Projektowanie i analiza składników strukturalnych komórek pryzmatycznych

一. Przegląd składników strukturalnych komórek pryzmatycznych
Komponenty strukturalne komórek pryzmatycznych odgrywają kluczową rolę w akumulatorach litowych. Służą przede wszystkim funkcjom, takimi jak transmisja energii, ograniczenie elektrolitów, ochrona bezpieczeństwa, wsparcie i utrwalenie baterii oraz dekoracja zewnętrzna. Komponenty te bezpośrednio wpływają na bezpieczeństwo, wydajność uszczelnienia i wydajność wykorzystania energii w akumulatorach litowych.

Według odpowiednich danych wielkość rynku komponentów strukturalnych baterii litowych w Chinach osiągnęła 33,8 miliarda juanów w 2022 r., Co stanowi wzrost o 93,2%rok do roku. Wśród nich pryzmatyczne komponenty strukturalne baterii od dawna zajmują większość rynku składników strukturalnych, z udziałem w rynku tak wysokim jak 90,7%, podczas gdy cylindryczne komponenty strukturalne baterii stanowią tylko 9,3%. Dominacja ta wynika głównie z szybkiego rozwoju chińskiego rynku pojazdów energetycznych, napędzanego silnym wsparciem polityki rządowej. Pojemność produkcyjna producentów akumulatorów i liczba ogniw na zamówienie znacznie wzrosła, a baterie pryzmatyczne lepiej nadają się do wymagań produkcji na dużą skalę.

Składniki strukturalne komórki pryzmatycznej zwykle składają się ze skorupy i płyty pokrywy. Proces produkcji skorupy jest stosunkowo prosty, głównie przy użyciu ciągłych procesów głębokiego rysunku i jest ogólnie wykonany ze stali lub aluminium. Oferuje wysoką wytrzymałość strukturalną i silną odporność na obciążenia mechaniczne. Natomiast proces produkcji płyty pokrywowej jest zwykle znacznie bardziej złożony niż w procesie skorupy. Jego główne funkcje obejmują mocowanie/uszczelnienie, przewodzenie prądu, ulgę ciśnienia, ochronę bezpieczników i zmniejszenie korozji elektrycznej. Na przykład górna pokrywa jest spawana laserowo do aluminiowej powłoki, aby kapsułkować i zabezpieczyć gołą komórkę, zapewniając jednocześnie zapieczętowaną strukturę. Zaciski górnej pokrywy, szyny i zakładki komórkowe są przyspawane w celu zapewnienia właściwego przewodnictwa prądu ładunku i rozładowania. Kiedy bateria napotyka nieprawidłową sytuację i wzrasta ciśnienie wewnętrzne, zawór bezpieczeństwa górnej pokrywy otwiera się na uwolnienie ciśnienia, zmniejszając ryzyko wybuchu.

Komponenty strukturalne komórek pryzmatycznych odgrywają niezbędną rolę w akumulatorach litowych, a ich perspektywy rynkowe stają się coraz szersze wraz z rozwojem nowego pojazdu energetycznego i rynków magazynowania energii.

2. Rodzaje i funkcje komponentów strukturalnych

a) Powłoka
Jako kluczowy element składników strukturalnych komórek pryzmatycznych, skorupa odgrywa kluczową rolę w fiksacji, ochronie, uszczelnianiu i rozpraszaniu ciepła. Służy jako bariera między materiałami aktywnymi wewnątrz komórki a środowiskiem zewnętrznym przez cały swój cykl życia, zapewniając stabilność strukturalną wewnętrznemu układowi elektrochemicznemu i zapewniając, że komórka utrzymuje stabilną strukturę w różnych warunkach.

Jeśli chodzi o ochronę, powłoka może wytrzymać niektóre obciążenia mechaniczne, zapobiegając uszkodzeniu komórki zewnętrznej. Jego funkcja uszczelniania zapewnia, że ​​elektrolit nie wycieknie, utrzymując normalny stan obróbki akumulatora. Ponadto skorupa pomaga w rozpraszaniu ciepła, uwalniając ciepło wytwarzane podczas eksploatacji baterii, zwiększając w ten sposób bezpieczeństwo baterii i przedłuża jej żywotność.

