренние электрохимические реакции могут привести к образованию избыточного газа, что приведет к постепенному повышению внутреннего давления. Если аномальное состояние сохраняется, сначала необходимо уменьшить подачу энергии с помощью электрических или механических средств; если впоследствии давление превысит пределы, которые могут выдержать корпус и уплотнительные конструкции, механизм сброса давления- должен выпустить внутренний газ. Таким образом, при проектировании безопасности аккумуляторов обычно используется стратегия «глубинной-защиты-», которая переходит от обнаружения аномалий к прерыванию тока и, наконец, к сбросу давления в экстремальных сценариях.

 

 

 

OSD-или устройство защиты от перезаряда- — это механический механизм безопасности, используемый в некоторых конструкциях аккумуляторов с призматическим алюминиевым-корпусом для защиты от аномалий перезаряда. Его основная функция заключается не просто в непосредственном сбросе давления, а в инициировании механического воздействия, когда внутреннее давление достигает установленного порога, тем самым переводя контур в определенное защитное состояние.

 

В некоторых традиционных конструкциях OSD расположен рядом с отрицательной клеммой и состоит из металлического компонента, способного упруго деформироваться. В нормальных условиях эксплуатации этот компонент поддерживает заданное состояние изоляции или соединения с окружающими проводящими конструкциями. Когда аккумулятор подвергается перезарядке, сопровождающейся внутренним газообразованием, давление повышается; как только достигается расчетный диапазон срабатывания, металлический элемент (часто диск мгновенного действия) деформируется и меняет положение, образуя определенный электрический путь с соответствующими проводящими компонентами.

 

Критическая ценность этого механического воздействия заключается в его способности преобразовывать изменения внутреннего давления в изменения состояния контура. В отличие от систем, которые полностью полагаются на электронное управление для обнаружения аномалий, этот механический спусковой механизм реагирует независимо, выступая в качестве дополнительной функции безопасности в аккумуляторной системе.

 

Важно отметить, что конкретная конструкция, давление срабатывания и метод срабатывания OSD различаются в зависимости от аккумуляторной батареи. По мере развития архитектуры элементов, номинальных напряжений, мощностей и стратегий безопасности некоторые новые конструкции крышек батарей заменили или перепроектировали традиционный подход OSD в пользу альтернативных защитных структур. Следовательно, проектирование крышки аккумулятора требует выбора соответствующей защитной конструкции на основе конкретного химического состава элемента, характеристик давления и стандартов безопасности, а не простого применения фиксированных параметров.

 

 

Хотя экранное меню в первую очередь выполняет функцию механического запуска, предохранитель отвечает за разрыв цепи во время аномальных событий тока. Определенные ненормальные состояния батареи могут создавать мгновенные токи, значительно превышающие нормальный рабочий уровень; в таких случаях требуется управляемая конструкция предохранителя для быстрого разрыва пути тока.

 

Предохранители обычно достигают определенной-токовой допустимой нагрузки за счет конструкции-площади поперечного сечения. Они поддерживают стабильную проводимость во время обычных операций зарядки и разрядки; однако, когда аномальный ток превышает расчетный предел, в локализованной области происходит чрезмерный джоулевый нагрев, вызывающий быстрый нагрев и плавление плавкого элемента, тем самым разрывая электрическое соединение.

 

Для аккумуляторных систем целью разработки предохранителя является не просто достижение максимально быстрого отключения, но и достижение баланса между эксплуатационной надежностью в нормальных условиях и скоростью реагирования во время аномалий. Слишком низкий номинал предохранителя может привести к нежелательным отключениям во время нормальной работы, тогда как слишком высокий порог может привести к невозможности оперативно контролировать токи повреждения. Поэтому требуется комплексный подход к проектированию, учитывающий такие факторы, как номинальный ток элемента, пиковый ток, ток короткого-замыкания, температура окружающей среды и структура соединения.

 

В некоторых конструкциях батарей предохранитель встроен в разъем на крышке, клеммную колодку или другие проводящие конструкции, чтобы уменьшить количество дискретных компонентов и сократить путь прохождения аномальных токов. Для литий-ионных-батарей высокой-энергии-изменения тока во время аномального короткого-замыкания происходят чрезвычайно быстро; следовательно, геометрия, материал, сопротивление и характеристики термического отклика конструкции предохранителя должны быть тщательно проверены.

