Kuidas valida naatriumioonkotielemente ja kujundada usaldusväärne aku

Naatriumioonakud äratavad kasvavat huvi energiasalvestuse, elektriliste kaherattaliste sõidukite, tööstusseadmete ja kergete mobiilsete rakenduste vastu. Nende kaebus ei põhine ühelgi eelisel. Sõltuvalt raku keemiast võib naatriumioontehnoloogia pakkuda head madalal temperatuuril tühjenemist, tugevat võimsust, paremat tooraine kättesaadavust ja potentsiaalselt stabiilsemat kulustruktuuri.

Samal ajal annab kottipakend akudisaineritele suurema vabaduse elemendi mõõtmete, pakendi paksuse ja termilise paigutuse osas. Naatriumioonkotielement võib seetõttu olla atraktiivne valik projektide jaoks, mis vajavad pigem kerget, kohandatavat akuvormingut kui standardset silindrilist või prismakujulist elementi.

Naatriumioonkotielemendi valimine ei tähenda aga lihtsalt olemasoleva LiFePO4 elemendi asendamist sarnase võimsusega naatriumioonmudeliga. Pingekõver, kasutatav pingevahemik, energiatihedus, laadimispiirid, BMS-i sätted ja mehaaniline struktuur võivad kõik olla erinevad.

Selles juhendis selgitatakse peamisi tegureid, mida tuleks enne naatriumioonkotipatarei projekti käivitamist hinnata.

Miks pälvivad naatriumioonikoti rakud rohkem tähelepanu?

Naatriumioontehnoloogiat käsitletakse sageli liitiumioonakude alternatiivina, kuid praktilistes projektides on täpsem vaadelda seda kui teist akukeemiat, millel on oma tugevad ja piirangud.

See võib olla eriti huvitav rakenduste puhul, mis seavad prioriteediks:

• Töötamine külmas keskkonnas

• Suur väljundvõimsus

• Kiire laadimise võimalus

• Materjali saadavus ja pikaajaline kulude kontroll

• Parem transpordi- ja ladustamisohutus

• Kohandatud lahtri mõõtmed

• Statsionaarsed või kergelt liikuvad rakendused, kus maksimaalne energiatihedus ei ole ainus prioriteet

Kotielemendid lisavad veel ühe paindlikkuse kihi. Kuna element on suletud alumiiniumiga lamineeritud kilesse, mitte jäiga terasest või alumiiniumist purki, saab seda toota laiemalt erineva paksuse, laiuse ja pikkusega.

See muudab naatriumioonkotielemendid asjakohaseks kohandatud akude jaoks, kus vaba ruum on ebaühtlane või kus kaalu jaotust ja soojuse hajumist tuleb hoolikalt kontrollida.

1. Kõigepealt mõistke naatriumioonide rakkude keemiat

Mitte kõik naatriumioonelemendid ei kasuta samu katood- ja anoodimaterjale. Nende pingeplatvorm, tsükli eluiga, madala temperatuuriga jõudlus ja energiatihedus võivad oluliselt erineda.

Tavalised naatriumioonkatoodisüsteemid hõlmavad järgmist:

• Kihilised oksiidmaterjalid

• Preisi sinised või Preisi valged materjalid

• Polüanioonsed materjalid

Kihilisi oksiidelemente kaalutakse sageli siis, kui projekt nõuab suhteliselt suurt energiatihedust ja tugevat võimsust.

Preisi sinised ja Preisi valged süsteemid võivad pakkuda eeliseid kulude, kiiruse ja madala temperatuuriga töötamise osas, kuigi nende jõudlus sõltub suuresti materjali kvaliteedist ja tootmiskontrollist.

Polüanioonseid süsteeme võib valida projektide jaoks, mis panevad suuremat rõhku konstruktsiooni stabiilsusele, ohutusele ja pikale elueale.

Sel põhjusel ei tohiks ostjad hinnata naatriumioonkotielementi ainult nimivõimsuse järgi. Samuti tuleks üle vaadata materjalisüsteem ja täielikud katseandmed.

2. Kontrollige pingeplatvormi ja tööakent

Naatriumioonaku projekti üks esimesi küsimusi on, kas süsteemi pinge ühildub kavandatud seadmetega.