Proces produkcyjny skorupy obejmuje głównie rozcięcie surowców, precyzyjny ciągły głęboki rysunek, cięcie, czyszczenie, suszenie i kontrola. Wśród nich precyzyjna technologia ciągłego głębokiego rysunku jest najtrudniejszym aspektem produkcji skorupy. Podczas tego procesu konieczne jest zapewnienie jednolitej grubości ściany i zapobieganie złamaniom.

W porównaniu z konwencjonalnym stemplem jednoetapowym precyzyjne ciągłe głębokie rysunek jest trudniejszy. Jego podstawowe bariery leżą w formach i sprzęcie do rysowania. Wysokiej jakości formy i zaawansowany sprzęt do rysowania mają kluczowe znaczenie dla zapewnienia dokładności wymiarowej i stabilności wydajności skorupy.

(b) Płyta pokrywa
Płyta osłony odgrywa kluczową rolę w składnikach strukturalnych komórek pryzmatycznych, zapewniając takie funkcje, jak połączenie, izolacja, uszczelnienie i ochrona przed wybuchem.

Stalowa nasadka znajduje się na górze płyty pokrywy i ma wysoką wytrzymałość, dzięki czemu jest odporna na deformację pod siłami zewnętrznymi. Służy do ochrony aluminiowej arkuszu odpornego na eksplozję, a także jest elementem podłączania baterii w opakowaniu. Pierścień uszczelniający znajduje się na najbardziej najbardziej zewnętrznej krawędzi płyty pokrywy, izolując wewnętrzne metalowe części połączonej korek ze stali akumulatorowej. Zapewnia izolację w celu zapobiegania wewnętrznym zwarciom, a także zapewnia uszczelnienie po uszczelnianiu akumulatora.

Komponent odporny na eksplozję jest wykorzystywany przede wszystkim do odcięcia prądu i pomocy ciśnieniowej podczas przeciążenia akumulatora, aby zapobiec eksplozji spowodowanej nadmiernym ciśnieniem wewnętrznym. Składa się z pierścienia izolacyjnego, odpornego na eksplozję arkusza aluminiowego i łączenia arkusza aluminiowego. Odporny na eksplozję aluminiowy arkusz znajduje się na środku płyty pokrywy i jest składnikiem rdzenia, który określa granicę obwodu i uwalnianie ciśnienia krytycznego. Gdy ciśnienie wewnętrzne akumulatora osiągnie określoną wartość, automatycznie pęka w celu uwolnienia ciśnienia, zapewniając bezpieczeństwo baterii. Podłączający aluminiowy arkusz znajduje się na dole płyty pokrywy i jest podłączony do odpornej na eksplozję arkuszu aluminiowego przez spawanie laserowe. W przypadku niebezpiecznej sytuacji odłącza się od aluminium odpornego na eksplozję. Pierścień izolacyjny znajduje się przy połączeniu między łączącym arkuszem aluminiowym a odpornym na wybuch aluminium, zapewniając izolację i izolację.

Proces produkcyjny płyty pokrywy jest bardziej złożony niż w skorupce i obejmuje głównie stemping i formowanie wtryskowe, kontrolę komponentów, klejenie, zanurzenie asfaltu, owijanie krawędzi i kształtowanie krawędzi, spawanie punktowe, montaż komponentów, spawanie punktowe, montaż końcowy i kontrola przed przechowywaniem. Etapy testowania obejmują testowanie ciśnienia odporne na eksplozję, testy wycieku helu, testowanie rezystancji wewnętrznej i testy rezystancji. Trudniejsze etapy w procesie produkcyjnym to części tłoczenia i spawania, w tym stalowa stempla, odporna na eksplozję tłoczenie arkusza aluminiowego, łączenie tłoczenia arkusza aluminiowego, stemping pierścienia uszczelniający, stemplowanie pierścienia izolacyjnego, spawanie tarcia podczas instalacji końcowej oraz spawanie laserowe.

