В бързо развиващия се пейзаж на съхранение на енергия и електрическа мобилност дизайнът и безопасността на батерийните пакети са от първостепенно значение. Тъй като системите изискват по-високи напрежения за ефективност и по-големи капацитети за удължено време на работа, основните конфигурации на последователни и паралелни връзки стават критични дизайнерски избори. Всяка конфигурация представлява уникални предизвикателства, особено по отношение на защитата от свръхток.
Проектиране на серийно свързване и стратегия за топене
Серийното свързване включва свързване на положителни-към-отрицателни клетки на батерията, което води до допълнително общо напрежение, докато общият капацитет (в ампер-часове) остава равен на този на единична клетка. Тази конфигурация е от съществено значение за приложения, изискващи високо работно напрежение, като например електрически превозни средства и индустриално оборудване.
Основната грижа за защитата в серийния низ е рискът от прекъсване на веригата. Ако една клетка не се отвори вътрешно или ако връзката се счупи, цялата верига се прекъсва, което води до пълно изключване на системата. Въпреки че това може да изглежда по-малко опасно от късо съединение, то може да е симптом на по-дълбок проблем. По-критично е, че повреда на късо- съединение в една клетка или модул може да има сериозни последствия. В серийния низ токът е постоянен навсякъде. Късо съединение в една клетка би причинило преминаването на тока на целия пакет през този повреден път с ниско-съпротивление, което води до екстремно локализирано нагряване, термично изтичане и потенциално разпространение към съседни клетки.
Следователно, стратегията за топене за серийни връзки трябва да предпазва от условия на свръхток, които могат да доведат до късо съединение на клетката. Традиционно предпазителят на главния пакет се инсталира на клемата за висок-ток. Това обаче предлага ограничена защита за отделни клетки или малки модули в низа. Късо съединение в една клетка може да не изтегли достатъчно ток, за да изгори главният предпазител, преди да настъпи катастрофална повреда. Следователно дизайнерите все повече внедряватсливане на-ниво на модул или дори-на ниво клетка. Това включва поставяне на предпазител последователно с всяка паралелна под-група от клетки или използване на предпазители на раздели на отделни клетки. Тези предпазители са калибрирани с по-нисък номинален ток от главния предпазител, което гарантира, че те се отварят първи, за да изолират повреден модул, преди той да дестабилизира целия пакет. Ключовите конструктивни параметри за тези предпазители включват стационарния-работен ток на низа и максималния очакван ток на късо- съединение, който батерията може да достави.
Проектиране на паралелно свързване и стратегия за свързване
За разлика от това, паралелната връзка свързва всички положителни клетки заедно и всички отрицателни заедно, като поддържа общото напрежение постоянно, като същевременно сумира капацитета на отделните клетки. Тази конфигурация се използва за увеличаване на общото съхранение на енергия и доставяне на по-високи токове.
Доминиращият риск в паралелните конфигурации етоков дисбаланс и циркулиращи токове. Клетките, свързани паралелно, естествено ще споделят тока на натоварване. Въпреки това, поради различия във вътрешното съпротивление, състояние на заряд, възраст или температура, една клетка може да се окаже, че носи непропорционален дял от тока. При високо натоварване или зареждане тази клетка може да се претовари, което да доведе до прегряване и ускорено разграждане. По-опасен сценарий възниква, ако една клетка развие вътрешно късо съединение. След това другите здрави клетки в паралелната група ще изхвърлят енергията си директно в дефектната клетка с много висока скорост, действайки като концентрирано изхвърляне на енергия, което може бързо да доведе до пожар или експлозия.
Дизайнът на предпазителите за паралелни групи трябва да се отнася до тези токове на повреда. Първичен предпазител на главната шина е необходим, но недостатъчен, тъй като повреда в един паралелен клон може да не извлече достатъчно общ ток, за да го изгори. Най-ефективната защита еиндивидуално топене за всеки паралелен клон(всяка клетка или всеки сериен низ, който след това се успоредява). Всеки разклонителен предпазител е номинален малко над предвидения дял на тока за този клон, но доста под максималния ток, който останалата част от пакета може да доведе до късо съединение. Това гарантира, че ако дадена клетка даде късо съединение, ще изгори само нейният специален предпазител, изолирайки повредата и позволявайки на останалата част от паралелния масив да остане функционална, макар и с намален капацитет. Този дизайн подобрява както безопасността, така и здравината на системата. Изборът на подходящ предпазител изисква внимателен анализ на потенциалния принос на тока на повреда от всички други паралелно-свързани клетки.
Интегриране, съображения за конектори и разширен дизайн
Холистична схема за защита за сложни батерийни пакети, които често използват серийни-паралелни хибридни топологии, интегрира множество нива на предпазители: ниво-клетка, ниво-модул и ниво-основен пакет. Това създава координирана защитна йерархия. Освен това физическото внедряване на предпазителите трябва да вземе предвид термичното управление. Предпазителите генерират топлина при нормална работа и по време на прекъсване. Поставянето им не трябва да създава горещи точки, които да влияят на равномерността на температурата на батерията, което е от решаващо значение за дълготрайността и безопасността.
Изборът наконекторисъщо е неразделна част от безопасния дизайн. Конекторите трябва надеждно да пренасят необходимия ток без прекомерен спад на напрежението или нагряване. Тъй като оборудването намалява, необходимостта от балансиране на-носещата способност с ограниченията на пространството нараства. Лошо свързаните или недостатъчно определени конектори могат да се превърнат в точки с високо съпротивление, имитирайки частична повреда и създавайки локално нагряване. В някои конструкции стопяемите връзки са интегрирани в самата шина или конектор. Осигуряването на правилно подравняване на свързването, както е посочено от оформлението на печатната платка и ориентацията на ключовете за напрежение, е от решаващо значение за предотвратяване на грешки при инсталиране, които биха могли да компрометират цялата стратегия за защита.
Усъвършенстваният дизайн сега използва цифров мониторинг със системи за управление на батерията (BMS), за да работи в тандем с пасивно топене. BMS може да открие фини дисбаланси, показателни за повредена клетка или разклонение, и проактивно да ограничи тока или да инициира контролирано изключване, преди да е необходим предпазител. Въпреки това, пасивният предпазител остава най-добрата-безопасна физическа бариера срещу катастрофални свръхтокови събития.
Проектирането на системи за топене за батерийни пакети не може да бъде последвана мисъл; това трябва да бъде основно съображение от началната архитектурна фаза. Независимо дали конфигурирате клетки последователно за постигане на високо напрежение или паралелно за постигане на висок капацитет, пътищата на тока на повреда и изискванията за защита се различават значително. Серийният низ изисква защита срещу повреди, които биха могли да прокарат целия ток на низа през една точка на повреда, докато паралелният масив изисква изолиране на дефектни клонове, за да се предотврати изхвърлянето на енергия. Тенденцията към модулно, много-степенно свързване, съчетано със стабилен избор на конектори и интеграция с активно BMS наблюдение, представлява най-добрата практика за изграждане на батерийни пакети, които са не само високо-производителни, но и по своята същност безопасни и надеждни. Тъй като плътността на енергията и нивата на зареждане продължават да нарастват, тези стратегии за защита ще формират критичната основа за следващото поколение системи за съхранение на енергия.