Paljude naatriumioonelementide nimipinge on ligikaudu 3,0 V kuni 3,2 V, kuid tegelik väärtus sõltub keemiast ja tootjast.

Tööpinge vahemik võib olla ka laiem kui LiFePO4 oma. Mõned naatriumioonelemendid võivad töötada umbes 1,5 V või 2,0 V alumises otsas kuni umbes 4,0 V või 4,1 V täislaadimisel.

Neid väärtusi ei tohi käsitleda universaalsete seadistustena. Õige laadimise katkestuspinge, tühjenemise katkestuspinge ja soovitatav tööaken peavad alati tulema elemendi spetsifikatsioonist.

Lai pingevahemik mõjutab mitut akukomplekti disaini valdkonda:

• Järjestikku ühendatud rakkude arv

• Akupaketi maksimaalne ja minimaalne pinge

• Laadija väljundpinge

• BMS-i pinge jälgimise vahemik

• Inverteri või mootori-kontrolleri ühilduvus

• SOC hinnang

• Madalpingekaitse seadistused

Näiteks 16S LiFePO4 paketi asendamine 16S naatriumioonpakiga ei pruugi toota sama nominaalset, täielikult laetud või tühjenenud paketi pinget. Seetõttu tuleks õige seeriakonfiguratsioon arvutada pigem seadme vastuvõetava sisendvahemiku põhjal, mitte kopeerida olemasoleva liitiumaku konstruktsioonist.

3. Hinda võimsust ja energiatihedust realistlikult

Praegustel naatriumioonelementidel on üldiselt madalam gravimeetriline energiatihedus kui suure energiaga NMC liitiumioonelementidel. Samuti võivad need mõnes kaubanduslikus vormingus jääda alla küpsetest LiFePO4 lahendustest.

Naatriumioonkotielementide praktiline energiatiheduse vahemik võib olenevalt keemiast, elemendi konstruktsioonist ja tootmisetapist langeda 100–160 Wh/kg.

Kõrgema energiatarbega kihilisi oksiidsüsteeme võib kaaluda kergete elektrisõidukite või muude rakenduste puhul, kus pakendi kaal ja maht on olulised.

Statsionaarsete salvestusseadmete, varutoiteallika või väikese kiirusega seadmete puhul võib energiatihedus olla vähem kriitiline kui tsükli kestus, madala temperatuuriga jõudlus, ohutus ja hind.

Lahtrite võrdlemisel ärge tuginege ainult etiketile trükitud mahule. Ülevaade:

• Nimienergia vatt-tundides

• Raku kaal

• Lahtri mõõtmed

• Mahuline energiatihedus

• Gravimeetriline energiatihedus

• Kasutusvõimsus soovitatud pingevahemikus

• Võimsuse säilitamine kavandatud tühjenduskiirusel

• Võimsuse säilitamine madalal temperatuuril

Suurema nimivõimsusega element ei pruugi suure voolutugevuse või külma ilma korral tingimata pakkuda rohkem kasutatavat energiat.

4. Sobitage tühjendusmäär tegeliku koormusega

Naatriumioonelemendid võivad pakkuda head ioonjuhtivust ja võimsust, kuid kiiruse võimekus on mudelite vahel siiski väga erinev.

Mõned naatriumioonkotielemendid on mõeldud energia salvestamiseks ja võivad toetada mõõdukat pidevat voolu. Teised on optimeeritud toiterakenduste jaoks ning toetavad tunduvalt suuremat laadimis- ja tühjenemiskiirust.

Aku projekteerija peaks kindlaks määrama:

• Tavaline pidev vool

• Tippvool

• Tippvoolu kestus

• Tippkoormuste sagedus

• Regeneratiivne laadimisvool

• Maksimaalne laadija vool

• Madalaim eeldatav töötemperatuur

Elektrilise kaherattalise mootorsõiduki puhul võivad aku lühikesed kiirenduse tipud keskmisest sõiduvoolust tunduvalt kõrgemad. Energiasalvestussüsteemi puhul võib koormus olla stabiilsem, kuid võib kesta mitu tundi.

Elementi pideva tühjenemise reiting tuleks valida püsiva koormuse alusel, samas kui impulsi nimiväärtus peab vastama nii tippvoolule kui ka selle kestusele.

