Otimização de Projeto Estrutural e Tecnologia de Embalagem de Sistemas de Baterias de Energia

I. Projeto Estrutural de Sistemas de Baterias de Energia

A estrutura de um sistema de bateria de energia compreende células, módulos e conjuntos de baterias. A célula é a unidade mais fundamental, e seu projeto estrutural e a seleção do material são decisivos para o desempenho da bateria. Os principais tipos de células atualmente disponíveis incluem células cilíndricas, prismáticas e em bolsa, cada uma oferecendo certas vantagens em termos de densidade de energia, segurança e custo. Por exemplo, células cilíndricas apresentam alta densidade de energia e baixo custo, mas segurança relativamente baixa; células prismáticas alcançam um equilíbrio entre segurança e custo; células em bolsa, que surgiram precocemente e são amplamente utilizadas em aplicações 3C, estão ganhando força em aplicações de energia e apresentam um potencial de desenvolvimento significativo. Um módulo normalmente consiste em um certo número de células conectadas em série e/ou paralelo, equipadas com um sistema de gerenciamento térmico e conexões elétricas. O projeto do módulo visa proteger as células de influências ambientais externas e melhorar o desempenho geral do sistema de bateria. As principais considerações durante o projeto do módulo incluem o isolamento térmico e elétrico entre as células para garantir segurança e estabilidade. Empresas como XIAMEN TOB NOVA TECNOLOGIA DE ENERGIA CO., LTD. especializar-se em fornecer serviços personalizados soluções de produção de módulos e pacotes de bateria , garantindo desempenho e confiabilidade ideais do nível do módulo para cima. O conjunto de baterias representa a forma final do sistema de bateria de energia, apresentando uma estrutura complexa geralmente composta de módulos de bateria, um sistema de gerenciamento térmico, um sistema de gerenciamento de bateria (BMS), um sistema elétrico e componentes estruturais. As partes estruturais do conjunto de baterias, como a tampa superior, o gabinete e a tampa inferior, fornecem isolamento seguro e protegem as células de impactos externos. O sistema elétrico, consistindo principalmente de uma caixa de controle de alta tensão e interfaces de alta tensão, é responsável pela transmissão e distribuição de energia. Durante o projeto estrutural do conjunto de baterias, o desempenho de segurança deve ser cuidadosamente considerado. Por exemplo, estruturas multicamadas e tecnologias de isolamento térmico podem reduzir a geração de calor durante a operação, enquanto sensores e algoritmos inteligentes permitem o monitoramento em tempo real do status da bateria para evitar anormalidades, como sobrecarga ou descarga excessiva.

II. Tecnologia de embalagem de bateria de energia

Como uma tecnologia crítica no campo de veículos de nova energia, o encapsulamento de baterias elétricas impacta diretamente a densidade energética, a segurança e a confiabilidade do sistema de baterias. Com o rápido desenvolvimento do mercado de veículos de nova energia, a tecnologia de encapsulamento de baterias elétricas tem passado por contínua inovação e aprimoramento. O encapsulamento de baterias elétricas envolve principalmente três configurações: conexões em série, em paralelo e híbridas. As conexões em série atendem aos requisitos de alta tensão, tornando-as adequadas para cenários de saída de alta tensão. As conexões em paralelo aumentam a capacidade e a autonomia do sistema. As configurações híbridas combinam as vantagens de ambas, acomodando simultaneamente demandas de alta tensão e alta capacidade.

Na prática, o empacotamento de baterias de alta potência deve considerar múltiplos fatores. Primeiro, as inconsistências entre as células representam um desafio significativo. Devido a variações nos processos de fabricação e materiais, o desempenho das células pode variar. Portanto, medidas como a seleção e o pareamento otimizados de células, juntamente com um BMS avançado, são essenciais para minimizar inconsistências e melhorar o desempenho geral da bateria.

TOB NOVA ENERGIA oferece abrangente linha piloto de bateria e soluções de linha de laboratório de baterias para ajudar os clientes a testar e enfrentar esses desafios, garantindo o escalonamento perfeito do laboratório à produção com qualidade de célula consistente. Em segundo lugar, o gerenciamento térmico é um aspecto crítico do encapsulamento de baterias de energia, abrangendo o gerenciamento de resfriamento e aquecimento. Durante a operação, as baterias geram calor substancial que, se não for dissipado de forma eficaz, pode levar ao aumento da temperatura, comprometendo o desempenho e a segurança. Técnicas de gerenciamento de resfriamento, incluindo resfriamento a ar, resfriamento a líquido, resfriamento por tubo de calor e resfriamento por mudança de fase, garantem que a bateria opere dentro de uma faixa de temperatura ideal. Em ambientes de baixa temperatura, as baterias de íons de lítio apresentam maior resistência interna e capacidade reduzida. Condições extremas podem até causar congelamento do eletrólito e incapacidade de descarregar, impactando significativamente o desempenho do sistema de bateria em baixa temperatura e levando à redução da potência de saída e da autonomia em veículos elétricos. Portanto, o carregamento em condições de baixa temperatura normalmente envolve o pré-aquecimento da bateria a uma temperatura adequada. As técnicas de gerenciamento de aquecimento incluem métodos internos e externos. O aquecimento externo, que emprega gases, líquidos, placas de aquecimento elétrico, materiais de mudança de fase ou o efeito Peltier em alta temperatura, é relativamente mais seguro. O aquecimento interno utiliza calor Joule gerado durante a operação da bateria, mas tem impactos pouco claros na vida útil e na segurança da bateria, com aplicação limitada em veículos elétricos.

