Аккумуляторные батареи служат источником энергии для электромобилей. Система аккумуляторных батарей обычно делится на три уровня: аккумуляторный блок, модули и элементы.

1. Аккумуляторный блок

Аккумуляторный блок обычно состоит из аккумуляторных модулей, системы терморегулирования, системы управления батареями (BMS), электрических систем и конструктивных элементов.

Аккумуляторный модуль можно рассматривать как промежуточный продукт между отдельными элементами и блоком, образованный путем последовательного и параллельного соединения литий-ионных элементов и добавления индивидуальных устройств мониторинга и управления отдельными элементами. Его конструкция должна поддерживать, фиксировать и защищать элементы.

В его основные компоненты входят:

• Контроллер модуля: часто называемый подчиненной платой BMS.
• Элементы батареи
• Проводящие соединители
• Пластиковая рамка
• Холодная пластина и охлаждающие трубы
• Торцевые пластины и крепежные элементы: Торцевые пластины на обоих концах соединяют отдельные элементы и создают определенное давление. Они также часто предназначены для фиксации модуля в аккумуляторном блоке.

Целью проектирования модулей является упрощение управления элементами с помощью системы управления батареей (BMS), повышение безопасности батарей, а также упрощение технического обслуживания и ремонта — подобно разделению страны на несколько провинций для упрощения управления.

3. Клетка
Элемент питания состоит в основном из положительного электрода (катода), отрицательного электрода (анода), сепаратора и электролита. Его основной принцип работы основан на миграции ионов лития между положительным и отрицательным электродами для осуществления заряда и разряда.

• Процесс зарядки: Для хранения электрической энергии в аккумуляторе требуется внешняя энергия (электроэнергия из сети).
• Процесс разрядки: происходит спонтанно, высвобождая накопленную энергию.

Литий-ионные батареи для электромобилей в основном классифицируются на три категории в зависимости от используемых материалов: оксид лития-марганца (LMO), тройные материалы (NCM/NCA) и фосфат лития-железа (LFP).

Безопасность, стабильность и работа при низких температурах также являются критически важными показателями для всесторонней оценки характеристик литий-ионных батарей.

• Оксид лития-марганца (LMO)

LMO демонстрирует плохие характеристики при высоких температурах, низкую циклическую стабильность и проблемы с хранением. Марганец имеет тенденцию к растворению/диссоциации при повышенных температурах, что приводит к короткому сроку службы аккумуляторной батареи и плохому сроку хранения.

• Литий-ионные батареи с тройным материалом (NCM/NCA)

Тройные батареи обеспечивают сбалансированную производительность при высоких и низких температурах, циклической работе, безопасности, хранении и различных электрических параметрах. Они отличаются высокой объемной плотностью энергии, умеренной стоимостью материалов и стабильной работой. В зависимости от соотношения никеля, кобальта и марганца, тройные системы элементов включают такие серии, как NCM532 и NCM811. Система 811 получила значительное распространение в последние годы. Более высокое содержание никеля увеличивает плотность энергии батареи, но, наоборот, делает батарею менее стабильной. Поэтому проектирование батарей — это постоянный баланс между практичностью и безопасностью.

• Фосфат лития-железа (LFP)

Положительный электрод литиевой батареи изготавливается путем нанесения положительного активного материала (например, LFP или NCM) на алюминиевую фольгу (токосъемник), а отрицательный электрод — путем нанесения отрицательного активного материала (например, графита или LTO) на медную фольгу (токосъемник).

Как правило, батареи называют по материалу их положительного электрода, поэтому их часто называют тройными или литий-железо-фосфатными батареями. Однако батареи на основе титаната лития (LTO) представляют собой исключение, поскольку LTO является материалом отрицательного электрода, что делает этот случай уникальным: батарея названа по материалу отрицательного электрода.

При изучении зарубежной литературы часто встречаются авторы, которые называют материал положительного электрода катодом, а материал отрицательного электрода анодом. Поначалу это может вызывать путаницу, поскольку в стандартной электрохимии катод определяется как электрод, на котором происходит восстановление, а анод — как электрод, на котором происходит окисление, то есть обозначение меняется местами при переключении батареи между режимами зарядки и разрядки. Со временем становится ясно, что это определение основано на состоянии батареи без внешнего воздействия энергии; таким образом, катод и анод батареи определяются именно состояниями реакций во время разряда.