 

Взрывозащищенный-клапан служит для сброса экстремального давления.

 

Внутреннее давление может продолжать расти во время серьезных тепловых аномалий, внутренних коротких замыканий или длительного образования газа внутри батареи. Если отключение тока не может остановить внутреннюю реакцию, конструкция сброса давления становится критически важным компонентом пассивной безопасности.

 

Взрывозащищенные-клапаны обычно встроены в крышку аккумуляторов в призматическом алюминиевом-корпусе, при этом давление открытия контролируется заранее-спроектированным слабым местом или зоной. Когда внутреннее давление достигает заданного диапазона, клапан разрывается или открывается вдоль этой расчетной зоны, позволяя внутренним газам выходить в контролируемом направлении и тем самым снижая риск непреднамеренного разрыва обсадной колонны.

 

Взрывозащищенный-клапан по сути представляет собой конструкцию управления давлением; его конструкция должна уравновешивать давление открытия, разгрузочную способность, прочность материала, характеристики уплотнения и путь выпуска после активации. Давление открытия не может быть слишком низким, так как это может привести к случайной активации во время нормального производства, транспортировки или использования; и наоборот, оно не может быть слишком высоким, поскольку это может помешать своевременному сбросу давления до того, как обсадная колонна достигнет своего конструктивного предела.

 

Для систем хранения энергии и аккумуляторных блоков новых энергетических транспортных средств, в которых используются литиевые батареи, взрывозащищенный клапан-должен проектироваться в соответствии с общей конструкцией аккумулятора. При активации газы с высокой-температурой и пары электролита должны выпускаться в направлении, исключающем прямое попадание на соседние элементы, шины, разъемы или другие компоненты, находящиеся под высоким-напряжением. Следовательно, оценка механических свойств клапана в отдельности недостаточна для удовлетворения реальных требований безопасности; Также важна проверка на уровне системы-, которая учитывает внутреннее пространство аккумуляторной батареи и пути распространения тепловых колебаний.

 

 

 

Что касается рабочих механизмов, экранное меню, предохранитель и взрывозащищенный клапан относятся к различным уровням риска безопасности. OSD в первую очередь полагается на механическую активацию, вызываемую определенными условиями аномального давления; предохранитель предназначен для прерывания аномальных токов; а взрывозащищенный-клапан предназначен для сброса давления в более экстремальных ситуациях.

 

Эта многоуровневая конструкция воплощает концепцию «глубинной-защиты-» в системе безопасности аккумулятора. В нормальных условиях эксплуатации различные защитные конструкции не мешают стандартным характеристикам зарядки и разрядки аккумулятора. При возникновении аномалии эти защитные структуры срабатывают последовательно в зависимости от серьезности неисправности; Если электрическая защита не может полностью сдержать аномальное состояние, механическая конструкция сброса давления служит последней линией пассивной защиты.

 

На практике не во всех аккумуляторных элементах используются одинаковые конфигурации OSD (устройства защиты от перезаряда), предохранителей и взрывозащищенных клапанов. Различия в химическом составе элементов, емкости, номинальном напряжении и сценариях применения требуют различных решений по обеспечению безопасности при сборке крышки элемента. Следовательно, в процессе инженерного проектирования приоритет отдается комплексному анализу видов отказов, а не простой оценке наличия конкретных компонентов безопасности.

 

 

Защитные конструкции внутри узла крышки выполняют лишь часть общей функции безопасности аккумулятора; сам процесс производства ячеек напрямую влияет на надежность конечного продукта. Если взять в качестве примера элементы в призматическом алюминиевом-корпусе, то производство обычно включает в себя несколько этапов: подготовка электродов, сборка элемента, герметизация корпуса, заполнение электролитом, формование, калибровка емкости и испытания.

 

Производство электродов обычно начинается со смешивания активных материалов, проводящих агентов, связующих веществ и растворителей для создания стабильной суспензии, после чего следует нанесение покрытия, сушка, каландрирование и резка. Такие факторы, как однородность дисперсии суспензии, толщина покрытия, плотность поверхности и качество кромок электрода, влияют на последующие электрохимические характеристики.