Por fim, a embalagem da bateria de energia deve priorizar a segurança. Medidas como proteção contra sobrecarga, proteção contra descarga excessiva e proteção contra temperatura são necessárias para evitar anormalidades. Além disso, os sistemas de bateria devem passar por testes e validações rigorosos para garantir a conformidade com os padrões e requisitos de segurança relevantes. Esta é uma parte essencial Serviços integrados de equipamentos e comissionamento da TOB NEW ENERGY .

III. Estratégias de Otimização para Projeto Estrutural e Tecnologia de Embalagem

1. Inovação em Tecnologia de Materiais

Para baterias de veículos de nova energia, os avanços na ciência e tecnologia dos materiais são essenciais para melhorar o desempenho. O progresso na ciência dos materiais desempenha um papel crucial na otimização da estrutura da bateria e da tecnologia de encapsulamento. Primeiro, a pesquisa de materiais catódicos é um ponto crítico para aprimorar o desempenho da bateria. Por exemplo, materiais ternários com alto teor de níquel aumentam significativamente a densidade energética, estendendo assim a autonomia de veículos de nova energia. Além disso, técnicas de modificação, como dopagem e revestimento, melhoram ainda mais a estabilidade e a segurança dos materiais catódicos. Segundo, a inovação em materiais anódicos é uma direção importante para o desenvolvimento de baterias de nova energia. Materiais anódicos à base de silício, com sua alta capacidade específica e potencial de intercalação de lítio adequado, são a escolha preferida para ânodos de baterias de íons de lítio de próxima geração. Abordagens em nanoescala e compósitos abordam o problema da expansão de volume dos ânodos de silício durante a carga e a descarga, estendendo efetivamente a vida útil da bateria. No entanto, em comparação com o carbono, os materiais de silício são relativamente caros e a produção em larga escala deve considerar o custo. A seleção de fontes de silício apropriadas e o emprego de processos nanométricos corretos podem mitigar os desafios de aplicação e promover a produção comercial de materiais anódicos à base de silício.

TOB NOVA ENERGIA fornece tecnologia de ponta materiais de bateria e suporte técnico para inovação em cátodos e ânodos, facilitando tais esforços de P&D e comercialização. Terceiro, as características dos eletrólitos e separadores impactam significativamente o desempenho geral da bateria. O desenvolvimento de novos eletrólitos pode reduzir a resistência interna e melhorar a eficiência da conversão de energia, enquanto separadores de alto desempenho previnem eficazmente curtos-circuitos internos e autodescargas.

2. Otimização dos processos de projeto e fabricação de módulos

O design do módulo é fundamental para a tecnologia de encapsulamento de baterias de energia, e sua racionalidade e avanço afetam diretamente o desempenho geral do sistema de baterias. A inovação e o aprimoramento contínuos no design do módulo e nos processos de fabricação são essenciais para aprimorar o desempenho da bateria de energia. Primeiro, a otimização do design do módulo envolve o layout estrutural e o arranjo das células. Layouts estruturais racionais reduzem a resistência interna e a resistência térmica, melhorando a eficiência da transferência de energia. Arranjos científicos das células garantem boa resistência a choques sob impacto externo. Segundo, os avanços nos processos de fabricação são cruciais para a otimização do módulo. Tecnologias avançadas de soldagem, encapsulamento e teste garantem estabilidade e consistência durante a produção. Por exemplo, a soldagem a laser permite conexões precisas entre células e módulos, reduzindo a resistência de contato, e as linhas de encapsulamento automatizadas aumentam a eficiência da produção e reduzem o erro humano. TOB NOVA ENERGIA oferece equipamentos de bateria personalizados e de ponta a ponta soluções de linha de produção de baterias para atingir esses objetivos precisos de fabricação. Por fim, o projeto do módulo e as melhorias no processo de fabricação devem considerar integralmente as características de dissipação de calor. A otimização das estruturas de dissipação de calor e o uso de materiais térmicos eficientes reduzem efetivamente a geração de calor durante a operação e aumentam a estabilidade térmica do sistema de bateria.

