เทคโนโลยี เซลล์ ทู แพ็ค คือ อะไร?

เทคโนโลยี เซลล์ ทู แพ็ค คือ อะไร?

ในบทความก่อนหน้านี้ เราถอดรหัสปริมาตรการทํางานหลักของแบตเตอรี่พลังงานใหม่ และเข้าใจเมทริกส์หลักที่กําหนดความสามารถทางไฟฟ้าเคมีของเซลล์แต่ละตัวอย่างไรก็ตาม, ในการใช้งานทางธุรกิจในโลกจริง เช่นรถไฟฟ้าและโรงไฟฟ้าที่เก็บพลังงาน เกือบไม่มีระบบการใช้งานปลายสามารถใช้เซลล์แบตเตอรี่เดียวโดยตรง

ความตึงเครียดนามของเซลล์เดียวโดยทั่วไปไม่เกิน 3.7V และความจุของมันถูกจํากัดโดยพื้นฐานด้วยขนาดและระบบวัสดุของมันซึ่งทําให้มันไม่สามารถตอบสนองความกระชับกําลังสูงความสามารถขนาดใหญ่ และความต้องการพลังงานสูงของการใช้งานจริง

เพื่อปรับตัวเซลล์ให้เหมาะสมกับฉากในโลกจริง พวกมันต้องรวมกันผ่านการตั้งลําดับและการปรับปรุงคู่กันการบูรณาการเซลล์แยกแยกในระบบแบตเตอรี่ที่สมบูรณ์แบบ.

มันไม่ใช่เพียงแค่ "เชื่อมต่อเซลล์ในชุดและคู่เคียง" แต่เป็นเทคโนโลยีหลักที่มีความสานเชิงระหว่างสาขาและการควบคุมอิเล็กทรอนิกส์มันทําหน้าที่เป็นสะพานเดียวระหว่างผลประกอบการไฟฟ้าเคมีทางทฤษฎีของเซลล์แต่ละตัวและการใช้งานปลายทางจริงของพวกเขา

โดยไม่มีเทคโนโลยีการบูรณาการแพคเกจที่รุ่งรุ่งรุ่งรุ่งรุ่งรุ่งรุ่ง แม้แต่ผลงานของเซลล์ที่พัฒนาที่สุด ก็ไม่สามารถเปลี่ยนเป็นพลังงานที่ปลอดภัย ทันคง และใช้ได้นานได้

1โลจิกที่อยู่เบื้องหลังของการบูรณาการแพ็ค: การแก้ไขความขัดแย้งหลักสามประการ

หลักของเทคโนโลยีแบตเตอรี่ แพ็ค ไม่ใช่เพียงแค่ที่จะบรรลุเป้าหมายพื้นฐานของการเพิ่มความกระตุ้นและการขยายกําลังแต่ยังแก้ไขความขัดแย้งหลักสามประการระหว่าง คุณสมบัติทางเคมีไฟฟ้าในระดับเซลล์ และความต้องการการใช้งานในระดับระบบนี่คือการกําหนดภารกิจที่แท้จริงของมัน

1.1 เป้าหมายพื้นฐาน: การสอดคล้องความแรงดันและความจุได้อย่างแม่นยํา ผ่านการออกแบบแบบซีรี่ย์

โลจิกพื้นฐานของการบูรณาการแพคหลุมอยู่ในลําดับและกฎคู่เคียงที่พิจารณามาก่อน:

• การเชื่อมต่อชุดเพิ่มความกระชับกําลังทั้งหมด
• การเชื่อมต่อในระยะ paralel เพิ่มความจุและพลังงานทั้งหมด

ตัวอย่างเช่น แพลตฟอร์มรถไฟฟ้า 400 วอลต์ ต้องการเซลล์ฟอสเฟตเหล็กลิเดียม (LFP) ประมาณ 100 (แต่ละเซลล์ 3.2 วอลต์) เชื่อมต่อเป็นชุดเซลล์หลายแห่งต้องเชื่อมต่อในระยะ paralel เพื่อการขยายกําลัง.

ในระดับพื้นฐานที่สุด, การออกแบบแพ็คทั้งหมดพึ่งพาหลักการไฟฟ้าเคมีและไฟฟ้าเหล่านี้เพื่อบรรลุความตรงกันอย่างแม่นยําของความดัน, ความจุ, และพลังงานสําหรับการใช้งานปลายทาง.

1.2 ภารกิจหลัก: การแก้ไขความขัดแย้งพื้นฐานสามประการ

ความขัดแย้งที่ 1: ความสม่ําเสมอของเซลล์กับอายุการใช้งานของระบบ

ระบบที่สมบูรณ์แบบในระบบเรียงลําดับคู่กัน ยอมรับเซลล์ที่เหมือนกันอย่างสมบูรณ์แบบ แต่ในการผลิตจํานวนมาก แม้แต่เซลล์จากชุดเดียวกันและความต้านทานภายใน.