 

На этапе сборки элемента положительный электрод, отрицательный электрод и сепаратор объединяются -посредством намотки или укладки друг на друга-, образуя голый элемент. Соединение выводов электродов с токосъемниками обычно требует сварочных процессов, адаптированных к конкретной системе материалов. Зона сварки должна обладать достаточной механической прочностью, при этом минимизируя разбрызгивание, заусенцы и локализованные зоны термического-воздействия, чтобы предотвратить повреждение сепаратора и других внутренних конструкций.

 

Затем голый элемент вставляется в алюминиевый корпус, а крышка в сборе прикрепляется и герметизируется. Для создания герметичного соединения между крышкой и корпусом обычно используется прецизионная сварка. Для призматических ячеек шов корпуса и зона сварки крышки являются критическими точками для обеспечения герметичности; дефекты сварки могут привести к утечке электролита, проникновению влаги или утечке внутренних газов, что требует тщательной герметизации и проверки герметичности. После заполнения электролитом аккумуляторная ячейка подвергается таким процессам, как герметизация, формирование и регулировка емкости.

 

Процесс формирования активирует ячейку посредством специального протокола заряда-разрядки и устанавливает стабильный межфазный слой твердого электролита (SEI).

 

Поскольку параметры пласта влияют на начальную емкость ячейки, внутреннее сопротивление и последующую циклическую производительность, необходим строгий контроль процесса.

 

Для продуктов, предназначенных для систем хранения энергии, элементы также должны быть совместимы с конструкциями уровня системы,-такими как комплекты аккумуляторных батарей. Для этого необходимо оценить не только производительность самих ячеек, но и такие факторы, как соединения между-ячейками, управление температурным режимом, изоляционные зазоры и изоляцию неисправностей.

 

 

Хотя крышка батареи в призматическом алюминиевом-корпусе относительно компактна, она включает в себя клеммы, уплотнительные конструкции, взрывозащищенные механизмы-и другие компоненты электрических соединений, что делает ее критически важной функциональной областью элемента. Конструкция крышки должна одновременно отвечать различным требованиям, в том числе механической прочности, изоляционным характеристикам, воздухонепроницаемости, допустимой -токовой нагрузке и возможностям обеспечения безопасности.

 

Во-первых, клеммы и проводящие соединительные конструкции должны обеспечивать стабильную -пропускную способность по току и поддерживать низкое контактное сопротивление при длительной-циклической работе. Во-вторых, изоляционная конструкция должна обеспечивать достаточную электрическую изоляцию между положительными и отрицательными клеммами, а также между клеммами и корпусом. В-третьих, граница между крышкой и корпусом должна обеспечивать стабильное уплотнение, чтобы свести к минимуму риск попадания влаги и загрязнений в ячейку.

 

В литий-ионных элементах-емкости- увеличенный запас внутренней энергии может привести к увеличению выделения тепла и газа в аномальных условиях; следовательно, механическая конструкция и возможности обеспечения безопасности конструкции крышки должны быть соответственно улучшены. Учитывая длительный срок службы и большое количество циклов зарядки-разрядки, характерных для приложений хранения энергии, усталостная стойкость, коррозионная стойкость и долговременная-стабильность герметизации компонентов крышки также являются критически важными областями внимания.

 

 

Поскольку новая энергетическая отрасль продолжает развиваться, области применения аккумуляторов выходят за рамки автомобильных силовых агрегатов и охватывают накопители энергии в жилых домах, накопители энергии в промышленных и промышленных объектах, резервное питание для телекоммуникаций и крупномасштабные-сетевые накопители энергии. Различные сценарии применения предъявляют разные требования к конструкциям безопасности аккумуляторов. В секторах бытового и коммерческого/промышленного хранения энергии литиевые аккумуляторы для систем хранения солнечной энергии обычно работают в относительно фиксированных условиях; однако из-за длительного эксплуатационного жизненного цикла и большой емкости системы первостепенное значение имеют долгосрочная-надежность, управление температурным режимом и возможности локализации неисправностей.

 

Для бытовых накопителей энергии литий-ионные-батареи должны не только соответствовать основным требованиям к хранению энергии, но также учитывать ограничения по пространству, колебания температуры окружающей среды и простоту обслуживания. Защитная конструкция крышки элемента должна функционировать согласованно с системой управления аккумулятором (BMS), конструкцией корпуса и системой управления температурным режимом.