Анализ деградации батареи
Деградацию батареи можно анализировать с двух основных точек зрения: снижение производительности и снижение безопасности.

1) Снижение производительности: После определенного периода эксплуатации у электромобилей наблюдается уменьшение запаса хода, а также может стать заметным снижение динамики разгона. Это можно проанализировать, в первую очередь, по снижению емкости, увеличению внутреннего сопротивления (IR) и повышению скорости саморазряда.

2) Снижение безопасности: Снижение безопасности обнаружить сравнительно сложнее. Батарея может уже подвергнуться физической/механической деформации, вероятность внутреннего короткого замыкания может увеличиться, или может существовать риск утечки электролита. Поэтому для полного понимания процесса деградации батареи следующие шаги включают исследование того, что вызывает снижение емкости, какие факторы приводят к увеличению внутреннего сопротивления, как происходит деформация батареи и какие механизмы приводят к внутренним коротким замыканиям.

Сравнительный анализ безопасности и рыночных тенденций
С точки зрения безопасности, литий-марганцево-оксидные (LMO) батареи демонстрируют значительно лучшие характеристики, чем тройные батареи. Например, некоторые отечественные производители в настоящее время используют модифицированный LMO (LMA-30) Синьчжэна для производства отдельных элементов емкостью 90 Ач, которые проходят полный комплекс испытаний на безопасность в Институте 201. В отличие от этого, для тройных материалов даже отдельные элементы емкостью 20 Ач, производимые в стране, могут с трудом пройти испытание на прокол гвоздем. Это различие в основном определяется структурной стабильностью материалов; кристаллическая структура LMO по своей природе более стабильна, чем у тройных материалов.

Кроме того, материалы на основе LMO прошли более длительный период разработки и обладают гораздо более высоким уровнем технологической зрелости. В упомянутом выше LMA-30 используется легирование/модификация алюминием (Al) для улучшения характеристик LMO; нельзя исключать возможность выпуска аналогичных модифицированных тройных материалов в будущем. Кроме того, из-за проблем с совместимостью с электролитом тройные материалы более склонны к газообразованию по сравнению с LMO, что является еще одной причиной, по которой безопасность тройных батарей уступает LMO.

Однако плотность энергии тройных материалов существенно выше, чем у LMO. Следовательно, в наиболее зрелых аккумуляторных батареях, выпускаемых в настоящее время в Японии и Южной Корее, в основном используется LMO в смеси с определенной долей тройных материалов. Такой подход обеспечивает безопасность и одновременно повышает плотность энергии, что является ключевой тенденцией для будущего развития аккумуляторных батарей для электромобилей.

Клеточные структуры

Клетки классифицируются на три типа в зависимости от их структурного строения: цилиндрические, мешковидные и призматические.

1. Призматические элементы питания: Благодаря удобству производства и компактности, призматические элементы питания в настоящее время являются основным выбором для электромобилей в Китае.
2. Цилиндрические элементы питания: В значительной степени стандартизированы. Распространенные модели включают 14650, 14500, 18650 и 21700. Первые две цифры обозначают диаметр (мм), 3-я и 4-я цифры — высоту (мм), а «0» обозначает цилиндрическую форму. В настоящее время Tesla использует элементы 18650 и 21700, а более крупные элементы 4680 поступают в массовое производство. Типичные компоненты включают положительные/отрицательные пластины, сепаратор, электролит, корпус, крышку (положительный полюс), прокладку и предохранительный клапан.
3. Пакетные ячейки: упакованы в алюминиево-пластиковую пленку, что обеспечивает высокую гибкость конструкции.

4. Система управления батареями (BMS)
система управления батареями для литий-ионных батарей Это система управления и мониторинга, предназначенная для контроля производительности и безопасности батареи. Получая и рассчитывая критически важные параметры, такие как напряжение, ток, температура и уровень заряда (SOC), система управления батареей регулирует процессы зарядки и разрядки, защищает батарею от ненормальных условий эксплуатации и, следовательно, повышает общую производительность батареи и срок ее службы. Она служит важным каналом связи и управления между бортовой тяговой батареей и электромобилем.

