Návrh a analýza prizmatických buniek štrukturálnych komponentov

一. Prehľad hranolových buniek štrukturálnych zložiek
Štrukturálne komponenty primmatických buniek hrajú rozhodujúcu úlohu v lítiových batériách. Podávajú predovšetkým funkcie, ako je prenos energie, zadržiavanie elektrolytov, ochrana bezpečnosti, podpora a fixácia batérie a exteriérová dekorácia. Tieto komponenty priamo ovplyvňujú bezpečnosť, tesnenie a účinnosť využívania energie lítiových batérií.

Podľa príslušných údajov dosiahla v roku 2022 veľkosť trhu štrukturálnych zložiek lítiových batérií v Číne 33,8 miliárd juanov, čo predstavuje medziročný rast o 93,2%. Spomedzi nich prizmatické konštrukčné komponenty batérie už dlho obsadili väčšinu trhu so štrukturálnymi komponentmi, pričom trhový podiel je až 90,7%, zatiaľ čo valcové konštrukčné komponenty batérie predstavujú iba 9,3%. Táto dominancia je spôsobená najmä rýchlym rozvojom nového trhu s energetickými vozidlami v Číne, ktorý je spôsobený silnou podporou vládnej politiky. Výrobná kapacita výrobcov batérií a počet buniek na objednávku sa výrazne zvýšili a hranolové batérie sú vhodnejšie na splnenie požiadaviek na rozsiahlu výrobu.

Štrukturálne komponenty primmatických buniek sa zvyčajne skladajú z škrupiny a krycej dosky. Proces výroby škrupiny je relatívne jednoduchý, predovšetkým s použitím nepretržitých procesov kreslenia hlbokého kreslenia a zvyčajne sa vyrába z ocele alebo hliníka. Ponúka vysokú štrukturálnu pevnosť a silný odpor voči mechanickým zaťažením. Naopak, výrobný proces krycej dosky je zvyčajne oveľa zložitejší ako proces škrupiny. Medzi jej hlavné funkcie patrí upevnenie/tesnenie, prúdenie, reliéf tlaku, ochrana poistiek a zníženie elektrickej korózie. Napríklad horný kryt je laserom zváraný do hliníkovej škrupiny, aby sa zapuzdrila a zaistila holú bunku a zároveň zabezpečila utesnenú štruktúru. Terminály hornej krytiny, prípojnice a karty buniek sú zvárané, aby sa zabezpečilo riadne vedenie nabíjania a vypúšťania prúdu. Keď sa batéria stretne s abnormálnou situáciou a zvyšuje sa vnútorný tlak, bezpečnostný ventil horného krytu sa otvára na uvoľňovanie tlaku, čím sa znižuje riziko výbuchu.

Štrukturálne komponenty prizmatických buniek zohrávajú nevyhnutnú úlohu v lítiových batériách a ich vyhliadky na trhu sa stávajú čoraz širšie pri vývoji nových trhov s energetickými vozidlami a energiou.

2. Typy a funkcie štrukturálnych komponentov

a) škrupina
Ako rozhodujúca zložka prizmatických buniek štrukturálnych komponentov hrá škrupina kľúčové úlohy pri fixácii, ochrane, tesnení a rozptyle tepla. Slúži ako bariéra medzi aktívnymi materiálmi vo vnútri bunky a vonkajším prostredím v celom jeho životnom cykle, poskytuje štrukturálnu stabilitu vnútornému elektrochemickému systému a zaisťuje, že bunka udržiava stabilnú štruktúru za rôznych podmienok.

Pokiaľ ide o ochranu, škrupina vydrží určité mechanické zaťaženia, čo zabráni poškodeniu vonkajších vplyvu na poškodenie bunky. Jeho tesniaca funkcia zaisťuje, že elektrolyt netesne, čím sa udržiava normálny prevádzkový stav batérie. Okrem toho škrupina pomáha pri rozptyle tepla uvoľňovaním tepla generovaného počas prevádzky batérie, čím sa zvýši bezpečnosť batérie a predĺži jej životnosť.

Výrobný proces škrupiny zahŕňa hlavne krájanie surovín, presný nepretržitý hlboký výkres, rezanie, čistenie, sušenie a kontrola. Medzi nimi je technológia presnosti nepretržitého hlbokého kreslenia najnáročnejším aspektom výroby škrupiny. Počas tohto procesu je nevyhnutné zabezpečiť rovnomernú hrúbku steny a zabrániť zlomeninám.