(c) Płyta łącząca moduł akumulatora

Płyta połączenia modułu akumulatora odgrywa ważną rolę w łączeniu komponentów modułu akumulatora zasilania. Jest to głównie wykonane przy użyciu wielowarstwowych materiałów kompozytowych, z jedną warstwą działającą jako warstwa łącząca między złączem a zaciskiem, aby zapewnić dobrą wydajność spawania. Ułożenie materiałów wielowarstwowych zapewnia przewodność elektryczną płyty połączeniowej. Po przetworzeniu płyty podstawowej z wieloma warstwami folii tworzy elastyczny obszar do kompensacji przemieszczenia spowodowanego rozszerzeniem ogniwa akumulatora zasilania, zmniejszając wpływ na interfejsy o niskiej wytrzymałości. Złącza modułów akumulatora zasilania są na ogół w prostokątnych, trapezoidalnych, trójkątnych lub schodkowych kształtach. Powierzchnia połączenia jest pokryta 0. 1 mm folia miedziana o grubości 1 mm, która jest podatna na utlenianie i przebarwienia w wysokich temperaturach podczas spawania, wymagając polerowania i czyszczenia bez uszkodzenia powlekania powierzchniowego.

3. Analiza przypadków projektowych

(a) Projektowanie nowej zaworów odpornych na eksplozję

W nowym rodzaju strukturze komórek pryzmatycznych zawór odporny na eksplozję jest ustawiony po przeciwnej stronie elektrod dodatnich i ujemnych, skierowanych w stronę ziemi. Ten projekt oferuje kilka zalet. Po pierwsze, w tym układzie górna przestrzeń komórki nie musi zarezerwować przestrzeni dla zaworu odpornego na eksplozję, znacznie oszczędzając przestrzeń wewnętrzną w skorupce komórkowej. Zgodnie z odpowiednimi danymi badawczymi, ten projekt może zwiększyć objętość gęstości energii o około [x]%. Po drugie, w praktycznych zastosowaniach, jeśli produkt doświadcza ucieczki termicznej z powodu nadmiernej temperatury, zawór odporny na eksplozję pęknie bez stawiania zagrożenia dla kokpitu i pasażerów kabiny, skutecznie eliminując ryzyko bezpieczeństwa osobistego.

Na przykład w praktycznych zastosowaniach w nowych pojazdach energetycznych ta nowa struktura komórek pryzmatycznych zapewnia pasażerom wyższą zapewnienie bezpieczeństwa.

(b) Zintegrowany projekt
W niektórych przypadkach produkcji struktury komórek pryzmatycznych płynna płytka chłodząca, szyba szynowa i wiązka próbkowania są zaprojektowane w sposób zintegrowany. Ten projekt ma znaczące zalety. Z jednej strony płytka chłodząca cieczy szybko zmniejsza temperaturę komórki, zapewniając, że komórka działa w optymalnym zakresie temperatur, poprawiając w ten sposób wydajność komórek i żywotność. Na przykład w testach praktycznych komórki pryzmatyczne ze zintegrowanymi płytkami chłodzącymi ciekłe były w stanie obniżyć temperaturę o stopień [x] przy ciągłym operacji o wysokim obciążeniu w porównaniu z tradycyjnymi projektami. Z drugiej strony zintegrowany projekt zmniejsza liczbę komponentów, upraszcza proces montażu i poprawia wydajność produkcji. Jednocześnie zintegrowana konstrukcja pomaga obniżyć ogólne koszty i zwiększa konkurencyjność rynku produktu.