3. Otimização Integrada da Gestão Térmica e Energética

A otimização integrada da gestão térmica e energética em sistemas de baterias de veículos de nova energia é fundamental para melhorar o desempenho e a segurança. À medida que a tecnologia de baterias evolui, maiores demandas são colocadas na gestão térmica e energética. O foco da gestão térmica é dissipar eficientemente o calor gerado durante a operação da bateria para evitar o superaquecimento. Estratégias de otimização integrada incluem o uso de materiais condutores térmicos avançados, o projeto de estruturas racionais de dissipação de calor e a incorporação de sistemas inteligentes de controle de temperatura. Comparado ao resfriamento a ar, o resfriamento líquido com placas de resfriamento é mais eficiente, e placas de resfriamento de alumínio ou liga de alumínio têm um custo relativamente baixo. As principais direções de pesquisa envolvem a otimização da estrutura e da dinâmica de fluidos das placas de resfriamento para simplificar a fabricação e aumentar a eficácia. Estudos recentes concentram-se no projeto do canal de resfriamento, reduzindo a resistência ao fluxo e melhorando a uniformidade da temperatura. Por exemplo, alguns especialistas projetaram uma nova placa de resfriamento líquido baseada em canais serpentinos, melhorando significativamente a eficiência do resfriamento sob condições específicas. O conjunto de baterias 4680 CTC da Tesla usa um design serpentino para sua placa de resfriamento interna. Outros projetaram placas de resfriamento com estrutura de favo de mel para baterias prismáticas, melhorando a dissipação de calor ao aumentar os canais de resfriamento. Os sistemas de dissipação de calor baseados em materiais de mudança de fase (PCM) são sistemas passivos de gerenciamento térmico que utilizam o armazenamento e a liberação de calor latente para manter a bateria em uma temperatura ideal. Eles oferecem vantagens como ausência de consumo de energia, ausência de peças móveis e baixos custos de manutenção. No entanto, os PCMs têm condutividade térmica relativamente baixa, portanto, a incorporação de materiais metálicos nos PCMs pode mitigar essa desvantagem inerente. No gerenciamento de energia, o foco está na distribuição racional e na utilização eficiente da energia da bateria. Estratégias precisas de gerenciamento de energia podem estender a autonomia, melhorar a eficiência da conversão de energia e reduzir a perda de energia. A otimização integrada inclui a otimização de algoritmos de carregamento, a incorporação de sistemas de recuperação de energia e o uso de estratégias inteligentes de programação de energia. Por exemplo, alguns veículos de nova geração empregam tecnologia de carregamento inteligente que ajusta a corrente e a tensão de carregamento com base no status da bateria em tempo real e nos hábitos do usuário para utilizar a energia da bateria de forma eficaz. A otimização integrada do gerenciamento térmico e energético também deve considerar sua sinergia. A integração racional permite que os gerenciamentos térmico e energético se complementem e se promovam mutuamente. Por exemplo, quando a temperatura da bateria está muito alta, o sistema de gerenciamento de energia pode ajustar automaticamente a operação para reduzir a geração de calor, enquanto o sistema de gerenciamento térmico dissipa o calor prontamente para evitar danos.

IV. Direções de desenvolvimento para projeto estrutural e tecnologia de embalagem

1. Alta densidade energética e longa vida útil

No contexto do rápido desenvolvimento do mercado de veículos de nova energia, a densidade energética e a vida útil das baterias elétricas se tornaram pontos focais de pesquisa.

A estrutura e a tecnologia de encapsulamento das baterias de energia estão evoluindo em direção a uma maior densidade energética e maior vida útil. O aumento da densidade energética é crucial para estender a autonomia de veículos de nova energia. Pesquisadores estão desenvolvendo novos materiais de cátodo e ânodo com maior densidade energética e melhor estabilidade de desempenho, como materiais ternários de alto níquel e compósitos de silício-carbono. Otimizar a estrutura da bateria é outra abordagem importante, como o uso de estruturas multicamadas e separadores mais finos para melhorar ainda mais a densidade energética. Pesquisas recentes sobre design racional e preparação inovadora de materiais de cátodo ternário monocristalino rico em níquel para baterias de íons de lítio produziram novos resultados. Comparados às estruturas policristalinas, os materiais de cátodo ternário monocristalino rico em níquel oferecem vantagens excepcionais em densidade de compactação e desempenho de segurança, tornando-os a escolha preferida para cátodos de baterias de estado sólido de próxima geração. Por exemplo, com base na lei de amadurecimento de Ostwald, pesquisadores estabeleceram uma relação entre temperatura, tamanho de partícula e tempo de calcinação e desenvolveram uma técnica de litiação pulsada de curta duração e alta temperatura para controlar com precisão o tamanho de monocristais de alta qualidade. Eles sintetizaram com sucesso partículas monocristalinas NCM83 com tamanho de 3,7 μm, exibindo distribuição de tensões mais uniforme. Após 1.000 ciclos em uma célula com bolsa cheia, a taxa de retenção de capacidade atingiu 88,1%. Este trabalho fornece orientação teórica e suporte técnico importantes para o projeto e a síntese de materiais de cátodo ternário monocristalino rico em níquel de alta energia específica com excelente estabilidade de ciclo.

