Как да изберете натриево-йонни торбички и да проектирате надеждна батерия

Натриево-йонните батерии привличат нарастващ интерес към съхранението на енергия, електрическите двуколесни превозни средства, индустриалното оборудване и приложенията за лека мобилност. Тяхната привлекателност не се основава на едно единствено предимство. В зависимост от клетъчната химия, натриево-йонната технология може да предложи добра производителност при разреждане при ниска температура, силна мощност, подобрена наличност на суровини и потенциално по-стабилна структура на разходите.

В същото време опаковката в торбичка дава на дизайнерите на батерии по-голяма свобода по отношение на размерите на клетката, дебелината на опаковката и термичното оформление. Следователно натриево-йонната клетка с торбичка може да бъде привлекателна опция за проекти, които се нуждаят от лек, адаптивен формат на батерията, а не от стандартна цилиндрична или призматична клетка.

Изборът на натриево-йонна торбичка обаче не е просто въпрос на замяна на съществуваща LiFePO4 клетка с натриево-йонен модел с подобен капацитет. Кривата на напрежението, обхватът на използваемото напрежение, енергийната плътност, границите на зареждане, настройките на BMS и механичната структура могат да бъдат различни.

Това ръководство обяснява основните фактори, които трябва да бъдат оценени, преди да започнете проект за торбичка с натриево-йонна батерия.

Защо натриево-йонните торбички получават повече внимание

Натриево-йонната технология често се обсъжда като алтернатива на литиево-йонните батерии, но в практическите проекти е по-точно да се разглежда като друга химия на батерията със своите силни страни и ограничения.

Може да бъде особено интересно за приложения, които дават приоритет на:

• Работа в студена среда

• Висока изходна мощност

• Възможност за бързо зареждане

• Наличност на материали и дългосрочен контрол на разходите

• Подобрена безопасност при транспортиране и съхранение

• Персонализирани размери на клетките

• Стационарни или лекомобилни приложения, където максималната енергийна плътност не е единственият приоритет

Пауч клетките добавят още един слой гъвкавост. Тъй като клетката е затворена в ламиниран с алуминий филм, а не в твърда стоманена или алуминиева кутия, тя може да бъде произведена в по-широк диапазон от дебелини, ширини и дължини.

Това прави натриево-йонните торбички подходящи за потребителски пакети батерии, където наличното пространство е нередовно или където разпределението на теглото и разсейването на топлината трябва да бъдат внимателно контролирани.

1. Първо разберете химията на натриево-йонните клетки

Не всички натриево-йонни клетки използват едни и същи катодни и анодни материали. Тяхната платформа за напрежение, живот на цикъла, производителност при ниска температура и енергийна плътност могат да варират значително.

Общите натриево-йонни катодни системи включват:

• Слоести оксидни материали

• Пруско синьо или пруско бяло материали

• Полианионни материали

Слоестите оксидни клетки често се разглеждат, когато проектът изисква относително висока енергийна плътност и висока мощност.

Системите с пруско синьо и пруско бяло могат да предложат предимства по отношение на цената, скоростта и работата при ниски температури, въпреки че тяхната производителност зависи силно от качеството на материала и контрола на производството.

Полианионните системи могат да бъдат избрани за проекти, които поставят по-голям акцент върху структурната стабилност, безопасността и дългия цикъл на живот.

Поради тази причина купувачите не трябва да оценяват натриево-йонна торбичка само по номинален капацитет. Материалната система и пълните данни от теста също трябва да бъдат прегледани.

2. Проверете платформата за напрежение и работния прозорец

Един от първите въпроси в проекта за натриево-йонна батерия е дали системното напрежение е съвместимо с предвиденото оборудване.

Много натриево-йонни клетки имат номинално напрежение от приблизително 3,0 V до 3,2 V, но действителната стойност зависи от химията и производителя.

Диапазонът на работното напрежение също може да бъде по-широк от този на LiFePO4. Някои натриево-йонни клетки могат да работят от около 1,5 V или 2,0 V в долния край до приблизително 4,0 V или 4,1 V при пълно зареждане.

Тези стойности не трябва да се третират като универсални настройки. Правилното напрежение на прекъсване на заряда, напрежение на прекъсване на разреждането и препоръчителният работен прозорец трябва винаги да идват от спецификацията на клетката.