(c) Pełna struktura montażu zakładki
Projekt sprężyny w pełnej strukturze komórek Tab Prismatic jest wyjątkowy. Sprężyn składa się z pierwszej płaskiej płyty i drugiej płaskiej płyty, tworzącej konstrukcję w kształcie litery V wykonaną z elastycznego metalu. Ta konstrukcja ma znaczące zalety podłączania zakładek i płyty pokrywy. Po pierwsze, sprężynowy sprężyn w kształcie litery V wykorzystuje własną siłę odbicia, aby naciskać zarówno na płytkę pokrywową, jak i powierzchnie zakładki, osiągając połączenie elektryczne. Siła elastyczna poprawia również przewodność kontaktową między interfejsami. Dopóki istnieje siła sprężysty, pozostanie przewodność, eliminując potrzebę spawanych połączeń i zmniejszając trudności w montażu. Po drugie, przewodzący obszar przekroju sprężyny zależy od powierzchni przekroju połączenia między pierwszą i drugą płaską płytkami, która jest większa niż połączenie utworzone przez konwencjonalne szyny i spoiny. Na przykład w testach praktycznych komórki pryzmatyczne związane z klipsami sprężynowymi wykazywały wyższą zdolność nadprądu niż te stosujące tradycyjne metody spawania, poprawiając [x]%.

(d) Projekt stałej struktury
Stała struktura komórek pryzmatycznych i metoda produkcyjna obudowy modułu akumulatora mają wysoką wartość praktyczną. Projekt obejmuje połączenie obudowy baterii, górnej stałej czapki i pasków pakowania. Podwozie z baterii ma pierwsze szczelinę do mocowania baterii, która dostosowuje się do dna ogniwa pryzmatycznego, bezpiecznie zaciskając dno ogniwa. Górna stała nasadka ma drugi szczelinę mocowania baterii, która dostosowuje się do górnej części ogniwa pryzmatycznego, bezpiecznie zaciskając górną część ogniwa. Na koniec pasek do pakowania jest dopasowany do podwozia baterii i górną stałą nasadkę, tworząc konstrukcję utrwalania opakowania baterii. Ponadto obudowa modułu akumulatora jest wyposażona w elementy przeciwpoślizgowe i górną płytę mocującą partycję. Komponenty przeciwpoślizgowe obejmują szyny prowadzące po obu stronach wewnętrznej skorupy obudowy modułu akumulatora i graniczne żebra na dole obudowy, które pomagają ograniczyć położenie każdego pakietu baterii, zapobiegając wstrząsaniu. Górna płytka mocująca partycję można odłączyć do zewnętrznej skorupy obudowy modułu akumulatora, naciskając i naprawiając wierzchu wielu pakietów akumulatorów. Ten projekt poprawia bezpieczeństwo fiksacji komórek pryzmatycznych i zapewnia niezawodną ochronę aplikacji baterii magazynowania energii.

4. Podsumowanie kluczowych punktów projektu

Kluczowe punkty projektowe komponentów strukturalnych komórek pryzmatycznych są liczne, a punkty te odgrywają kluczową rolę w poprawie bezpieczeństwa i wydajności akumulatorów litowych.

(a) Projekt uszczelnienia portu wtrysku cieczy
Projekt uszczelnienia portu wtrysku cieczy jest bezpośrednio związany z bezpieczeństwem i żywotnością akumulatora. Wtyczka uszczelniająca wtryskowanie wtrysku zaprojektowana przez CATL składa się z metalowej części i gumowej części, z dopasowaniem zakłóceń w punkcie styku z otworem wtrysku. Otwór wtrysku ma również wnękę, a gumowa część wtyczki uszczelniającej została zaprojektowana z występem, który może zaangażować się w przerwa. Ta konstrukcja pozwala na chłodzenie w niskich temperaturach, skutecznie zapobiegając tworzeniu się metalowych nur i cząstek, zapewniając niezawodne uszczelnienie portu wtrysku cieczy. Jednocześnie gumowa część zapobiega wpadnięciu metalowych nur i cząstek w skorupę akumulatora, zapewniając bezpieczeństwo baterii. Mechaniczna struktura uszczelnienia nie wymaga spawania laserowego, upraszczając proces i znacznie zmniejszając koszty.

