دیدگاه نوین ریپورت

افزایش تقاضای جهانی برای وسایل نقلیه الکتریکی (EVs) و سایر کاربردهایی که به راه حل های ذخیره سازی با چگالی انرژی بالا نیاز دارند، پیشرفت های قابل توجهی را در فناوری بسته باتری ایجاد کرده است. ادغام منابع انرژی تجدید پذیر در شبکه همچنین نیازمند راه حل های موثر ذخیره انرژی است که اهمیت بسته های باتری را بیشتر تقویت می کند. این افزایش تقاضا باعث نوآوری در جنبه های مختلف فناوری بسته باتری، از شیمی سلولی و طراحی گرفته تا فرآیندهای تولید و سیستم های مدیریت باتری (BMS) شده است.

 

انتخاب سلول باتری و شیمی: پایه و اساس عملکرد بسته باتری

 

انتخاب سلول های باتری سنگ بنای عملکرد بسته باتری را تشکیل می دهد. ویژگی های تک تک سلول ها به طور مستقیم بر چگالی انرژی کلی، توان خروجی، طول عمر و مقرون به صرفه بودن کل بسته تأثیر می گذارد. انواع سلول باتری، شامل سلول های پریزماتیک، استوانه ای و کیسه ای، هر کدام مجموعه ای از مزایا و معایب خاص خود را دارند، سلول‌های پریزماتیک که به دلیل چگالی انرژی بالا و هزینه نسبتاً پایین شناخته می‌شوند و در کاربردهای EV به دلیل بسته‌بندی کارآمد، مورد توجه هستند. سلول های استوانه ای، در حالی که چگالی انرژی خوب و عمر چرخه نسبتا طولانی را ارائه می دهند، ممکن است از نظر چگالی بسته باتری در مقایسه با سلول های پریزماتیک کارایی کمتری داشته باشند. سلول‌های کیسه‌ای که با انعطاف‌پذیری و چگالی انرژی بالا مشخص می‌شوند، اغلب در کاربردهایی که فضا محدود است استفاده می‌شوند، اما از نظر استحکام مکانیکی و ایمنی چالش‌هایی را به همراه دارند. انتخاب بین این نوع سلول ها بسته به کاربردی خاص از جمله ولتاژ، ظرفیت و توان خروجی مورد نظر صورت می پذیرد البته عواملی مانند محدوده دمای عملیاتی، طول عمر مورد انتظار و هزینه کلی را نیز در نظر می گیرد.

 

فراتر از نوع سلولی، شیمی باتری نقش مهمی در تعیین ویژگی­های عملکرد بسته باتری ایفا می کند. باتری‌های لیتیوم یونی (Li-ion) در حال حاضر به دلیل چگالی انرژی بالا، عمر چرخه نسبتاً طولانی و مناسب بودن برای کاربردهای مختلف بر بازار تسلط دارند. با این حال، شیمی های مختلف لیتیوم یون، مانند فسفات آهن لیتیوم (LFP)، اکسید لیتیوم کبالت  (LCO)، اکسید لیتیوم منگنز (LMO) و لیتیوم اکسید نیکل کبالت منگنز (NMC)، مزایا و معایب مشخصی را ارائه می دهند. باتری‌های LFP به خاطر ایمنی استثنایی و عمر چرخه طولانی‌شان شناخته می‌شوند، اما چگالی انرژی کمتری در مقایسه با باتری‌های NMC دارند. از سوی دیگر، باتری‌های NMC چگالی انرژی بالاتری ارائه می‌دهند، اما ممکن است عمر چرخه کوتاه‌تری داشته باشند و در صورت عدم مدیریت صحیح، نگرانی‌های ایمنی بیشتری ایجاد کنند. انتخاب شیمی باتری بهینه نیاز به یک مبادله دقیق بین چگالی انرژی، عمر چرخه، ایمنی، هزینه و تاثیرات محیطی دارد.