ความเบี่ยงเบนเหล่านี้จะเพิ่มขึ้นหลังจากการบูรณาการแพ็ค:

• ในชุด: ผลกระทบของถัง เกิดขึ้น เมื่อความจุทั้งหมดถูกกําหนดโดยเซลล์ที่อ่อนแอที่สุด
• ในขณะเดียวกัน: กระแสระเวียนภายในถูกผลิต, เร่งการทําลายเซลล์

หนึ่งในภารกิจหลักของเทคโนโลยีพั๊ก คือการลดผลกระทบของความไม่สอดคล้องเหล่านี้ต่ออายุการใช้งานของระบบผ่านการควบคุมกระบวนการทั้งหมด

ความขัดแย้งที่ 2: คุณสมบัติความร้อนของเซลล์ VS ความปลอดภัยของระบบ

แต่ละเซลล์สร้างความร้อนระหว่างการชาร์จและการปล่อย

• เซลล์มีการจัดเรียงอย่างหนาแน่น
• ความร้อนสะสมและโอนเร็ว

ซึ่งไม่เพียงแค่เพิ่มความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างเซลล์หนาวในเซลล์เดียว ส่งผลให้ตัวกระสุนทั้งหมดล้มเหลว

เทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์ต้องกําหนดขอบเขตความปลอดภัยในระดับระบบ ผ่านการจัดการความร้อนและการออกแบบการป้องกันความปลอดภัย

ความขัดแย้งที่ 3: ความหนาแน่นของพลังงาน vs ความน่าเชื่อถือของระบบ

การบูรณาการแพ็คต้องการองค์ประกอบช่วย เช่น

• ส่วนโครงสร้าง
• เครื่องเชื่อมไฟฟ้า
• ส่วนประกอบการจัดการความร้อน

รูปแบบพื้นฐานแบบมูลูลแบบดั้งเดิมมักจะบรรลุประสิทธิภาพการบรรจุเพียงประมาณ 60%ซึ่งหมายความว่า 40% ของพื้นที่และน้ําหนักถูกใช้โดยส่วนประกอบที่ไม่เก็บพลังงาน.

ทิศทางการพัฒนาหลักของเทคโนโลยีพั๊ก คือการยกระดับประสิทธิภาพการพั๊กโดยประกันความน่าเชื่อถือของระบบ

2การพัฒนาของ Pack Architectures: จาก Modularization ไปยังการบูรณาการสูง

ตลอดหลายทศวรรษของการปรับปรุงเทคโนโลยี การบูรณาการแบตเตอรี่ได้เดินตามเส้นทางการวิวัฒนาการที่ชัดเจนไปสู่การลดแบบจําลอง และการบูรณาการที่สูงกว่าการเปลี่ยนจากสถาปัตยกรรมหลายระดับแบบดั้งเดิมไปสู่การบูรณาการระดับยาน.

2.1 สถาปัตยกรรมคลาสสิค: MTP (Cell กลุ่ม)

นี่คือสถาปัตยกรรมที่โตมากที่สุดและถูกนํามาใช้อย่างกว้างขวาง

หลักความเข้าใจ:

• เซลล์ จะ ถูก ประกอบ ขึ้น เป็น โมดูล ที่ มี มาตรฐาน
• โมดูลจะนําไปรวมในแบตเตอรี่แพ็ค พร้อม BMS, การจัดการความร้อนและห้อง

ข้อดี:

• การตั้งมาตรฐานสูง
• การปรับปรุงแบบยืดหยุ่นต่อการใช้งานที่แตกต่างกัน
• ค่าบํารุงรักษาและเปลี่ยนที่ต่ํา
• การแยกความปลอดภัยอย่างแข็งแกร่ง (การควบคุมความผิดพลาดระดับโมดูล)

จํากัด:

• โครงสร้างหลายชั้น ลดประสิทธิภาพการบรรจุ
• การใช้พื้นที่และน้ําหนักที่ไม่ดี
• ไม่เหมาะสําหรับความต้องการระยะไกลอย่างรุนแรง

2.2 สถาปัตยกรรมปรับปรุงหลัก: CTP (Cell-to-Pack)

CTP กําจัดระดับโมดูล และนําเซลล์เข้าสู่แพ็คโดยตรง

หลักความเข้าใจ:
ผ่านเซลล์ขนาดใหญ่และการออกแบบโครงสร้างที่บูรณาการ ส่วนประกอบโมดูลที่ไม่จําเป็น (เช่นกระเป๋าและเครื่องเชื่อม) ถูกกําจัด การเพิ่มประสิทธิภาพการบรรจุจาก ~ 60% เป็นมากกว่า 75%มีบางรูปแบบมากกว่า 80%.