Samuti on oluline kontrollida elemendi alalisvoolu sisetakistust. Element võib tehniliselt toetada suurt voolu, kuid liiga kõrge takistuse korral tekitab see siiski liigset soojust.

Soojuse tootmine suureneb ligikaudu voolu ruuduga:

Soojuskadu ≈ vool² × sisemine takistus

Seetõttu võib voolu kahekordistamine põhjustada rakkude kuumutamise palju suuremat suurenemist.

Suure jõudlusega naatriumioonkotti akude puhul on sisetakistuse järjepidevus sama oluline kui mahutavuse järjepidevus.

5. Kontrollige katsekõverate abil toimivust madalal temperatuuril

Madala temperatuuriga jõudlus on naatriumioonakude üks kõige sagedamini arutatud eeliseid.

Mõned naatriumioonkoostised võivad säilitada suure osa oma toatemperatuuri mahutavusest -20 °C juures ja teatud spetsiaalselt loodud elemendid võivad tühjenemist jätkata isegi madalamatel temperatuuridel.

Ostjad peaksid siiski vältima eeldamist, et iga naatriumioonelement toimib hästi temperatuuril -20 °C või -40 °C.

Küsige tarnijalt tegelikke katseandmeid, sealhulgas:

• Tühjenduskõverad temperatuuril 25°C, 0°C, -10°C ja -20°C

• Testige tühjenduskiirust

• Laadige temperatuur enne testi

• Pingeplatvorm madala temperatuuriga koormuse all

• Võimsuse säilitamine

• Sisemise takistuse suurenemine

• Maksimaalne lubatud madala temperatuuriga laadimisvool

Pingekõver on eriti oluline. Element võib anda suure protsendi oma nimivõimsusest temperatuuril -20 °C, kuid koormuse all võib tekkida suur algpinge langus. See võib põhjustada BMS-i või seadmete kontrolleri madalpingekaitse enneaegse käivitamise.

Seetõttu tuleks akut hinnata tervikliku süsteemina, mitte ainult elemendi madala temperatuuri võimsuse protsendi alusel.

6. Ärge eeldage, et madalal temperatuuril tühjenemine tähendab piiramatut laadimist

Naatriumioonelement, mis võib tühjeneda temperatuuril -20 °C, ei pruugi tingimata toetada normaallaadimist samal temperatuuril.

Madala temperatuuriga laadimisvool peaks järgima elemendi tootja määratud temperatuurist sõltuvat amortisatsioonikõverat.

Tüüpiline kontrollistrateegia võib hõlmata järgmist:

• Tavaline laadimine mõõdukal temperatuuril

• Vähendatud laadimisvool alla määratletud temperatuuri

• Väga madala vooluga laadimine väga madalatel temperatuuridel

• Täielik laadimiskeeld alla tootja miinimumpiiri

Täpsed läved sõltuvad raku keemiast.

BMS peaks kasutama temperatuuriandureid, mis on paigutatud kambrite lähedusse, eriti piirkondade lähedal, mis on tõenäoliselt külmemad kui ülejäänud pakis. Suuremate pakendite puhul ühest temperatuuriandurist tavaliselt ei piisa.

7. Kottirakkude mehaanilise kokkusurumise projekteerimine

Erinevalt silindrilistest või alumiiniumkorpusega prismarakkudest ei ole kottielementidel jäik väliskest.

Alumiiniumlamineeritud kile on kerge ja ruumisäästlik, kuid vajab korralikku mehaanilist kaitset.

Jalgrattasõidu ajal võib kotirakkude paksus järk-järgult muutuda. Ebatavalised tingimused, nagu ülelaadimine, ülekuumenemine või sisemine lagunemine, võivad samuti tekitada gaasi ja põhjustada turset.

Usaldusväärne pakendi struktuur peaks seega sisaldama:

• Jäigad otsaplaadid

• Kontrollitud kompressioon

• Elastne pehmendusmaterjal

• Rakkude eraldamine ja isolatsioon

• Kaitse teravate servade eest

• Ruum raku paksuse eeldatava varieerumise jaoks

• Stabiilne moodulraam

Lahtrite vahele või rakuvirna ja otsaplaatide vahele võib paigaldada PU-vahtu, silikoonvahtu või muid survematerjale.