Uma vida útil longa é essencial para o desenvolvimento sustentável de baterias de energia. Pesquisadores estão trabalhando para aumentar os tempos de ciclo e reduzir as taxas de decaimento. Isso pode ser alcançado de forma eficaz por meio da melhoria dos processos de fabricação, otimização do BMS e adoção de tecnologias avançadas de gerenciamento térmico. TOB NOVA ENERGIA apoia esses esforços por meio de suas soluções abrangentes de linha de produção de baterias e serviços de suporte a P&D.

2. Maior segurança e confiabilidade

Segurança e confiabilidade são temas perpétuos no desenvolvimento da estrutura de baterias de energia e tecnologia de embalagem. Avanços futuros darão maior ênfase a esses aspectos. Na seleção de materiais, os pesquisadores se concentrarão mais na estabilidade térmica e química para reduzir os riscos de fuga térmica e curto-circuitos durante a operação. O uso de materiais catódicos termicamente estáveis e eletrólitos retardantes de chama pode melhorar significativamente a segurança da bateria. Na estrutura da bateria, o design otimizado da célula e o layout do módulo reduzem a concentração de estresse interno e os potenciais riscos à segurança. A introdução de múltiplos mecanismos de proteção de segurança, como isolamento térmico, proteção contra sobrecarga e proteção contra descarga excessiva, pode cortar prontamente a energia em caso de anormalidades, prevenindo acidentes. Do ponto de vista da fabricação, padrões de controle de qualidade mais rigorosos e equipamentos de produção avançados garantem a consistência e a confiabilidade da bateria. Processos de fabricação refinados reduzem defeitos e taxas de falha, melhorando o desempenho geral da bateria.

Com o rápido desenvolvimento da Internet das Coisas (IoT), big data e inteligência artificial (IA), a estrutura e a tecnologia de encapsulamento de baterias elétricas estão se tornando cada vez mais inteligentes e integradas. No futuro, os sistemas de baterias elétricas se tornarão mais inteligentes e eficientes, fornecendo forte suporte para aprimorar o desempenho de veículos de nova energia e otimizar a experiência do usuário. A inteligência é uma importante direção de desenvolvimento para sistemas de baterias elétricas. A incorporação de componentes inteligentes, como sensores, atuadores e controladores, permite o monitoramento em tempo real e o controle preciso do status da bateria. O monitoramento em tempo real da temperatura, tensão e corrente permite a detecção e o tratamento oportunos de anormalidades. O controle preciso dos processos de carga e descarga otimiza a eficiência da utilização de energia e prolonga a vida útil da bateria. A integração é outro método importante para otimizar sistemas de baterias elétricas. O design integrado de múltiplos módulos e componentes funcionais reduz a complexidade do sistema e melhora o desempenho geral. A integração de BMS, sistemas de gerenciamento térmico e sistemas de recuperação de energia permite controle unificado e gerenciamento otimizado. O uso de módulos de bateria altamente integrados e materiais leves reduz ainda mais o peso e o tamanho do sistema, aumentando a taxa de eficiência energética e a autonomia de veículos de nova energia.

V. Conclusão

Este artigo fornece uma análise aprofundada das medidas de otimização para o projeto estrutural e a tecnologia de acondicionamento de sistemas de baterias de veículos de nova energia, abrangendo tecnologia de materiais, segurança, confiabilidade, inteligência e integração. Revela os principais fatores para a melhoria do desempenho e as direções de desenvolvimento. Em um cenário de rápido desenvolvimento do mercado e progresso tecnológico, o projeto estrutural e a tecnologia dos sistemas de baterias de nova energia continuarão a ser otimizados e inovados, fornecendo forte suporte para a ampla aplicação e o desenvolvimento sustentável de veículos de nova energia. XIAMEN TOB NOVA TECNOLOGIA DE ENERGIA CO., LTD. está comprometida em apoiar essa evolução por meio de seu conjunto abrangente de soluções de produção e pesquisa de baterias, desde equipamentos personalizados e fornecimento de materiais até entrega completa da linha de produção e suporte técnico.