ตัวอย่างตัวแทนรวมถึงระบบที่พัฒนาโดย BYD และ CATL

ข้อดี:

• ความหนาแน่นของพลังงานสูงขึ้นมาก
• ส่วนประกอบโครงสร้างและน้ําหนักที่ลดลง
• ค่าผลิตที่ต่ํากว่า

หลักเกณฑ์

• ความต้องการที่สูงมากต่อความสม่ําเสมอของเซลล์ ความปลอดภัย และความแม่นยําของมิติ
• BMS ที่ทันสมัยและการจัดการความร้อนที่เข้มข้น

2.3 สถาปัตยกรรมรุ่นใหม่: CTC / CTB (Cell-to-Chassis / Body)

นี่คือทิศทางสุดท้ายของการบูรณาการ โดยที่แบตเตอรี่กลายเป็นส่วนหนึ่งของโครงสร้างรถ

หลักความเข้าใจ:

• กําจัดกระเป๋าแบตเตอรี่ที่อิสระ
• ใช้ชัสซี่/ตัวรถเป็นห้องแบตเตอรี่
• ติดตั้งเซลล์ตรงกับชาสี

ข้อดี:

• ประสิทธิภาพการบรรจุเกิน 90%
• การใช้พื้นที่สูงสุด
• การปรับปรุงความแข็งแรงของโครงสร้างและศูนย์กลางแรงโน้มถ่วงต่ํากว่า
• การขับขี่ที่ดีขึ้นและระยะทาง

ความท้าทาย

• ความต้องการที่สูงมากต่อการออกแบบรถยนต์และความปลอดภัยของโครงสร้าง
• ค่าซ่อมที่สูงขึ้น
• ความซับซ้อนมากขึ้นในการกันน้ํา, ความทนทานต่อการกระแทก และความทนทานต่อการสั่น

34 โมดูลหลักของเทคโนโลยีบรรจุ

สาระสําคัญของการบูรณาการพัสดุคือการออกแบบที่ประสานกันของโมดูลหลักสี่ชิ้น ซึ่งแต่ละชิ้นเชื่อมโยงตรงกับลักษณะทางเคมีไฟฟ้าและกําหนดผลการทํางานของระบบโดยรวม

3.1 การควบคุมความสอดคล้อง: ระยะชีวิตของระบบบรรจุ

การออกแบบระบบทั้งหมดจะหมุนเวียนไปรอบการลดความผิดพลาดให้น้อยที่สุดและชําระค่าตอบแทน

การเรียงลําดับก่อนการแบ่งกลุ่ม
เซลล์ถูกกรองขึ้นอยู่กับ:

• โวลเตชั่น
• ความจุ
• ความต้านทานภายใน
• อัตราการปล่อยตัวเอง

เพียงเซลล์ภายในความอนุญาตที่เข้มงวดเท่านั้นที่แบ่งกลุ่ม:

• ความเบี่ยงเบนของความจุ ≤ ± 1%
• ความเบี่ยงเบนความต้านทานภายใน ≤ ± 3%
• ความสับสนของแรงดัน ≤ ± 2 mV

การสมดุลหลังการแบ่งกลุ่ม
ใช้ผ่าน BMS:

• การปรับสมดุลโดยเฉพาะ: ขจัดพลังงานที่เกิน
• การปรับสมดุลแบบมีกิจกรรม: แบ่งกระจายพลังงานระหว่างเซลล์

เป้าหมายคือการรักษา SOC ที่ตรงกันข้ามในเซลล์ทั้งหมด ป้องกันการชาร์จ/การปล่อยเกินและขยายอายุการใช้งานของระบบ

3.2 การจัดการความร้อนและความปลอดภัย: รากฐานความปลอดภัย

ระบบควบคุมอุณหภูมิและความเหมือนกัน:

• อุณหภูมิการทํางานที่ดีที่สุด: 25~40°C
• ความแตกต่างของอุณหภูมิ ≤ 5°C

การเบี่ยงเบนจะนําไปสู่

• อาการข้างเคียงเร่ง (อุณหภูมิสูง)
• ความจุและประสิทธิภาพอัตราการลด (อุณหภูมิต่ํา)
• ความไม่สม่ําเสมอที่เพิ่มขึ้น (อุณหภูมิ)

วิธีการทําความเย็นหลัก:

• ระบบเย็นอากาศ
• การเย็นของของเหลว (สารละลายหลัก)
• การเย็นโดยตรง

การป้องกันความร้อน

• การปิดระบายอากาศระหว่างเซล
• ช่องบรรเทาความดันที่กํากับ
• วัสดุกันไฟ

เป้าหมาย:หน่วยไฟฟ้าที่ใช้พลังงานไฟฟ้าแบบเซลล์เดียว โดยไม่ใช้ไฟในระดับกระเป๋าหรือระเบิด

3.3 การบูรณาการทางไฟฟ้าและโครงสร้าง: กระดูกและระบบหลอดเลือด

การบูรณาการไฟฟ้า:

• การปั่นเลเซอร์สําหรับการเชื่อมต่อความต้านทานต่ํา
• ลดการผลิตความร้อนในระหว่างการทํางาน
• การออกแบบฟิวส์หลายระดับเพื่อแยกความผิดพลาด

การบูรณาการโครงสร้าง

• ออกแบบเบา แต่แข็งแรง
• ความทนทานต่อการกระแทก, การสั่นสะเทือน และการบด
• ความสอดคล้องกับมาตรฐานการป้องกัน IP67/IP68

3.4 BMS (ระบบบริหารแบตเตอรี่)

BMS เป็นหน่วยควบคุมกลางของระบบแบตเตอรี่ และการออกแบบแพคเกจทั้งหมดในที่สุดขึ้นอยู่กับการจัดการที่แม่นยําของมัน

ฟังก์ชันหลัก

• การประเมินความแม่นยําของ SOC (State of Charge) และ SOH (State of Health)
• ติดตามความแรงดันและอุณหภูมิของแต่ละเซลล์ในเวลาจริง
• การตอบสนองป้องกันทันทีต่อความผิดปกติ
• การดําเนินการของกลยุทธ์การสมดุล
• การประสานงานด้านการจัดการความร้อน

มันทําให้ระบบแบตเตอรี่ทํางานในสภาพที่ปลอดภัยและดีที่สุด ทําให้ผลงานและอายุการใช้งานสูงสุด

4การปรับปรุงตามฉากและแนวโน้มในอนาคต

สถานการณ์การใช้งานที่แตกต่างกัน ทําให้มีความต้องการที่แตกต่างกันอย่างสิ้นเชิงต่อเทคโนโลยีบรรจุ:

• รถยนต์โดยสาร: ให้ความสําคัญกับการบูรณาการสูงและความหนาแน่นของพลังงาน → CTP / CTC
• การเก็บพลังงานในเครือข่าย: ให้ความสําคัญกับการมาตรฐาน, ความสามารถในการบํารุงรักษาและอายุยืน → อาร์คิทคัตชั่นแบบโมดูล
• รถพาณิชย์: ให้ความสําคัญต่อความน่าเชื่อถือและราคา → แพคเกจแบบจําลองและใช้งานได้

แนวโน้มการพัฒนาในอนาคต

วิวัฒนาการของเทคโนโลยีพัสดุจะยังคงมุ่งเน้นในสามทิศทางหลัก:

• ประสิทธิภาพการบูรณาการสูงขึ้น
• การป้องกันความปลอดภัยที่ขั้นสูงขึ้น
• การจัดการวงจรชีวิตที่ฉลาดกว่า

การพัฒนาหลัก ๆ ได้แก่

• การใช้งานสถาปัตยกรรม CTC/CTB อย่างกว้างขวาง
• เทคโนโลยีการบูรณาการที่เข้ากันได้กับแบตเตอรี่ภาพแข็ง
• บีเอ็มเอสที่ใช้ AI ร่วมกับข้อมูลขนาดใหญ่ที่ใช้เมฆ

ความก้าวหน้าเหล่านี้จะทําให้การปรับปรุงวงจรชีวิตครบวงจร สามารถปรับปรุงอายุการใช้งานและความน่าเชื่อถือของระบบได้อย่างสําคัญ

สรุป

เทคโนโลยีการบูรณาการแบตเตอรี่แพ็ค เป็นสะพานสําคัญในการแปลงแบตเตอรี่จากเซลล์ไฟฟ้าเคมี เป็นระบบวิศวกรรม

กลยุทธ์พื้นฐานของมันมักจะหมุนเวียนไปรอบ ๆ คุณสมบัติทางเคมีไฟฟ้าของเซลล์:

• การบรรลุความตึงเครียดและการปรับประสิทธิภาพผ่านการออกแบบเรียงคู่
• การแก้ไขความขัดแย้งระดับระบบ ผ่านการควบคุมความสอดคล้อง การจัดการทางอุณหภูมิ การบูรณาการโครงสร้าง และการควบคุมแบบฉลาด

เพียงแค่เข้าใจการบูรณาการของแพคเกจเท่านั้น ที่เราสามารถเข้าใจจริง ๆ ได้ถึงเหตุผลการออกแบบของระบบแบตเตอรี่ที่ทันสมัย