Три основные функции системы управления батареями (BMS):

1. Оценка уровня заряда (SOC): Измеряет оставшуюся мощность, чтобы предоставлять водителям точные данные о запасе хода и напоминания о необходимости зарядки.
2. Терморегулирование: контролирует рабочие температуры и активирует системы охлаждения (вентиляторы или охлаждающие пластины) для поддержания оптимального температурного диапазона батареи.
3. Балансировка батареи: корректирует колебания напряжения и емкости, вызванные производственными допусками или неравномерным распределением тепла, предотвращая перезарядку отдельных элементов.

Анализ опасностей на этапе разработки системы управления батареей (BMS) выявляет такие риски, как перенапряжение (перезарядка), пониженное напряжение, перегрев и перегрузка по току. Длительная перезарядка особенно опасна, вызывая необратимые повреждения, деформацию или утечку. Механизм безопасности должен немедленно обнаруживать перезарядку и предотвращать единичные или скрытые отказы.

5. Тенденции развития аккумуляторных технологий

5.1 Аккумуляторы без кобальта
Для стабилизации слоистой структуры и увеличения срока службы тройных литий-ионных батарей необходим кобальт. Однако цены на кобальт сильно колеблются, и более половины мирового предложения сосредоточено в Демократической Республике Конго (ДРК), что делает цепочку поставок крайне уязвимой к геополитическим и пандемическим сбоям. Исключение или сокращение использования кобальта снижает стоимость транспортных средств и уменьшает риски в цепочке поставок.

• Преимущества: Твердые электролиты обладают широким окном электрохимической стабильности, что позволяет использовать высоковольтные катодные материалы и высокоемкостные литий-металлические аноды, значительно увеличивая плотность энергии. Их высокая механическая прочность также эффективно препятствует проникновению литиевых дендритов, предотвращая короткие замыкания.
• Текущая проблема: чрезвычайно высокое сопротивление на границе раздела твердых тел между электродами и электролитом.

5.3 Аккумуляторы Blade
Представленная компанией BYD батарея Blade использует длинные тонкие элементы (960 мм в длину, 13,5 мм в толщину, 90 мм в высоту), напоминающие лопасти, и использует метод внутренней укладки, а не традиционную намотку. Благодаря использованию конструкционных клеев для фиксации элементов между двумя слоями алюминиевых пластин, сами элементы выступают в качестве несущих элементов. Такая конструкция имитирует сотовые алюминиевые панели, полностью исключая модули, что позволяет снизить вес, затраты и максимально эффективно использовать пространство.

• Проблема: Процесс сложен. Высокий процент брака при резке, трудности в поддержании однородности кромок/заусенцев и требования к точности выравнивания создают серьезные производственные проблемы. Это главная причина, по которой многослойные батареи еще не достигли всеобщего господства на рынке по сравнению с традиционными батареями, изготовленными методом намотки.

• Вариант 1: Полностью без модулей (например, батарея BYD Blade).
• Вариант 2: Интеграция небольших модулей в гигантские модули (например, CATL CTP).

CTC (Cell to Chassis): Следующий этап развития после CTP. Он интегрирует аккумуляторные элементы непосредственно в шасси автомобиля, объединяя крышку батареи с полом автомобиля. Сиденья могут устанавливаться непосредственно на аккумуляторный блок. CTC обходит традиционные ограничения PACK, обеспечивая глубокую интеграцию элементов, шасси, двигателя, электронного управления и систем постоянного тока для оптимизации пространства, снижения энергопотребления и прямого сравнения себестоимости производства электромобилей с автомобилями с двигателями внутреннего сгорания.

Эйси Нью Энерджи поставляет производственное оборудование «под ключ» и комплексные инженерные решения для линии сборки литий-ионных аккумуляторных батарей , охватывая весь процесс от ячейки до упаковки.

Мы поддерживаем клиентов на всех этапах — от первоначального планирования завода до завершения производства, предоставляя комплексные услуги, включая оптимизацию компоновки производственных линий, интеграцию оборудования и многое другое. модульная сборка прецизионная лазерная сварка, интеграция BMS и окончательное тестирование характеристик аккумуляторного блока.

В наших системах приоритет отдается конструктивной практичности, эксплуатационной стабильности и простоте обслуживания. Используя стандартизированное оборудование с гибкими модульными конфигурациями, мы позволяем производителям минимизировать время на переналадку, снизить производственные риски и значительно повысить стабильность качества ячеек и упаковок.

ACEY приветствует партнеров со всего мира и рассчитывает на установление надежного долгосрочного сотрудничества в проектах по производству аккумуляторных батарей.