 

طراحی و معماری بسته باتری: بهینه سازی برای کاربردهای خاص

 

طراحی و مکانیک بسته باتری برای دستیابی به عملکرد مطلوب و تضمین ایمنی بسیار مهم است. آرایش سلول ها به صورت سری و موازی، ولتاژ و ظرفیت کلی بسته را تعیین می کند. یک اتصال سری با حفظ همان ظرفیت، ولتاژ را افزایش می دهد، در حالی که اتصال موازی با حفظ همان ولتاژ، ظرفیت را افزایش می دهد. پیکربندی بهینه با توجه به نیازهای کاربردی خاص و ویژگی های سلول های انتخاب شده تعیین می شود و شناسایی نقطه تعادل بهینه بین ولتاژ پک، ظرفیت و سایر محدودیت‌های طراحی بسیار اهمیت دارد.

 

مدیریت حرارتی، یک جنبه ضروری در طراحی بسته باتری است، زیرا به طور مستقیم بر عملکرد، ایمنی و طول عمر باتری تأثیر می گذارد. تولید گرما در طول فرآیندهای شارژ و دشارژ می تواند به طور قابل توجهی بر عملکرد بسته باتری تأثیر بگذارد و به طور بالقوه منجر به فرار حرارتی و حتی آتش سوزی شود. انتخاب روش خنک کننده به عواملی مانند توان خروجی بسته باتری، دمای محیط و محدودیت های هزینه بستگی دارد. روش های خنک کننده مختلفی از جمله خنک کننده هوا ، خنک کننده مایع و مواد تغییر فاز (PCMs) برای کاهش این خطرات استفاده می شود. خنک کننده هوا، یک روش نسبتا ساده و مقرون به صرفه، اغلب برای کاربردهای کم مصرف مناسب است. خنک‌کننده مایع، در حالی که پیچیده‌تر و گران‌تر است، قابلیت‌های کنترل حرارت عالی را فراهم می‌کند و اغلب برای کاربردهای پرقدرت مانند EV ترجیح داده می‌شود، PCM ها با جذب و آزادسازی گرما در طول انتقال فاز، یک رویکرد جایگزین را ارائه می دهند و به حفظ دمای عملیاتی پایدار کمک می کنند.

طراحی قوی سیستم های اطفای حریق بسته باتری، در به حداقل رساندن حساسیت به عوامل محیطی و نرخ تولید گرما تاثیر مستقیم دارد. طراحی مکانیکی محفظه بسته باتری نیز برای محافظت از سلول ها در برابر آسیب فیزیکی و اطمینان از یکپارچگی ساختاری حیاتی است. محفظه باید حفاظت کافی در برابر ضربه، ارتعاش و سایر نیروهای خارجی داشته باشد و در عین حال مدیریت حرارتی بهینه را حفظ کند.

 

ساخت و مونتاژ بسته باتری: تضمین کیفیت و قابلیت اطمینان

 

ساخت و مونتاژ بسته­های باتری فرآیندهای پیچیده ای هستند که به کنترل دقیق و اقدامات تضمین کیفیت برای اطمینان از عملکرد و قابلیت اطمینان پایدار نیاز دارند. این فرآیند معمولاً شامل چندین مرحله است که با انتخاب و آزمایش تک تک سلول­ها شروع می­شود. سپس سلول‌ها در ماژول‌هایی مونتاژ می‌شوند که به هم متصل می‌شوند تا بسته باتری نهایی را تشکیل دهند. تکنیک‌های جوشکاری برای ایجاد اتصالات الکتریکی و مکانیکی مطمئن بین سلول‌ها بسیار حیاتی هستند. روش­های مختلف جوشکاری مانند جوشکاری اولتراسونیک، جوشکاری با پرتو لیزر، جوشکاری مقاومتی و غیره بسته به نوع سلول و خواص مواد مورد استفاده قرار می گیرد. چالش‌ها و روش‌های تضمین کیفیت مرتبط با جوشکاری در تولید بسته باتری خودروهای الکتریکی را مورد بحث قرار می‌دهد و نیاز به تکنیک‌های بازرسی پیشرفته و بهینه‌سازی فرآیند را برای به حداقل رساندن نقص‌ها برجسته می‌کند. اقدامات تضمین کیفیت در سراسر فرآیند تولید، با هدف تضمین قابلیت اطمینان و ایمنی محصول نهایی بسیار مهم است.