V porovnaní s konvenčnými jednostupňovými pečiatkami je presná nepretržitá hlboká kresba zložitejšia. Jeho základné bariéry ležia vo formách a kresliacich zariadeniach. Kvalitné formy a pokročilé kreslenie sú rozhodujúce pre zabezpečenie rozmerovej presnosti a stability výkonu škrupiny.

b) zakrytá doska
Krycia doska hrá rozhodujúcu úlohu v prizmatických bunkových štrukturálnych komponentoch a poskytuje funkcie, ako sú pripojenie, izolácia, tesnenie a ochrana výbuchu.

Oceľový uzáver je umiestnený v hornej časti krycej dosky a má vysokú pevnosť, vďaka čomu je odolná voči deformácii pod vonkajšími silami. Slúži na ochranu hliníkového listu odolného v oblasti výbuchu a je tiež súčasťou pripojenia batérií v balení. Tesnivý krúžok je umiestnený na vonkajšom okraji krycej dosky, izolujúci vnútorné kovové časti kombinovaného uzáveru od oceľovej škrupiny batérie. Poskytuje izoláciu na zabránenie vnútorným skratom a zaisťuje aj utesnenie po zapečatení batérie.

Komponent odolná voči výbuchu sa primárne používa na zníženie výkonu a zmiernenie tlaku počas preťaženia batérie, aby sa zabránilo výbuchu spôsobenej nadmerným vnútorným tlakom. Skladá sa z izolačného kruhu, hliníkového hárku odolného voči výbuchu a spájajúceho hliníkového listu. Hliníkový list odolný voči výbuchu je umiestnený v strede krycej dosky a je základným komponentom, ktorý určuje obmedzenie obvodu a uvoľňovanie kritického tlaku. Keď vnútorný tlak batérie dosiahne určitú hodnotu, automaticky praskne, aby uvoľnil tlak, čím sa zabezpečí bezpečnosť batérie. Prepojovací hliníkový list je umiestnený v spodnej časti krycej dosky a je pripojený k hliníkovému hliníkovej vrstve odolnej v laserovom zváraní. V prípade nebezpečnej situácie sa odpojí od hliníkového hárku odolného v oblasti výbuchu. Izolačný krúžok sa nachádza v spojení medzi hliníkovým listom a hliníkom odolným hliníkom, ktorý poskytuje izoláciu a izoláciu.

Výrobný proces krycej dosky je zložitejší ako proces škrupiny a hlavne zahŕňa vylisovanie a vstrekovanie, kontrolu komponentov, lepenie, asfaltové ponorenie, obal a tvarovanie okrajov, bodové zváranie, zostavenie komponentov, bodové zváranie, konečná zostava a kontrola pred ukladaním. Testovacie štádiá zahŕňajú testovanie tlaku odolného voči výbuchu, testovanie úniku hélia, testovanie vnútorného odporu a testovanie odporu. Náročnejšími fázami vo výrobnom procese sú časti pečiatkov a zvárania, vrátane pečiatky oceľovej čiapky, vyrazenia hliníkového plechu odolného výbuchu, pripojenia hliníkového listu, pečiatku tesnenia, pečiatku izolačného krúžku, zvárania trenia počas inštalácie terminálu a laserového zvárania počas montáže.

c) Pripojovacia doska modulu batérie

Pripojovacia doska batérie hrá dôležitú úlohu pri spájaní komponentov modulu elektrickej batérie. Väčšinou sa vyrába pomocou viacvrstvových kompozitných materiálov, pričom jedna vrstva pôsobí ako spojovacia vrstva medzi konektorom a terminálom, aby sa zabezpečila dobrý výkon zvárania. Viacvrstvové stohovanie materiálov zaisťuje elektrickú vodivosť pripojovacej dosky. Po spracovaní základnej dosky s viacerými vrstvami fólie tvorí flexibilnú plochu na kompenzáciu posunu spôsobeného rozširovaním bunky napájacej batérie, čím sa zníži vplyv na rozhrania s nízkou pevnosťou. Konektory pre moduly napájania batérie sú zvyčajne v obdĺžnikových, lichobežníkových, trojuholníkových alebo stupňovitých tvaroch. Povrch pripojenia je potiahnutý 0. 1 mm hrubá meditá fólia s výškou 1 mm, ktorá je náchylná na oxidáciu a sfarbenie pri vysokých teplotách počas zvárania, čo si vyžaduje leštenie a čistenie bez poškodenia povrchového povlaku.

3. Analýza prípadov dizajnu

a) Návrh nového ventilu odolného voči výbuchu

V novom type prizmatickej bunkovej štruktúry je ventil odolný voči výbuchu umiestnený na opačnej strane pozitívnych a negatívnych elektród smerom k zemi. Tento dizajn ponúka niekoľko výhod. Po prvé, s týmto rozložením horný priestor bunky nemusí rezervovať priestor pre ventil odolný voči výbuchu, čo výrazne ukladá vnútorný priestor v bunkovej škrupine. Podľa príslušných výskumných údajov môže tento návrh zvýšiť objemovú hustotu energie približne o [x]%. Po druhé, v praktických aplikáciách, ak produkt pociťuje tepelnú útek v dôsledku nadmernej teploty, ventil odolný voči výbuchu sa pretrhne bez toho, aby predstavil nebezpečenstvo pre obyvateľov kokpitu a kabíny, čím účinne odstráni osobné bezpečnostné riziká.

