Che cosa sono gli accumulatori di energia basati sulle batterie e la loro analisi?
Panoramica della batteria di accumulo di energia PACK
Un pacco batteria di accumulo di energia, noto anche come modulo batteria o pacco batteria, è costituito da più celle singole collegate in serie e/o in parallelo, integrate con un sistema di gestione della batteria (BMS) e funzioni di protezione per formare un'unità di accumulo di energia indipendente e ricaricabile.
Nel settore delle energie rinnovabili, come l'energia solare ed eolica, a causa dell'intermittenza della produzione di energia, i pacchi batteria di accumulo sono necessari per immagazzinare l'elettricità in eccesso e rilasciarla quando necessario, garantendo un'alimentazione elettrica stabile. Con la rapida crescita delle energie rinnovabili, la domanda di pacchi batteria di accumulo continua ad aumentare. Ad esempio, nelle grandi centrali solari, un pacco batteria può immagazzinare diversi megawattora di elettricità per supportare la stabilità della rete.
Nel settore dei veicoli elettrici (EV), i PACCHI di accumulo di energia rappresentano la principale fonte di energia, determinando l'autonomia e le prestazioni del veicolo. Le batterie agli ioni di litio sono attualmente la scelta principale per le fonti di energia dei veicoli elettrici grazie alla loro elevata densità energetica e alla lunga durata. I PACCHI di batterie per veicoli elettrici di fascia alta possono superare i 100 kWh, consentendo un'autonomia di guida ben oltre i 500 km.
In sintesi, le batterie di accumulo di energia (PACCHI) svolgono un ruolo cruciale nei sistemi di energia rinnovabile e nei veicoli elettrici. Migliorano l'efficienza energetica, riducono la dipendenza dai combustibili fossili e contribuiscono attivamente allo sviluppo sostenibile.
1. Considerazioni progettuali e analisi dei casi
1.1 Considerazioni chiave sulla progettazione
1.1.1 Progettazione antideflagrante con sfiati PUW per un rapido rilascio della pressione
Quando i pacchi batteria al litio subiscono un'instabilità termica, la pressione interna aumenta bruscamente, con conseguente rischio di esplosione. Gli sfiati antideflagranti PUW garantiscono un rapido rilascio della pressione per evitare danni catastrofici. In numerosi progetti di accumulo di energia, i pacchi batteria dotati di sfiati PUW hanno impedito con successo le esplosioni durante gli incidenti dovuti a instabilità termica, garantendo la sicurezza del personale e delle apparecchiature.
1.1.2 Mantenimento dell'equilibrio della pressione interna ed esterna per garantire l'affidabilità
Le fluttuazioni di temperatura durante i cicli di carica/scarica causano variazioni di pressione all'interno del PACCO. Le valvole PUW forniscono ventilazione impedendo l'ingresso di acqua, mantenendo la pressione interna equalizzata con quella ambiente. I PACCHI progettati con questa caratteristica mostrano un ridotto degrado delle prestazioni e una migliore stabilità a lungo termine.
1.1.3 Progettazione del sistema di gestione della batteria che garantisca la protezione contro il sovraccarico e la scarica eccessiva
Un BMS ben progettato è essenziale per la sicurezza, il monitoraggio e l'ottimizzazione delle prestazioni. Controlla il sovraccarico, la sovrascarica, la sovratemperatura, l'accuratezza delle misurazioni e il bilanciamento delle celle. I BMS avanzati possono gestire con precisione le procedure di carica/scarica, riducendo al minimo i rischi.
1.1.4 Progettazione meccanica che affronta la resistenza, la resistenza alle vibrazioni e la gestione termica
Le principali considerazioni meccaniche includono robustezza, resistenza alle vibrazioni, riscaldamento/raffreddamento, impermeabilità e resistenza alla polvere. L'utilizzo di materiali ad alta resistenza e strutture ottimizzate garantisce la resistenza alle forze esterne, mentre una migliore dissipazione del calore prolunga la durata e le prestazioni della batteria.
1.1.5 Design impermeabile e antivibrazione per prevenire danni strutturali interni
Le celle al litio immerse in un liquido possono andare in cortocircuito, causando una scarica continua e danni interni. I progetti PACK devono garantire un'adeguata impermeabilità (grado di protezione IP) e resistenza alle vibrazioni, soprattutto per ambienti difficili come zone sismiche o installazioni all'aperto.