(b) Pozytywna i negatywna konstrukcja końcowa

Dodatni terminal jest zwykle wykonany z aluminium, podczas gdy ujemny terminal jest wykonany z kompozytu miedzi-aluminium. Ich podstawową funkcją jest prowadzenie prądu. W akumulatorze górne zaciski pokrycia, szyn i komórki są spawane razem, aby upewnić się, że prąd przechodzi przez ogniwo w celu ładowania i rozładowania. W module górny terminal pokrycia jest spawany laserowo i przykręcony do szynki, tworząc połączenia serii/równoległe. Dodatkowo, bezpośrednio łączenie aluminiowej powłoki i dodatni terminal może wyeliminować różnicę potencjału między nimi, zapobiegając korozji powłoki aluminiowej.

(c) Zwiększenie dodatniej oporności końcowej
Odporność między dodatnią końcową a aluminiową skorupą jest bardzo mała, na poziomie mililohm. Gdy wystąpi zwarcie, prąd pętli jest duży, co może powodować iskrzenie, co może prowadzić do pożaru baterii, stanowiąc znaczące zagrożenie bezpieczeństwa. Obecnie często dodaje się przewodzący plastik lub węglik krzemowy między górną płytą osłonową skorupy aluminiowej a dodatnim zaciskiem w celu zwiększenia odporności przewodzącej między skorupą aluminiową a dodatnim zaciskiem. CATL zaprojektował również termistor PTC między dodatnim zaciskiem a górną płytą pokrycia. Wykorzystując charakterystykę termistora zmieniającego się oporność wraz z temperaturą, termistor PTC może szybko spożywać energię wewnętrzną, gdy akumulator zasilania doświadcza zewnętrznego zwarcia, zapobiegając nadmiernemu wstrząsowi z wstrząsu termicznego z powodu nadmiernego ciepła. To eliminuje kwestię niskiej oporności powodującą topienie, a jednocześnie unikając problemów, takich jak pożar baterii lub topienie rezystora z powodu nadmiernej temperatury.

(d) Konstrukcja płyty odpornej na eksplozję i odwracanie
Zasadniczo górna pokrywa akumulatorów fosforanu litowego żelaza wykorzystuje pojedynczy zawór odporny na eksplozję, z ciśnieniem otwierającym 0. 4 0. 8 MPa. Gdy ciśnienie wewnętrzne wzrośnie i przekracza ciśnienie otwierające zawór odporny na wybuch, zawór pęknie na wycięciu i otwiera ciśnienie. W przypadku trójskładnikowych systemów akumulatorów, oprócz zaworu odpornego na eksplozję stosuje się również konstrukcję kombinacji płyt odwracania SSD. Ciśnienie otwierające zastawkę odporną na eksplozję i ciśnienie odwrotne płyty SSD są zazwyczaj {{1 0}}. 751.05 MPa i 0,45 ~ 0,5 MPa. Gdy ciśnienie wewnętrzne akumulatora wzrasta do ciśnienia odwracania SSD, płyta odwrócenia jest pchana w górę, szybko odcinając prąd. Jednocześnie aluminiowa płyta łącząca uderza, powodując bezpośredni zwarcie między dodatnimi i ujemnymi zaciskami górnej pokrywy, szybko odcinając prąd.

Kluczowe punkty konstrukcyjne komponentów strukturalnych komórek pryzmatycznych obejmują kilka aspektów, w tym uszczelnienie portu wtrysku wtrysku, dodatnia i ujemna konstrukcja końcowa, zwiększenie pozytywnej oporności końcowej oraz konstrukcja płytek odpornych na eksplozję i odwracanie. Te elementy projektowe współpracują ze sobą w celu zwiększenia bezpieczeństwa i wydajności akumulatorów litowych, zapewniając solidne wsparcie techniczne dla rozwoju nowego pojazdu energetycznego i rynków magazynowania energii.