Napríklad v praktických aplikáciách v nových energetických vozidlách poskytuje táto nová prizmatická bunková štruktúra pre cestujúcich vyššiu bezpečnosť.

b) integrovaný dizajn
V niektorých prípadoch výroby prizmatickej bunkovej štruktúry sú kvapalinové chladiace dosky, prípojok a postroj na odber vzoriek navrhnuté integrovaným spôsobom. Tento návrh má významné výhody. Na jednej strane kvapalná chladiaca doska rýchlo znižuje teplotu bunky a zaisťuje, že bunka pracuje v optimálnom teplotnom rozmedzí, čím sa zlepšuje výkon buniek a životnosť. Napríklad v praktických testoch boli prizmatické bunky s integrovanými kvapalinovými chladiacimi doskami schopné znížiť svoju teplotu o [X] v rámci nepretržitej prevádzky s vysokým zaťažením v porovnaní s tradičnými návrhmi. Na druhej strane integrovaný návrh znižuje počet komponentov, zjednodušuje proces montáže a zlepšuje účinnosť výroby. Zároveň integrovaný dizajn pomáha znižovať celkové náklady a zvyšuje konkurencieschopnosť trhu s produktom.

c) Štruktúra zostavy úplnej karty
Dizajn pružinového klipu v celej karte Prismatic bunkovej štruktúry je jedinečný. Springový klip sa skladá z prvej plochej dosky a druhej plochej dosky, ktorá tvorí štruktúru v tvare V vyrobenú z elastického kovu. Tento návrh má významné výhody pri pripojení kariet a krycej dosky. Po prvé, pružinový klip v tvare V používa svoju vlastnú odrazovú silu na stlačenie proti krycej doske aj na povrchových povrchoch, čím sa dosiahne elektrické pripojenie. Elastická sila tiež zlepšuje kontaktnú vodivosť medzi rozhraniami. Pokiaľ existuje elastická sila, vodivosť zostane, eliminuje potrebu zváraných spojení a zníženie obtiažnosti montáže. Po druhé, vodivú plochu prierezu pružinového spona závisí od oblasti prierezu spojenia medzi prvými a druhými plochými doskami, ktoré sú väčšie ako spojenie tvorené konvenčnými prípojkami a zvarmi. Napríklad v praktických testoch vykazovali prizmatické bunky spojené s pružinovými klipmi vyššiu nadprúdovú schopnosť ako bunky používajúce tradičné metódy zvárania, ktoré sa zlepšovali o [x]%.

d) Návrh pevnej štruktúry
Pevná štruktúra pre prizmatické bunky a výrobná metóda puzdra batérie majú vysokú praktickú hodnotu. Dizajn obsahuje kombináciu podvozku batérie, horného pevného uzáveru a balených popruhov. Podvozok batérie má prvý slot na upevnenie batérie, ktorý sa prispôsobuje spodnej časti prizmatickej bunky a bezpečne upustí spodnú časť bunky. Horná pevná čiapka má druhý slot na upevnenie batérie, ktorý sa prispôsobuje hornej časti prizmatickej bunky a bezpečne upustí hornú časť bunky. Nakoniec je obalový popruh namontovaný na podvozok batérie a horná pevná čiapka za vytvorenie jednej konštrukcie fixácie batérie. Okrem toho je puzdro na modul batérie vybavené komponentmi proti skĺznutiu a hornou upevňovacou doskou. Medzi komponenty proti skĺznutiu patria vodiace koľajnice na oboch stranách vnútorného obalu krytu batérie a obmedzte rebrá na spodnej časti puzdra, ktoré pomáhajú obmedziť polohu každej batérie, čím sa bráni traseniu. Upevňovacia doska hornej časti je možné pripojiť k vonkajšiemu obalu krytu modulu batérie, stlačením a upevňovaním vrchov viacerých batérií. Táto konštrukcia zlepšuje bezpečnosť fixácie prizmatických buniek a poskytuje spoľahlivú ochranu pre aplikácie batérie na ukladanie energie.