1.1.6 Gestione della temperatura per ottimizzare le prestazioni e la longevità
La temperatura è un fattore determinante che influenza la struttura e le prestazioni del PACK. Il calore eccessivo influisce sulla resistenza interna, sulla tensione, sullo stato di carica (SOC), sulla capacità disponibile, sull'efficienza e sulla durata. Una gestione termica efficace, come il raffreddamento ad aria o a liquido, aiuta a mantenere temperature operative ottimali.
1.1.7 Selezione dei materiali che garantiscano l'isolamento ad alta tensione e la resistenza strutturale
L'isolamento e la resistenza meccanica sono fondamentali. I materiali in nylon rinforzati con fibra di vetro dal 5% al 45% offrono una maggiore resistenza alla trazione e alle vibrazioni, garantendo un funzionamento sicuro ad alta tensione e affidabilità strutturale.
1.2 Casi di studio
1.2.1 Progettazione della piastra di raffreddamento a liquido: caratteristiche e selezione
Le piastre di raffreddamento a liquido sono essenziali per la gestione termica. Diverse tipologie offrono un compromesso tra prestazioni e costi. Le applicazioni ad alte prestazioni possono richiedere piastre di raffreddamento premium, mentre gli scenari più attenti ai costi possono optare per soluzioni più semplici.
1.2.2 Analisi del design del modulo di accumulo di energia LG e PACK
I progetti di LG presentano una netta differenziazione tra celle di tipo energetico e celle di tipo di potenza. Strutturalmente, LG utilizza piccoli moduli standardizzati, impilati in moduli più grandi, offrendo flessibilità e scalabilità per diversi sistemi di accumulo di energia.
1.2.3 Simulazione e ricerca sperimentale sulla progettazione termica PACK
La ricerca avanzata combina la simulazione termica con esperimenti fisici per ottimizzare la progettazione termica dei PACK. Gli approcci di ottimizzazione multi-obiettivo tengono conto di sicurezza, prestazioni e costi, ottenendo una migliore uniformità termica e affidabilità del sistema.
2. Componenti e parametri tecnici
2.1 Componenti principali
2.1.1 Celle singole: unità di accumulo di energia
Le tipologie di celle più comuni includono celle agli ioni di litio, al piombo-acido e al nichel-metallo idruro. Le celle agli ioni di litio prevalgono grazie all'elevata densità energetica e alla lunga durata. Le celle al piombo-acido rimangono valide per applicazioni a basso costo. Le celle NiMH sono apprezzate in alcuni segmenti sensibili alla sicurezza.
2.1.2
Sistema di gestione della batteria (BMS)
—monitoraggio e protezione
Il BMS monitora tensione, corrente e temperatura, controlla la carica/scarica, previene sovraccarichi, sovrascaricamenti e sovraccarichi e fornisce il bilanciamento. Consente inoltre il monitoraggio remoto e la comunicazione con sistemi esterni.
2.1.3 Sistema di gestione termica: mantenimento della temperatura ottimale
I sistemi termici (raffreddamento ad aria, raffreddamento a liquido) mantengono l'uniformità della temperatura del PACCO. Il raffreddamento a liquido è preferito negli accumulatori di energia ad alta potenza grazie alla maggiore efficienza di raffreddamento. Un requisito tipico è una differenza di temperatura ≤5 °C.
2.1.4 Sistema elettrico: trasmissione e distribuzione di energia
Il cablaggio elettrico comprende cavi ad alta e bassa tensione. I cavi ad alta tensione fungono da "arterie" del PACK, mentre i cavi a bassa tensione fungono da "sistema nervoso", trasmettendo segnali e comandi di controllo.
2.1.5 Involucro e telaio strutturale: protezione e supporto
L'involucro protegge i componenti da urti meccanici, vibrazioni, acqua e polvere. Il telaio interno garantisce l'integrità strutturale e mantiene tutti i componenti saldamente in posizione.
2.2 Parametri tecnici
2.2.1 Capacità: misura dell'energia immagazzinata
Misurata in Ah o kWh. Una capacità maggiore significa più energia immagazzinata. Esempio: un PACCO da 100 kWh può alimentare una casa per diversi giorni.
2.2.2 Densità energetica: indicatore di prestazione
Una maggiore densità energetica si traduce in prestazioni più elevate e peso/volume ridotti. Le celle agli ioni di litio di alta qualità superano i 200 Wh/kg.
2.2.3 Efficienza di carica/scarica: efficienza di conversione dell'energia
Le batterie al litio raggiungono in genere un'efficienza superiore al 90%. Una maggiore efficienza riduce le perdite di energia e i costi operativi.
