Поскольку системы хранения энергии развиваются в сторону большой емкости и высокой плотности энергии, соответствие размеров и совместимость корпусов батарей ESS стали основными вопросами для повышения эффективности и надежности системы. В этой статье объединены новейшие инженерные проекты, запатентованные технологии и тенденции отрасли для анализа с трех измерений: использование пространства, модульная совместимость, а также расположение ячеек и конструкция опоры.

1- Оптимизация использования пространства

Улучшение использования пространства интеграции систем хранения энергии по сути является двусторонним движением итерации технологий и требований сценария. Благодаря совместным инновациям таких технологий, как аккумуляторные элементы большой емкости, модульная архитектура и интеграция жидкостного охлаждения, отрасль переходит от «обширного штабелирования» к «экстремальному повторному использованию пространства».

а. Применение аккумуляторных элементов большой емкости: скачок плотности энергии и эффективности

Краткое изложение идей: применение аккумуляторных элементов большой емкости по сути заключается в снижении внутреннего структурного уровня аккумуляторного блока и непосредственном улучшении использования пространства аккумуляторного элемента в аккумуляторном блоке. Традиционные аккумуляторные блоки используют трехуровневый режим интеграции «аккумуляторный элемент → модуль → аккумуляторный блок», а структура модуля (поперечная балка, продольная балка, болты и т. д.) приводит к низкому использованию пространства. Аккумуляторные элементы большой емкости могут напрямую пропускать уровень модуля, удлиняя или увеличивая объем отдельного элемента, и использовать технологию CTP (Cell to Pack) для прямой интеграции аккумуляторного элемента в аккумуляторный блок. Техническое ядро: используйте сверхбольшие аккумуляторные элементы емкостью 600 Ач+, чтобы уменьшить количество аккумуляторных элементов и точек подключения, а также увеличить емкость отдельного элемента.

б. Пространственное повторное использование и оптимизация затрат: от «укладки компонентов» к «многомерному повторному использованию»

Краткое изложение идей: Пространственное повторное использование и оптимизация затрат — это две стороны одной медали, и их основная логика заключается в том, чтобы сломать физические и стоимостные границы традиционных систем хранения энергии посредством структурного упрощения, функциональной интеграции, итерации материалов и стандартизированного дизайна.

Основа пространственного повторного использования — сокращение промежуточных звеньев посредством предельного упрощения структурного уровня. Например: конструкция высоковольтного ящика «два в одном»: запатентованная технология Jiangsu Trina Energy Storage объединяет два высоковольтных ящика в один, разделяя общее положительное/отрицательное реле и электрическое соединение, сокращая горизонтальное занимаемое пространство на 30% и снижая стоимость электрических компонентов на 15%.

Междоменное повторное использование функциональных модулей, интеграция структурных частей и каналов отвода тепла, например, интеграция пластины жидкостного охлаждения с нижней пластиной корпуса и совместное использование пространства между трубкой жидкостного охлаждения и структурной опорой, что сокращает на 15% количество независимых компонентов отвода тепла; корпус батареи как структурная часть: лезвийная батарея BYD обеспечивает прочность опоры за счет длинных и тонких боковых стенок ячейки батареи, устраняя каркас модуля и увеличивая коэффициент использования пространства до 60%-80%. Глубокая оптимизация электрической топологии, например, топология каскада высокого напряжения сокращает количество параллельных цепей за счет увеличения емкости и уровня напряжения отдельных ячеек (например, интеллектуального струнного накопителя энергии Huawei), уменьшая физическое пространство стека батареи на 20% и сокращая время отклика системы на 50%. Общая конструкция реле, высоковольтный шкаф «два в одном» компании Jiangsu Trina Energy Storage позволяет двум линиям использовать одно и то же реле, что сокращает количество реле и длину кабеля на 50% и повышает эффективность установки на 30%.

2- Расположение ячеек и конструкция опоры: баланс нагрузки, рассеивания тепла и виброустойчивости

Суть расположения ячеек заключается в игре между использованием пространства, распределением тепла и механической устойчивостью. Физическая форма и направление расположения ячейки напрямую влияют на эффективность заполнения пространства:

a. Оптимизация расположения ячеек

Конструкция перевернутой ячейки: поверните взрывозащищенный клапан ячейки вниз, чтобы тепловой разгонный выпуск и нижнее шаронепроницаемое пространство были общими, освобождая пространство по высоте ячейки и достигая использования объема.

Ложная компоновка ячеек: оптимизируйте использование пространства в направлении высоты аккумуляторной батареи, увеличивайте долю активных материалов и значительно увеличивайте коэффициент использования объема, чем вертикальная ячейка.

Сверхдлинные и тонкие ячейки: уменьшайте количество ячеек на единицу объема за счет длины ячейки и конструкции тонкости, а также улучшайте эффективность группировки.

b. Совместная конструкция рассеивания тепла и несущей нагрузки: направлена на достижение двойной оптимизации эффективного рассеивания тепла и прочности конструкции за счет совместных инноваций структуры, материалов и процессов.