 

В системах хранения энергии в сочетании с возобновляемыми источниками энергии литий-ионные батареи часто подвергаются циклам зарядки-разрядки; следовательно, согласованность ячеек и стабильность цикла служат важнейшей основой для проектирования системы. В то же время внутренние соединительные конструкции и компоненты безопасности аккумуляторной батареи должны быть достаточно прочными, чтобы выдерживать длительные-рабочие условия.

 

Поскольку аккумуляторные системы становятся все более модульными, в конструкции литий-ионных-аккумуляторов основное внимание сместилось с акцента исключительно на производительности отдельных ячеек на приоритет управления-безопасностью на уровне системы. Это включает в себя несколько уровней, включая мониторинг элементов, обнаружение температуры, защиту от перегрузки по току, мониторинг изоляции и изоляцию неисправностей.

 

 

В настоящее время на рынке представлен широкий спектр литиевых батарей по химическому составу; различные катодные материалы и электрохимические системы демонстрируют разные уровни термической стабильности, рабочего напряжения и плотности энергии. Например, силовые элементы LiFePO4 (LFP) обладают превосходной термической стабильностью, что делает их широко используемыми в приложениях для хранения энергии, тогда как системы с высокой-энергией-плотностью могут требовать большего внимания к терморегулированию, структурной целостности и защите от температурного неконтроля.

 

Независимо от используемого химического состава, проекты конструкций безопасности должны быть проверены на основе конкретных систем материалов и условий эксплуатации. Параметры давления, номинальные токи или взрывобезопасные конструкции, связанные с одним типом элемента, не могут просто применяться в качестве универсального стандарта проектирования для всех продуктов.

 

Для крупномасштабных-систем хранения энергии вопрос распространения тепла между элементами требует дальнейшего рассмотрения. Когда аномалия возникает в одной ячейке, структура безопасности должна не только сдерживать риск, связанный с этой конкретной ячейкой, но также минимизировать вероятность распространения аномалии на соседние ячейки. Таким образом, конструкции защиты-на уровне ячеек, изоляции на уровне модулей-, а также системного-пожаротушения и вентиляции должны быть интегрированы, чтобы сформировать комплексную цепь безопасности.

 

 

Взрывозащищенный-клапан не работает изолированно; он напрямую связан с корпусом ячейки, уплотнительной конструкцией крышки и вентиляционными каналами системы. При нормальных условиях эксплуатации внутренняя часть аккумулятора должна поддерживать высокий уровень воздухонепроницаемости, чтобы предотвратить попадание влаги и внешних загрязнений, а также обеспечить отсутствие утечки внутреннего электролита через область сборки крышки. В случае аномального образования газа взрывозащищенный механизм должен сработать незамедлительно при достижении расчетного порога давления.

 

Следовательно, на этапе инженерной проверки обычно основное внимание уделяется таким факторам, как воздухонепроницаемость, давление активации, направление сброса давления и структурная целостность после активации. Для ячеек различной мощности оценки должны также учитывать темпы генерации газа и внутренние пространственные ограничения; это гарантирует, что взрывозащищенная конструкция соответствует требованиям к герметизации во время нормальной работы, обеспечивая при этом достаточную способность сброса давления в нештатных условиях.

 

 

 

В последние годы структурное проектирование аккумуляторов превратилось из защиты одного-компонента в много-многоуровневый синергетический подход к обеспечению безопасности. В то время как в прошлом усилия были сосредоточены в первую очередь на том, обладают ли отдельные элементы взрывобезопасностью и возможностями защиты от перегрузки по току, нынешние инженерные разработки подчеркивают синергию между материалами, элементами, крышками, модулями, аккумуляторными блоками и системами управления.

 

Для таких приложений, как «литиевые батареи SuperPack» с высокой-энергией-плотностью, проектировщики систем должны одновременно учитывать внутреннюю безопасность элементов, электрическую защиту, управление температурным режимом и механическую защиту. Хотя компоненты безопасности на крышке имеют небольшой размер, они играют решающую роль в обеспечении защиты во время нештатных ситуаций; поэтому точность и постоянство их производства имеют первостепенное значение.