Широкият диапазон на напрежението засяга няколко области на дизайна на батерията:

• Броят клетки, свързани последователно

• Максимално и минимално напрежение на батерията

• Изходно напрежение на зарядното устройство

• BMS диапазон за наблюдение на напрежението

• Съвместимост на инвертор или мотор-контролер

• SOC оценка

• Настройки за защита от ниско напрежение

Например, замяната на 16S LiFePO4 пакет с 16S натриево-йонен пакет може да не доведе до същото номинално, напълно заредено или напълно разредено напрежение на пакета. Поради това правилната серийна конфигурация трябва да се изчисли от приемливия входен обхват на оборудването, а не да се копира от съществуващ дизайн на литиева батерия.

3. Реалистично оценявайте капацитета и енергийната плътност

Настоящите натриево-йонни клетки обикновено имат по-ниска гравиметрична енергийна плътност от високоенергийните NMC литиево-йонни клетки. Те могат също така да останат под зрелите LiFePO4 разтвори в някои търговски формати.

Практическият диапазон на енергийна плътност за натриево-йонни торбички може да падне около 100 до 160 Wh/kg, в зависимост от химията, дизайна на клетката и производствения етап.

По-високоенергийните наслоени оксидни системи могат да се обмислят за леки електрически превозни средства или други приложения, където теглото и обемът на опаковката са важни.

За стационарно съхранение, резервно захранване или нискоскоростно оборудване енергийната плътност може да бъде по-малко критична от жизнения цикъл, производителността при ниски температури, безопасността и цената.

Когато сравнявате клетките, не разчитайте само на капацитета, отпечатан на етикета. преглед:

• Номинална енергия във ватчасове

• Клетъчно тегло

• Размери на клетката

• Обемна енергийна плътност

• Гравиметрична плътност на енергията

• Използваем капацитет в препоръчания диапазон на напрежение

• Запазване на капацитета при планираната скорост на разреждане

• Запазване на капацитета при ниска температура

Клетка с по-висок номинален капацитет може да не осигури непременно повече използваема енергия при условия на силен ток или студено време.

4. Свържете скоростта на разреждане с реалния товар

Натриево-йонните клетки могат да предложат добра йонна проводимост и мощност, но скоростта все още варира значително между моделите.

Някои натриево-йонни торбички са предназначени за съхранение на енергия и могат да поддържат умерен непрекъснат ток. Други са оптимизирани за енергийни приложения и могат да поддържат значително по-високи скорости на зареждане и разреждане.

Проектантът на батерията трябва да определи:

• Нормален непрекъснат ток

• Пиков ток

• Продължителност на пиковия ток

• Честота на пиковите натоварвания

• Регенеративен ток на зареждане

• Максимален ток на зарядното устройство

• Най-ниска очаквана работна температура

За електрическо двуколесно превозно средство батерията може да изпита кратки пикове на ускорение, далеч над средния ток на каране. За система за съхранение на енергия натоварването може да е по-стабилно, но може да продължи няколко часа.

Номиналната стойност на непрекъснатия разряд на клетката трябва да бъде избрана въз основа на продължително натоварване, докато номиналната стойност на импулса трябва да съответства както на пиковия ток, така и на неговата продължителност.

Също така е важно да проверите постояннотоковото съпротивление на клетката. Една клетка може технически да поддържа висок ток, но въпреки това да генерира прекомерна топлина, ако нейното съпротивление е твърде високо.

Генерирането на топлина нараства приблизително с квадрата на тока:

Топлинни загуби ≈ Ток² × Вътрешно съпротивление

Ето защо удвояването на тока може да причини много по-голямо увеличение на нагряването на клетката.

За високоскоростни натриево-йонни пакети батерии, последователността на вътрешното съпротивление е също толкова важна, колкото и последователността на капацитета.

5. Проверете производителността при ниска температура с тестови криви

Работата при ниски температури е едно от най-често обсъжданите предимства на натриево-йонните батерии.

Някои натриево-йонни състави могат да запазят голяма част от капацитета си при стайна температура при -20°C, а някои специално проектирани клетки могат да продължат да се разреждат при дори по-ниски температури.

Купувачите обаче трябва да избягват да приемат, че всяка натриево-йонна клетка работи добре при -20°C или -40°C.

Поискайте от доставчика действителни данни от теста, включително:

• Криви на разреждане при 25°C, 0°C, -10°C и -20°C

• Пробна скорост на разреждане

• Температура на зареждане преди теста

• Платформа за напрежение при нискотемпературно натоварване

• Запазване на капацитета

• Увеличаване на вътрешното съпротивление

• Максимално допустим нискотемпературен заряден ток

Кривата на напрежението е особено важна. Една клетка може да достави висок процент от номиналния си капацитет при -20°C, но да изпита голям първоначален спад на напрежението при натоварване. Това може да накара BMS или контролера на оборудването да задейства преждевременно защита от ниско напрежение.