Путь структурного проектирования:

Интегрированная структура, например, конформная конструкция пластины жидкостного охлаждения и опорной балки: встраивание канала жидкостного охлаждения в опорную балку из алюминиевого сплава для уменьшения количества независимых компонентов и улучшения использования пространства;

Многослойная и секционная компоновка, укладка аккумуляторной батареи, системы жидкостного охлаждения и BMS слоями для уменьшения взаимного влияния теплового потока и механического напряжения;

Оптимизация бионической механики, например, сотовая/гофрированная структура, проектирование сотового или гофрированного слоя сердцевины в опорной раме из алюминиевого сплава (например, запатентованное решение Mufeng.com), поглощение энергии вибрации посредством деформации и оптимизация пути рассеивания тепла.

Путь инноваций в области материалов:

Интегрированная теплопроводность и несущая способность, например, композитный волокнистый материал из алюминиевого сплава (теплопроводность ≥ 200 Вт/м·К, прочность +30%); интеллектуальный материал, слой наполнения с изменением фазы (PCM) поглощает тепло и медленно отдает его, разница температур ±1,5℃; Легкое демпфирование: эластичная силиконовая подушка поглощает вибрацию (демпфирование +40%).

Путь внедрения процесса:

Процесс точного формования, такой как экструзионное формование: используется для изготовления балок из алюминиевого сплава с жидкостным охлаждением и сложными проточными каналами;

Технология обработки поверхности, такая как создание слоя оксида керамики на поверхности алюминиевого сплава для повышения коррозионной стойкости (испытание в соляном тумане ≥1000 ч), при одновременном повышении эффективности рассеивания тепла (излучательная способность поверхности увеличена на 20%);

Интеллектуальный процесс сборки, динамическая регулировка предварительной нагрузки, такая как интеграция датчиков давления и электроприводов для регулировки предварительной нагрузки болтов (5-20 кН) в режиме реального времени, чтобы избежать повреждения элемента батареи избыточным давлением.

c. Скоординированная конструкция несущей способности и виброустойчивости опорной конструкции: опорная система должна соответствовать двойным требованиям статической несущей способности (вес элемента батареи + давление штабелирования) и динамической виброустойчивости (транспортировка/удары землетрясения).

3-Модульность и совместимость: стандартизированный интерфейс и масштабируемая архитектура

Суть стандартизированного интерфейса, адаптируемого к батареям разных размеров, заключается в достижении гибкого расширения спецификаций батарей на единой платформе посредством совместных инноваций в области механического, электрического и теплового управления. Текущая технология перешла от статической совместимости к динамической настройке и в будущем будет развиваться в сторону интеллекта, легкости и кросс-сценарной интеграции.

а. Совместные инновации механической структуры:

Стандартизация механического интерфейса: определение унифицированного размера соединительного устройства.

Модульная конструкция аккумуляторного блока/шкафа: создание масштабируемых модулей и аккумуляторных шкафов с использованием ячеек батарей стандартизированного размера (например, батареи 280 Ач, 314 Ач), поддерживающих гибкие комбинации различных требований к емкости.

Рисунок 1-Корпус аккумуляторной батареи ESS 280 А·ч

b. Динамическая настройка электрической системы

Стандартизированные протоколы связи и интерфейсы, такие как совместимость с BMS: сформулируйте унифицированный протокол связи BMS (система управления батареями) для поддержки бесшовного соединения с PCS и аккумуляторными ячейками разных производителей; динамическая регулировка мощности с помощью виртуального управления инерцией и алгоритма оптимизации многовременного масштаба для достижения регулировки активной/реактивной мощности в реальном времени; и адаптивная конструкция соответствия электрических параметров.

c. Интеллектуальная адаптация системы терморегулирования

Градуированные решения по терморегулированию, такие как использование огнестойкой пены с высоким отскоком, теплопроводящего клея и других материалов на уровне батареи для балансировки требований к изоляции и рассеиванию тепла и предотвращения диффузии тепла; интегрированная конструкция интегрированной пластины жидкостного охлаждения на уровне модуля и изоляционного слоя для улучшения срока службы цикла; системный уровень динамически регулирует охлаждающую способность с помощью компрессоров переменной частоты и нескольких ветвей охлаждения.

Интеллектуальный мониторинг и прогнозирование, слияние нескольких датчиков. Расположите датчики температуры в ключевых местах, таких как полюса батареи и большие поверхности, для достижения высокоточного получения температуры; Технология цифровых двойников оптимизирует стратегию рассеивания тепла в режиме реального времени с помощью облачного мониторинга и предиктивного обслуживания.

4-Резюме

Оптимизация пространства корпуса батареи ESS перешла от единичного структурного улучшения к многомерным совместным инновациям:

Слияние материалов, структуры и алгоритма, например, сочетание корпуса из углеродного волокна + технологии CTP + алгоритма компоновки ИИ, станет мейнстримом.

Модулизация и стандартизация ускоряются, а стандартизированная конструкция с Pack в качестве наименьшей функциональной единицы будет способствовать снижению затрат и повышению эффективности в отрасли.

Глубокая связь управления тепловым режимом и использования пространства, иммерсионного жидкостного охлаждения и технологии динамического контроля температуры еще больше высвобождают потенциал пространства.

Мы будем регулярно обновлять технологии и информацию о тепловых проектах и оптимизации, и делиться этой информацией с вами для справки. Благодарим вас за интерес к компании Walmate.