Õige surverõhk on rakuspetsiifiline. Liiga väikese rõhu rakendamine võib põhjustada liigset liikumist ja paisumist, samas kui liigne rõhk võib kahjustada elektroodivirna, eraldajat või kotitihendit.

Elementide tootja peaks võimaluse korral esitama soovitatavad tihendus- või kinnitustingimused. Üldist rõhuvahemikku ei tohiks rakendada ilma üksiku elemendi konstruktsiooni kinnitamata.

8. Kaitske kotikesta sakke

Vahelehed on kotielemendi mehaaniliselt kõige haavatavamad osad.

Korduv vibratsioon, painutus- või tõmbejõud võivad kahjustada saki juurt või kotitihendi piirkonda. See on eriti oluline elektrimootorrataste, mobiilsete seadmete, mererakenduste ja tööstussõidukite puhul.

Hea mooduli disain peaks:

• Toetage sakke raku korpuse lähedale

• Vältige siini raskuse asetamist sakkide külge

• Luba soojuspaisumist

• Vältige kokkupanekul korduvat painutamist

• Kasutage klambrite joonduse säilitamiseks kinnitusvahendeid

• Kaitske saki tihendi piirkonda teravate metallosade eest

• Vähendage vibratsiooni ülekandumist korpusest

Keevitus- või ühendamisprotsess peab vastama ka saki materjalile ja paksusele. Alumiiniumist ja vasest sakid võivad vajada erinevaid keevitusparameetreid ja liitmisviise.

Tugeva vooluga projektide puhul tuleks siini konstruktsiooni kontrollida voolutiheduse, temperatuuri tõusu ja mehaanilise pinge suhtes.

9. Kasutage soojusjuhtimiseks suurt raku pinda

Üks kotiformaadi eelis on selle suur tasane pind. See võib muuta soojusülekande tõhusamaks, kui element on korralikult moodulisse integreeritud.

Madala kiirusega energiasalvestuspakettide puhul võib soojust eemaldada elemendi pindade, mooduli raami ja aku korpuse kaudu.

Suurema võimsusega rakenduste puhul võib disain nõuda:

• Soojust juhtivad padjad

• Soojust juhtiv liim

• Alumiiniumist soojusjaoturid

• Õhukanalid

• Sundõhkjahutus

• Vedelikjahutusega plaadid

• Soojusbarjäärid rakkude vahel

Termilise liidese materjal peaks tagama hea kontakti ilma liigset kokkusurumist tekitamata.

Samuti on oluline temperatuuri järjepidevus moodulis. Suur temperatuuride erinevus rakkude vahel võib aja jooksul põhjustada ebaühtlase takistuse, ebaühtlase vananemise ja SOC tasakaalustamatuse suurenemise.

Seetõttu peaks termiline disain keskenduma mitte ainult maksimaalsele temperatuurile, vaid ka temperatuuride erinevusele kogu rakuvirnas.

10. Kasutage naatriumioonide pingeomadustega ühilduvat BMS-i

Standardset LiFePO4 BMS-i ei tohiks naatriumioonaku jaoks automaatselt kasutada.

Mõnel juhul saab olemasolevat BMS-i platvormi kohandada tarkvara sätete kaudu. Muudel juhtudel ei pruugi analoog esiots, diskreetimisahel või kaitsekomponendid nõutavat pingevahemikku toetada.

BMS-i tuleks kontrollida:

• Elementide pinge mõõtmise vahemik

• Ülelaadimiskaitse seadistus

• Ülelaadimise kaitse seadistus

• Pinge taastamise künnised

• SOC algoritm

• Temperatuurikaitse

• Laadimisvoolu vähendamine

• Tasakaalustamise strateegia

• Maksimaalne paki vool

• Lühisekaitse

• Sideprotokoll

Kui naatriumioonelemendi tühjenemise katkestuspinge on madalam kui LiFePO4, peab BMS-i analoog esiots selle madala pinge juures siiski täpselt mõõtma.

Laadija ja koormuse kontroller peavad samuti jääma ühilduma tekkiva paketi pingeaknaga.

Kas naatriumioonrakke saab säilitada 0 V juures?

Mõned naatriumioonide keemiatooted ja elementide konstruktsioonid võivad toetada väga madalpinge või nullpinge säilitamist ja transportimist.