4. Zhrnutie kľúčových bodov dizajn

Konštrukčné kľúčové body primmatických buniek štrukturálnych komponentov sú početné a tieto body zohrávajú rozhodujúcu úlohu pri zlepšovaní bezpečnosti a výkonu lítiových batérií.

a) Konštrukcia tesnenia prístavu kvapaliny
Návrh tesnenia kvapalinového vstrekovacieho portu priamo súvisí s bezpečnosťou a životnosťou batérie. Tlápka na tesniaci port kvapaliny navrhnutá spoločnosťou CATL pozostáva z kovovej časti a gumovej časti, s interferenčným prispôsobením v kontaktnom bode s vstrekovacím otvorom. Vstrekovací otvor je tiež vybavený výklenkom a gumová časť tesniacej zástrčky je navrhnutá s výčnelkom, ktorý sa môže zapojiť do prestávky. Táto konštrukcia umožňuje chladiacu zostavu pri nízkych teplotách, čo účinne bráni tvorbe kovových húb a častíc, čím zabezpečuje spoľahlivé utesnenie vstrekovacieho portu kvapaliny. Gumová časť zároveň zabraňuje spadnutiu kovových húb a častíc do plášťa batérie, čím sa zabezpečuje bezpečnosť batérie. Mechanická tesniaca štruktúra nevyžaduje laserové zváranie, zjednodušuje proces a výrazne znižuje náklady.

b) Pozitívny a negatívny konštrukcia terminálu

Pozitívny terminál je zvyčajne vyrobený z hliníka, zatiaľ čo negatívny terminál je vyrobený z kompozitu medi-hliník. Ich primárnou funkciou je vykonávanie prúdu. V batérii sú horný kryt terminál, prípojky a karty buniek zvárané dohromady, aby sa zabezpečilo, že prúd prechádza bunkou na nabíjanie a vybíjanie. V module je terminál horného krytu laserom zváraný a zaskrutkovaný do prípojnice a vytvára sériu/paralelné pripojenia. Okrem toho môže priame prepojenie hliníkového obalu a pozitívneho terminálu odstrániť potenciálny rozdiel medzi nimi, čím zabráni korózii hliníkovej škrupiny.

c) Zvýšenie pozitívneho koncového odporu
Odolnosť medzi pozitívnou terminálom a hliníkovou škrupinou je veľmi malá na úrovni Milliohm. Ak dôjde k krátkemu obvodu, slučkový prúd je veľký, čo môže spôsobiť iskrenie, čo môže viesť k požiaru batérie, čo predstavuje výrazné bezpečnostné riziko. V súčasnosti sa medzi hornú kryciu dosku hliníkovej škrupiny a pozitívnym terminálom často pridáva vodivý plast alebo karbid kremíka, aby sa zvýšil vodivý odpor medzi hliníkovým škrupinou a pozitívnym terminálom. CATL tiež navrhol termistor PTC medzi pozitívnym terminálom a hornou krycou doskou. Využívaním charakteristiky meniaceho sa odporu termistora s teplotou môže termistor PTC rýchlo spotrebovať vnútornú energiu, keď výkonná batéria zažije vonkajší skrat, čím zabráni nadmernému tepla na reziste. To eliminuje problém s nízkym odporom spôsobujúcim topenie a zároveň sa vyhýba problémom, ako je paľba batérie alebo topenie odporu v dôsledku nadmernej teploty.

d) Návrh doštičiek odolnej voči výbuchu a reverznej doske
Všeobecne platí, že horný kryt batérií fosforečnanov lítium železa používa jediný ventil odolnú explóziu s úvodným tlakom 0. 4 0. 8 MPA. Keď sa vnútorný tlak zvyšuje a prekračuje úvodný tlak ventilu odolného voči výbuchu, ventil sa pretrhne pri záreze a otvorí sa na uvoľnenie tlaku. V prípade systémov ternárnych batérií sa okrem ventilu odolného voči výbuchu používa aj dizajn kombinovanej kombinácie SSD. Úvodný tlak ventilu odolného výbuchu a tlaku reverznej dosky SSD sú zvyčajne {{1 0}}. 751,05 MPa a 0,45 ~ 0,5 MPa. Keď sa vnútorný tlak batérie zvyšuje na tlak reverzného tlaku SSD, doštička sa tlačí smerom nahor a rýchlo odreže prúd. Súčasne fúzy hliníkovej pripojenia poistky spôsobujú priamy skrat medzi kladnými a negatívnymi terminálmi horného krytu, čo rýchlo odreže prúd.

Konštrukčné kľúčové body primmatických buniek štrukturálnych komponentov pokrývajú niekoľko aspektov, vrátane tesnenia vstrekovania kvapaliny, pozitívneho a negatívneho konštrukcie terminálu, zvýšenia pozitívneho koncového odporu a návrhu dosiek odolných voči výbuchu a reverzných dosiek. Tieto konštrukčné prvky spolupracujú na zlepšení bezpečnosti a výkonu lítiových batérií a poskytujú pevnú technickú podporu pre rozvoj nových trhov s energetickými vozidlami a energetickými trhmi.