Следователно пакетът батерии трябва да се оценява като цялостна система, а не да се основава само на процента на нискотемпературния капацитет на клетката.

6. Не приемайте, че нискотемпературното разреждане означава неограничено зареждане

Натриево-йонна клетка, която може да се разрежда при -20°C, не е задължително да поддържа нормална скорост на зареждане при същата температура.

Нискотемпературният заряден ток трябва да следва температурно-зависима крива на понижаване, определена от производителя на клетката.

Типичната стратегия за контрол може да включва:

• Нормално зареждане при умерени температури

• Намален заряден ток под определена температура

• Много нисък ток на зареждане при изключително ниски температури

• Пълна забрана за зареждане под минималния лимит на производителя

Точните прагове зависят от клетъчната химия.

BMS трябва да използва температурни сензори, разположени близо до клетките, особено близо до зони, които вероятно са по-студени от останалата част от пакета. За по-големи опаковки един температурен сензор обикновено не е достатъчен.

7. Проектиране на механична компресия за пауч клетки

За разлика от цилиндричните клетки или призматичните клетки с алуминиева обвивка, пауч клетките нямат твърда външна обвивка.

Алуминиево-ламинираното фолио е леко и пестеливо, но изисква подходяща механична защита.

По време на цикъла клетките на торбичката може да претърпят постепенна промяна на дебелината. Необичайни условия като презареждане, прегряване или вътрешна деградация също могат да произведат газ и да причинят подуване.

Следователно надеждната структура на пакета трябва да включва:

• Твърди крайни плочи

• Контролирана компресия

• Еластичен омекотяващ материал

• Разделяне и изолация на клетките

• Защита срещу остри ръбове

• Място за очаквана вариация на дебелината на клетката

• Стабилна модулна рамка

PU пяна, силиконова пяна или други компресионни материали могат да бъдат монтирани между клетките или между купчината клетки и крайните плочи.

Правилното налягане на компресия е специфично за клетката. Прилагането на твърде слаб натиск може да позволи прекомерно движение и подуване, докато прекомерният натиск може да повреди пакета електроди, сепаратора или уплътнението на торбичката.

Производителят на клетката трябва да осигури препоръчани условия на компресия или фиксиране, когато е възможно. Не трябва да се прилага общ диапазон на налягане без потвърждаване на индивидуалния дизайн на клетката.

8. Защитете разделите на Pouch Cell Tabs

Езичетата са сред най-механично уязвимите части на пауч клетката.

Повтарящите се вибрации, огъване или дърпащи сили могат да повредят корена на езичето или областта на уплътнението на торбичката. Това е особено важно при електрически мотоциклети, мобилно оборудване, морски приложения и индустриални превозни средства.

Добрият дизайн на модула трябва:

• Подпрете зъбците близо до тялото на клетката

• Предотвратете натоварването на шината върху зъбците

• Позволете термично разширение

• Избягвайте многократно огъване по време на монтажа

• Използвайте приспособления, за да поддържате подравняването на разделите

• Защитете уплътнителната зона от остри метални части

• Намалете предаването на вибрации от корпуса

Процесът на заваряване или свързване също трябва да съответства на материала и дебелината на пластината. Алуминиеви и медни пластини може да изискват различни параметри на заваряване и методи на свързване.

За проекти с висок ток дизайнът на шините трябва да се провери за плътност на тока, повишаване на температурата и механично напрежение.

9. Използвайте голямата клетъчна повърхност за термично управление

Едно предимство на формата на торбичката е неговата голяма плоска повърхност. Това може да направи преноса на топлина по-ефективен, когато клетката е правилно интегрирана в модула.

За пакети за съхранение на енергия с ниска скорост топлината може да бъде отведена през повърхностите на клетките, рамката на модула и корпуса на батерията.

За приложения с по-висока мощност дизайнът може да изисква:

• Термопроводими подложки

• Топлопроводимо лепило

• Алуминиеви топлоразпределители

• Въздушни канали

• Принудително въздушно охлаждане

• Плочи с течно охлаждане

• Топлинни бариери между клетките

Термичният интерфейсен материал трябва да осигурява добър контакт, без да създава прекомерна компресия.

Постоянността на температурата в рамките на модула също е важна. Голямата температурна разлика между клетките може да доведе до неравномерно съпротивление, неравномерно стареене и увеличаване на дисбаланса на SOC с течение на времето.