See võib potentsiaalselt parandada ohutust ja lihtsustada teatud logistikaprotsesse.

Nullpinge salvestamine ei ole aga kõigi naatriumioonelementide universaalne omadus. Rakkude tootja peab selle selgesõnaliselt kinnitama ja seda peab kinnitama valideerimisandmed.

Akut ei tohi kunagi tühjendada 0 V-ni lihtsalt seetõttu, et see kasutab naatriumioonide keemiat.

11. Kalibreerige SOC-algoritm uuesti

Seos avatud vooluahela pinge ja laengu oleku vahel on iga naatriumioonide keemia puhul erinev.

Võrreldes LiFePO4-ga on mõnel naatriumioonelemendil pingekõver rohkem kaldu, mis võib anda kasulikumat pingepõhist SOC-teavet. Sellegipoolest ei piisa ainult pingest SOC täpseks hindamiseks muutuvate koormuse ja temperatuuri tingimustes.

Usaldusväärne naatriumioonide BMS võib kombineerida:

• Coulombi lugemine

• OCV korrektsioon

• Temperatuuri kompenseerimine

• Praegune hüvitis

• Rakkude vananemise korrigeerimine

• Keemiaspetsiifiline SOC mudel

Õige OCV-SOC tabel tuleks luua valitud naatriumioonelemendist, mitte kopeerida teisest mudelist.

Samuti tuleks hinnata isetühjenemise käitumist. Kui elemendis tekib pika ladustamise ajal märgatav pingemuutus, võib BMS pärast piisavat puhkeaega vajada perioodilist ümberkalibreerimist.

12. Valige õige tasakaalustusstrateegia

Elementide järjepidevus on iga järjestikku ühendatud aku puhul oluline.

Erinevused võimsuses, SOC-s, sisetakistuses ja isetühjenemises võivad järk-järgult suurendada elementide vahelist pingevahet.

Väiksemate naatriumioonipakkide puhul võib passiivsest tasakaalustamisest piisata. Sobiv tasakaalustusvool sõltub paketi mahust, elemendi konsistentsist ja saadaolevast tasakaalustamisajast.

Suuremahuliste energiasalvestussüsteemide puhul võib madala tasakaalustusvoolu korral kuluda liiga kaua aega, et korrigeerida SOC-i olulist erinevust. Seejärel võib kaaluda aktiivset tasakaalustamist.

Enne BMS-ile lootmist peaks rakkude tarnija teostama rakkude õige liigitamise ja sobitamise järgmiste tegurite alusel:

• Mahutavus

• Avatud vooluahela pinge

• Vahelduvvoolu sisetakistus

• DC sisetakistus

• Isetühjenemise kiirus

• Pinge taastamine

• Tootmispartii

Tasakaalustamine peaks parandama väikesed erinevused töö ajal. Seda ei tohiks kasutada halvasti sobitatud rakkude kompenseerimiseks.

13. Koostage projektipõhine valideerimisplaan

Andmeleht on alles akuprojekti algus.

Enne masstootmist tuleks prototüüppakendeid testida tegelikule rakendusele lähedastes tingimustes.

Valideerimiskava võib sisaldada:

• Võimsuse testimine

• Pideva voolu tühjenemine

• Tippvoolu testimine

• Kiirlaadimise testimine

• Temperatuuri tõusu testimine

• Madala temperatuuriga tühjendamine

• Madala temperatuuriga laadimine

• Tsükli eluea testimine

• Vibratsiooni testimine

• Mehaaniline šokk

• Kompressiooni testimine

• Ülelaadimise kaitse

• Ülelaadimise kaitse

• Lühisekaitse

• Soojuslevi hindamine

• Pikaajaline ladustamine

Nõutav sertifikaat sõltub rakendusest ja turust.

IEC 62619 võib olla asjakohane tööstuslike sekundaarakude rakenduste jaoks. GB 38031 kehtib Hiinas elektrisõidukites kasutatavate veoakude kohta. Veodokumendid võivad sisaldada ka UN38.3, ohutuskaarti ja asjakohast ohtlike kaupade veo hinnangut.

Kohaldatav standard tuleks kinnitada lõpliku akuploki, turu ja rakenduse põhjal, mitte valida ainult elemendi tüübi järgi.