 

В секторе транспортных средств на новой энергии аккумуляторные системы развиваются в сторону более высокого напряжения, более высокой плотности энергии и большей интеграции; в секторе хранения энергии мощности систем и срок их эксплуатации неуклонно растут. Эти тенденции предъявляют более высокие требования к конструкции крышек аккумуляторных элементов. Будущие конструкции крышек, вероятно, будут отдавать приоритет функциональной интеграции, миниатюризации, высокой надежности и интеллектуальным возможностям, одновременно повышая безопасность реагирования в аномальных условиях за счет точного контроля давления и оптимизации материалов.

 

 

С точки зрения производства крышки аккумуляторных батарей представляют собой прецизионные металлические детали; Контроль качества охватывает не только точность размеров, но и свойства материалов, штамповку, качество сварки, качество поверхности, изоляционные характеристики и герметичность.

 

Для штампованных компонентов важно контролировать толщину материала, размеры формовки и локализованную деформацию, чтобы предотвратить влияние чрезмерного остаточного напряжения на последующую сборку. Для тонкостенных-конструкций или конструкций с насечками-таких как взрывобезопасные-клапаны-критические меры контроля сосредоточены на структурных размерах и местной прочности, чтобы гарантировать, что фактическое давление срабатывания остается в пределах проектных спецификаций.

 

Процессы сварки требуют тщательного контроля непрерывности сварного шва, глубины провара, пористости, брызг и зоны термического-воздействия. Для герметичного сварного соединения крышки с корпусом комплексная оценка должна также включать испытания на герметичность.

 

В массовом производстве стабильность зачастую более важна, чем производительность отдельного образца. Следовательно, производственные процессы должны устанавливать стабильные рабочие окна и постоянно контролировать качество продукции посредством проверки размеров, визуального контроля, испытаний на герметичность и функциональной проверки.

 

 

По мере расширения новой энергетической отрасли технологии безопасности аккумуляторов будут по-прежнему ориентированы на высокую плотность энергии, высокую степень интеграции и долгосрочную-надежность. В случае силовых батарей увеличение размеров элементов и повышение напряжения в системе требуют одновременного улучшения токовой -пропускной способности, изоляции и способности безопасного сброса давления-.

 

В секторе хранения энергиилитий-ионные системы хранения энергииобычно требуется более длительный срок эксплуатации и более высокая производительность, при этом больший упор делается на долгосрочную-надежность при циклическом использовании, тепловую безопасность и возможности изоляции неисправностей.

 

Одновременно производство аккумуляторов развивается в сторону автоматизации, цифровизации и точности. Такие технологии, как-линейный контроль размеров, мониторинг сварочного процесса, испытания на герметичность и отслеживание производственных данных, позволяют еще больше повысить однородность крышек аккумуляторов и элементов питания. Что касается конструкций безопасности, то цифровизация производственного процесса позволяет производителям более точно выявлять потенциальные колебания качества и снижать риск сбоев во время массового производства.

 

В целом, защитные конструкции внутри крышек аккумуляторов в призматическом алюминиевом-корпусе являются жизненно важным компонентом системы безопасности элемента. Такие функции, как OSD (устройство защиты от перезаряда), предохранитель и -взрывозащищенный клапан, защищают отдельные механизмы-механическое срабатывание, отключение ненормального тока и сброс давления соответственно-, в то время как производство элементов, сварка и герметизация, выбор материалов, управление температурным режимом и системы управления батареями в совокупности образуют комплексную систему безопасности.

 

По мере развития новых энергетических транспортных средств и систем хранения энергии в сторону большей мощности, более высокого напряжения и большей интеграции, безопасность аккумуляторов больше не является проблемой, ограничивающейся одним компонентом; скорее, это задача системного проектирования, охватывающая материалы, производство элементов, структурное проектирование, системы межсоединений и приложения для конечного-пользования. В будущем крышки аккумуляторных батарей и их защитные компоненты будут продолжать совершенствоваться с точки зрения миниатюризации, точности, проверки надежности и многофункциональной интеграции, обеспечивая тем самым более прочную структурную основу для долгосрочной-долговременной и стабильной работы аккумуляторных батарей.

 

С точки зрения инженерных закупок, при выборе крышек аккумуляторной батареи и связанных с ней прецизионных металлических компонентов безопасности приоритет должен отдаваться оценке систем материалов, размерной последовательности, процессам формовки и сварки, герметичности и возможностям проверки защитных конструкций, причем выбор должен соответствовать конкретным техническим требованиям аккумуляторных элементов и систем.