Поради това термичният дизайн трябва да се фокусира не само върху максималната температура, но и върху температурната разлика в целия стек клетки.

10. Използвайте BMS, съвместим с натриево-йонни характеристики на напрежението

Стандартен LiFePO4 BMS не трябва да се използва автоматично за натриево-йонна батерия.

В някои случаи съществуваща BMS платформа може да бъде адаптирана чрез софтуерни настройки. В други случаи аналоговият преден край, веригата за вземане на проби или компонентите за защита може да не поддържат необходимия диапазон на напрежение.

BMS трябва да се провери за:

• Обхват на измерване на напрежението на клетката

• Настройка за защита от презареждане

• Настройка за защита от прекомерно разреждане

• Прагове за възстановяване на напрежението

• SOC алгоритъм

• Температурна защита

• Намаляване на зарядния ток

• Стратегия за балансиране

• Максимален пакетен ток

• Защита от късо съединение

• Комуникационен протокол

Ако натриево-йонната клетка има по-ниско напрежение на прекъсване на разряда от LiFePO4, аналоговият преден край на BMS все още трябва да измерва точно при това ниско напрежение.

Зарядното устройство и контролерът за натоварване също трябва да останат съвместими с получения прозорец на напрежението на пакета.

Могат ли натриево-йонните клетки да се съхраняват при 0V?

Някои натриево-йонни химикали и конструкции на клетки могат да поддържат съхранение и транспортиране при много ниско или нулево напрежение.

Това може потенциално да подобри безопасността и да опрости определени логистични процеси.

Съхранението при нулево напрежение обаче не е универсална характеристика на всички натриево-йонни клетки. То трябва да бъде изрично потвърдено от производителя на клетката и подкрепено от данни за валидиране.

Батерията никога не трябва да се разрежда до 0V просто защото използва натриево-йонна химия.

11. Калибрирайте повторно SOC алгоритъма

Връзката между напрежението на отворена верига и състоянието на заряд е различна за всяка натриево-йонна химия.

В сравнение с LiFePO4, някои натриево-йонни клетки имат по-наклонена крива на напрежението, което може да предостави по-полезна информация за SOC, базирана на напрежение. Въпреки това напрежението само по себе си обикновено не е достатъчно за точна оценка на SOC при променящи се условия на натоварване и температура.

Надеждна натриево-йонна BMS може да комбинира:

• Кулоново броене

• OCV корекция

• Температурна компенсация

• Текущо обезщетение

• Корекция на стареенето на клетките

• SOC модел, специфичен за химията

Правилната OCV-SOC таблица трябва да бъде създадена от избраната натриево-йонна клетка, вместо да се копира от друг модел.

Трябва също да се оцени поведението на саморазреждане. Ако клетката претърпи забележима промяна на напрежението по време на дълго съхранение, BMS може да се нуждае от периодично повторно калибриране след достатъчно време за почивка.

12. Изберете правилната стратегия за балансиране

Консистенцията на клетките остава важна във всяка последователно свързана батерия.

Разликите в капацитета, SOC, вътрешното съпротивление и саморазреждането могат постепенно да увеличат разликата в напрежението между клетките.

За по-малки пакети с натриеви йони пасивното балансиране може да е достатъчно. Подходящият балансиращ ток зависи от капацитета на опаковката, консистенцията на клетката и наличното време за балансиране.

За системи за съхранение на енергия с по-голям капацитет, ниският балансиращ ток може да отнеме твърде много време, за да коригира значима разлика в SOC. Тогава може да се обмисли активно балансиране.

Преди да разчита на BMS, доставчикът на клетки трябва да извърши правилно класифициране и съпоставяне на клетки въз основа на фактори като:

• Капацитет

• Напрежение на отворена верига

• AC вътрешно съпротивление

• DC вътрешно съпротивление

• Скорост на саморазреждане

• Възстановяване на напрежението

• Производствена партида

Балансирането трябва да коригира малки разлики по време на работа. Не трябва да се използва за компенсиране на лошо съвпадащи клетки.

13. Изградете специфичен за проекта план за валидиране

Листът с данни е само началото на проект за батерия.

Преди масово производство прототипните опаковки трябва да бъдат тествани при условия, близки до реалното приложение.

Планът за валидиране може да включва:

• Тестване на капацитета

• Разряд с продължителен ток

• Тестване на пиков ток

• Тест за бързо зареждане

• Изпитване за повишаване на температурата

• Нискотемпературен разряд

• Нискотемпературно зареждане

• Тестване на жизнен цикъл

• Тестване на вибрации

• Механичен удар

• Тестване на компресия

• Защита от презареждане

• Защита от прекомерно разреждане

• Защита от късо съединение

• Оценка на топлинното разпространение

• Дългосрочно съхранение

Необходимата сертификация зависи от приложението и пазара.