2.2.4 Ciclo di vita: longevità del servizio
Le batterie al litio di fascia alta offrono da migliaia a decine di migliaia di cicli, a seconda della composizione chimica e dell'applicazione.
2.2.5 Sicurezza: protezione e gestione termica
La sicurezza include protezione da sovraccarico, scarica eccessiva, cortocircuito e mitigazione della fuga termica. Alcuni PACK includono sistemi di soppressione incendi come gli agenti estinguenti FK-6.
3. Processo di progettazione e metodi analitici
3.1 Processo di progettazione
3.1.1 Selezione e classificazione delle cellule
Le celle devono essere testate e classificate per garantire la coerenza in termini di capacità, resistenza interna e tensione. Secondo le statistiche, testando e classificando un gran numero di celle di batterie, è possibile garantire una coerenza di prestazioni e qualità superiore al 98%. Dopo aver classificato la capacità della batteria,
macchina per la classificazione delle celle agli ioni di litio
e la tensione e la resistenza interna della batteria sono classificate da
macchina per la selezione delle celle al litio
, le celle della batteria possono essere classificate e immagazzinate in base a diversi livelli di prestazione, preparandole per i successivi lavori di assemblaggio.
3.1.2 Assemblaggio e collegamento delle celle
Le celle vengono collegate tramite metodi di saldatura o compressione. La saldatura laser è ampiamente utilizzata per la sua precisione, la ridotta zona termicamente alterata, la bassa resistenza e l'idoneità alla saldatura multimateriale.
3.1.3 Integrazione BMS
L'integrazione con il BMS garantisce monitoraggio, comunicazione, bilanciamento e protezione. Calibrazione e collaudo adeguati sono essenziali per l'affidabilità del PACK.
3.1.4 Sigillatura dell'involucro e considerazioni termiche
Gli involucri, spesso in lega di alluminio, richiedono una buona resistenza meccanica, dissipazione del calore e protezione ambientale. Un montaggio corretto previene le vibrazioni e garantisce un funzionamento stabile.
3.1.5 Test di sistema e controllo di qualità
I test includono test di prestazioni, capacità, durata e sicurezza (sovraccarico, cortocircuito, impatto). Test rigorosi garantiscono la conformità alle specifiche di progettazione.
3.2 Metodi analitici
3.2.1 Comprensione della definizione di PACK
Un PACCO è formato collegando più celle in serie/parallelo e integrando sistemi meccanici, termici ed elettrici. Le tecnologie chiave includono la progettazione della struttura, il processo di saldatura, il grado di protezione e il raffreddamento attivo.
3.2.2 Comprensione dei componenti PACK
I componenti includono moduli cellulari, sistemi elettrici, gestione termica, involucro e BMS, ognuno dei quali svolge funzioni essenziali analoghe a quelle del cuore, dei nervi, dello scheletro e del cervello umani.
3.2.3 Comprensione delle caratteristiche e dei requisiti di progettazione del PACK
I PACK richiedono un'elevata consistenza delle celle, un corretto abbinamento tensione/capacità, una carica bilanciata e il monitoraggio di corrente, tensione e temperatura.
3.2.4 Configurazione del PACK e metodi di fabbricazione
La serie aumenta la tensione, il parallelo aumenta la capacità. I metodi di saldatura più comuni includono la saldatura laser, la saldatura a ultrasuoni, la saldatura a impulsi e il contatto elastico metallico. Modelli come l'1P24S rappresentano 24 celle in serie e 1 in parallelo.
3.2.5 Comprensione delle specifiche di prestazione PACK
Tensione nominale = tensione della cella × numero di serie.
Energia nominale = capacità × tensione.
Il ciclo di vita e l'efficienza determinano le prestazioni a lungo termine.
Le caratteristiche di sicurezza includono protezioni e gestione termica.
Nel contesto della transizione globale verso l'energia pulita, le batterie per l'accumulo di energia sono diventate un pilastro fondamentale per la realizzazione dei sistemi energetici del futuro. Con la rapida espansione della capacità delle energie rinnovabili e la crescente popolarità dei veicoli elettrici, la domanda di soluzioni per l'accumulo di energia è in forte crescita. Le applicazioni si stanno diversificando rapidamente, dal peak shaving per aziende e famiglie alla regolazione della frequenza di rete e all'alimentazione di backup, rendendo le prospettive per questo settore eccezionalmente rosee.
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