 

سیستم های مدیریت باتری (BMS): نظارت و کنترل عملیات بسته باتری

 

سیستم مدیریت باتری (BMS) یکی از اجزای ضروری به ویژه در کاربردهای پرقدرت مانند خودروهای برقی هر بسته باتری BMS  است. این سیستم پارامترهای مختلف بسته باتری را نظارت و کنترل می­کند تا از عملکرد ایمن، کارآمد اطمینان حاصل کند. توابع اولیه مورد کاربرد در آن شامل تخمین حالت شارژ (SOC) تعادل سلولی، مدیریت حرارتی و تشخیص خطا است. تخمین دقیق SOC برای پیش‌بینی برد باقی‌مانده در EV و جلوگیری از تخلیه‌های عمیقی که می‌تواند به باتری آسیب برساند، بسیار مهم است. هدف تکنیک‌های متعادل‌سازی سلولو یا به عبارت بهتر برابر کردن سطوح ولتاژ سلول‌های تکی در بسته، باعث جلوگیری از شارژ یا تخلیه بیش از حد هر سلول واحد می شود. این برای به حداکثر رساندن طول عمر باتری و جلوگیری از خرابی های زودرس ضروری است. قابلیت های تشخیص عیب برای تشخیص و پاسخ به مشکلات احتمالی، مانند خرابی سلول، اتصال کوتاه، یا شرایط دمای بیش از حد بسیار مهم است . برای این منظور از حسگرها و الگوریتم‌های مختلفی برای شناسایی این خطاها و شروع اقدامات مناسب مانند خاموش کردن بسته باتری یا شروع یک توالی خنک‌کننده استفاده می شود.

 

 

نتیجه گیری: چشم انداز در حال تحول فناوری بسته باتری

 

بسته‌های باتری جزء حیاتی طیف وسیعی از کاربردها ، از وسایل نقلیه الکتریکی و ذخیره‌سازی انرژی در مقیاس شبکه تا دستگاه‌های الکترونیکی قابل حمل هستند. توسعه آنها ذاتا با پیشرفت راه حل های انرژی پایدار و گذار گسترده تر به سمت آینده ای کربن زدایی شده مرتبط است. تلاش‌های تحقیق و توسعه مداوم در شیمی سلول باتری، طراحی بسته‌ها، فرآیندهای تولید و فناوری‌های BMS به طور مداوم مرزهای عملکرد بسته باتری، ایمنی و مقرون‌به‌صرفه بودن را در پیش می‌گیرد. روندهای نوظهور مانند بسته های باتری قابل تنظیم و تعویض می توانند تأثیر قابل توجهی بر نحوه استفاده از ذخیره انرژی باتری داشته باشند و راه را برای سیستم های باتری کارآمدتر، پایدار و کاربرپسندتر هموار کنند. با این حال، چالش‌ها در زمینه‌هایی مانند مدیریت حرارتی، ایمنی و پایداری چرخه حیات باقی هستند. تحقیقات آینده باید بر روی پرداختن به این چالش ها تمرکز کند تا پتانسیل بسته های باتری در برنامه های مختلف را به طور کامل باز کند. ادغام استراتژی‌های کنترل پیشرفته، تکنیک‌های هوش مصنوعی و ML در بهینه‌سازی عملکرد بسته باتری، افزایش قابلیت اطمینان و طول عمر آن‌ها و در نهایت تسریع پذیرش فناوری‌های باتری‌دار در بخش‌های مختلف بسیار مهم خواهد بود. پیگیری مداوم تراکم انرژی بهبود یافته، عمر چرخه طولانی تر، ایمنی افزایش یافته و کاهش اثرات زیست محیطی به شکل دادن به چشم انداز در حال تکامل فناوری بسته باتری ادامه خواهد داد.

 آخرین روندهای تکنولوژی در حوزه پک خودرویی در گزارش رصد پک باتری خودرویی باتریهای لیتیوم-یون   تدوین شده و با سفارش گزارش دانش فنی می توانید تکنولوژی هر کدام از شرکتهای مطرح دنیا در این حوزه  دست پیدا کنید.

برای دریافت منابع این مقاله درخواست خود را ثبت کنید.