Naatrium-ioon kotikeste projekti kontroll-loend

Enne naatriumioonkotielemendi kinnitamist vaadake üle järgmised küsimused.

Elektrinõuded

• Mis on süsteemi nimi-, maksimaalne ja minimaalne pinge?

• Mis on pidev töövool?

• Kui suur on tippvool ja kui kaua see kestab?

• Mis on nõutav laadimisaeg?

• Kas regeneratiivne laadimine on seotud?

Keskkonnanõuded

• Mis on madalaim tühjendustemperatuur?

• Mis on madalaim laadimistemperatuur?

• Kas pakend puutub kokku vibratsiooni, niiskuse või soolapihustusega?

• Kas on vaja aktiivset kütmist või jahutamist?

Lahtri nõuded

• Millist naatriumioonide keemiat kasutatakse?

• Mis on tegelik energiatihedus?

• Millised on laadimis- ja tühjenduspinge piirid?

• Millised on pideva ja impulssvoolu väärtused?

• Kas madala temperatuuri kõverad on saadaval?

• Milliseid tihendustingimusi soovitatakse?

Mehaanilised nõuded

• Kas paksuse muutmiseks on piisavalt ruumi?

• Kas koti pinnad on kaitstud?

• Kas sakid on mehaaniliselt toetatud?

• Kas mooduli raam on piisavalt jäik?

• Kas soojust saab ühtlaselt üle kanda igast rakust?

BMS nõuded

• Kas AFE toetab kogu pingevahemikku?

• Kas kaitseläved on reguleeritavad?

• Kas SOC-mudel on välja töötatud valitud naatriumioonelemendi jaoks?

• Kas madala temperatuuriga laadimise vähendamine on lisatud?

• Kas tasakaalustusvool on paketi mahutavusele sobiv?

Kas naatriumioonkotirakk sobib iga projekti jaoks?

Mitte tingimata.

Naatriumioonkotielemendid võivad olla väga konkurentsivõimelised, kui madala temperatuuriga jõudlus, võimsus, ohutus, materjali kättesaadavus või paindlikud elemendi mõõtmed on olulised.

LiFePO4 võib siiski olla sobivam, kui projekt nõuab küpset tarneahelat, laialdaselt kättesaadavaid laadimissüsteeme, tõestatud pikaajalisi väliandmeid ja väljakujunenud sertifitseerimistuge.

NMC liitiumioon võib jääda paremaks valikuks, kui minimaalne kaal ja maksimaalne energiatihedus on kõige olulisemad.

Otsus peaks põhinema terviklikul akusüsteemil, mitte ainult keemiaturundusel.

Tehniliselt sobiv element peab töötama koos korpuse, jahutussüsteemi, BMS-i, laadija, kontrolleri, sertifitseerimisplaani ja sihtmaksumusega.

Kuidas Misen toetab naatriumioonkoti akuprojekte

Misen töötab klientidega rohkem kui üksikute rakkude tarnimisel.

Naatriumioonkoti akuprojektide puhul võib meie toetus hõlmata järgmist:

• Elementide valik vastavalt pinge, võimsuse ja voolu nõuetele

• Naatriumioon- ja liitiumaku võrdlus

• Koti raku mõõtmete valik

• Võimsuse ja sisemise takistuse sobitamine

• Seeria- ja paralleelkonfiguratsiooni disain

• Soovitused mehaanilise kokkusurumise kohta

• Sakki ja siini ühenduse disain

• Soojusjuhtimise planeerimine

• Naatrium-ioon BMS-i parameetrite koordineerimine

• Akuploki prototüübi arendamine

• Rakkude ja pakkide testimise tugi

• OEM- ja ODM-aku lahendused

Uute naatriumiooniprojektide puhul soovitame alustada tegelikest rakenduseandmetest, selle asemel, et valida element ainult võimsuse järgi.

Jagage vajalikku pinget, võimsust, pidevat voolu, tippvoolu, töötemperatuuri, saadaolevaid mõõtmeid ja eeldatavat tellimiskogust. Meie insenerimeeskond aitab hinnata, kas naatriumioon-kotielement on teie aku jaoks tehniliselt ja kaubanduslikult sobiv.

Kas otsite naatriumioonkotielementi või kohandatud naatriumioonaku lahendust? Võtke Miseniga ühendust, et arutada oma projekti nõudeid.