IEC 62619 може да е подходящ за промишлени приложения на вторични батерии. GB 38031 се прилага за тягови батерии, използвани в електрически превозни средства в Китай. Транспортната документация може също да включва UN38.3, MSDS и подходяща оценка за транспортиране на опасни товари.

Приложимият стандарт трябва да бъде потвърден въз основа на окончателния пакет батерии, пазара и приложението, а не избран само според типа клетка.

Контролен списък на проекта за натриево-йонна торбичка

Преди да потвърдите натриево-йонна торбичка, прегледайте следните въпроси:

Електрически изисквания

• Какви са номиналното, максималното и минималното напрежение на системата?

• Какъв е непрекъснатият работен ток?

• Колко висок е пиковият ток и колко дълго продължава?

• Какво е необходимото време за зареждане?

• Включено ли е регенеративно зареждане?

Изисквания за околната среда

• Каква е най-ниската температура на изпускане?

• Каква е най-ниската температура на зареждане?

• Ще бъде ли опаковката изложена на вибрации, влага или солен спрей?

• Необходимо ли е активно отопление или охлаждане?

Изисквания към клетката

• Коя натриево-йонна химия се използва?

• Каква е действителната енергийна плътност?

• Какви са границите на напрежението на зареждане и разреждане?

• Какви са стойностите на непрекъснатия и импулсния ток?

• Има ли криви за ниска температура?

• Какви условия на компресия се препоръчват?

Механични изисквания

• Има ли достатъчно място за промяна на дебелината?

• Защитени ли са повърхностите на торбичките?

• Поддържат ли се разделите механично?

• Достатъчно твърда ли е рамката на модула?

• Може ли топлината да се пренася равномерно от всяка клетка?

Изисквания към BMS

• AFE поддържа ли пълния диапазон на напрежение?

• Регулируеми ли са праговете на защита?

• SOC моделът разработен ли е за избраната натриево-йонна клетка?

• Включено ли е намаляване на мощността при зареждане при ниска температура?

• Подходящ ли е балансиращият ток за капацитета на пакета?

Подходяща ли е натриево-йонна пауч клетка за всеки проект?

Не е задължително.

Натриево-йонните торбички могат да бъдат силно конкурентни, когато производителността при ниски температури, мощността, безопасността, наличността на материала или гъвкавите размери на клетката са важни.

LiFePO4 все още може да бъде по-подходящ, когато проектът изисква зряла верига за доставки, широко достъпни системи за зареждане, доказани дългосрочни полеви данни и установена поддръжка за сертифициране.

NMC литиево-йонните може да останат по-добрият избор, когато минималното тегло и максималната енергийна плътност са най-високите приоритети.

Решението трябва да се основава на цялостната система от батерии, а не само на химическия маркетинг.

Технически подходяща клетка трябва да работи с корпуса, охладителната система, BMS, зарядното устройство, контролера, плана за сертифициране и целевата цена.

Как Misen поддържа проекти за натриево-йонни торбички за батерии

Misen работи с клиенти за повече от индивидуални доставки на клетки.

За проекти за торбички с натриево-йонни батерии нашата поддръжка може да включва:

• Избор на клетки според изискванията за напрежение, капацитет и ток

• Сравнение на натриево-йонна и литиева батерия

• Избор на размер на клетката на торбичката

• Съгласуване на капацитет и вътрешно съпротивление

• Сериен и паралелен дизайн на конфигурацията

• Препоръки за механична компресия

• Дизайн на свързване на лапи и шини

• Планиране на топлинното управление

• Натриево-йонна BMS координация на параметрите

• Разработка на прототип на батерия

• Поддръжка за тестване на клетки и пакети

• OEM и ODM решения за батерии

За нови натриево-йонни проекти препоръчваме да започнете с действителните данни за приложението, вместо да избирате клетка само от капацитета.

Споделете необходимото напрежение, капацитет, непрекъснат ток, пиков ток, работна температура, налични размери и очаквано количество за поръчка. Нашият инженерен екип може да ви помогне да прецените дали натриево-йонната торбичка е технически и търговски подходяща за вашата батерия.

Търсите натриево-йонна торбичка или персонализирано решение за натриево-йонна батерия? Свържете се с Misen, за да обсъдите изискванията на вашия проект.