ઉચ્ચ-દરના ચાર્જ અને ડિસ્ચાર્જ દૃશ્યો માટે બેટરી સ્ટ્રક્ચર પસંદગી: સ્ટેકીંગ કે વાઇન્ડીંગ?

2002 માં સ્થપાયેલ, સંદેશાવ્યવહાર સાધનોના ઉત્પાદન અને ઊર્જા સંગ્રહ એકીકરણમાં વિશેષતા ધરાવતું, અને ચીનના ચાર મુખ્ય ટેલિકોમ ઓપરેટરોનું વિશ્વસનીય ભાગીદાર.

જ્યારે ઊર્જા સંગ્રહ પ્રણાલીએ એકસાથે ઉચ્ચ પાવર આઉટપુટ, મિલિસેકન્ડ-સ્તરનો પ્રતિભાવ અને લાંબા ગાળાના સ્થિર સંચાલન પ્રદાન કરવું આવશ્યક છે, ત્યારે બેટરી માળખાકીય ડિઝાઇન હવે ફક્ત ઉત્પાદન-પ્રક્રિયાનો મુદ્દો નથી. તેના બદલે, તે એક મુખ્ય સિસ્ટમ પરિમાણ બની જાય છે જે આંતરિક પ્રતિકાર નિયંત્રણ, થર્મલ મેનેજમેન્ટ કાર્યક્ષમતા અને ચક્ર જીવન નક્કી કરે છે. ખાસ કરીને ચાર્જ/ડિસ્ચાર્જ દૃશ્યોમાં 3C–10C અને તેથી વધુ, આંતરિક કોષ રચના પ્રતિકાર વિતરણ, ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ ધ્રુવીકરણ, ગરમી પ્રસરણ માર્ગો અને યાંત્રિક તાણ વ્યવસ્થાપનને સીધી અસર કરે છે.

ઊર્જા સંગ્રહ પ્રણાલીની પસંદગીમાં રોકાયેલા ઇજનેરો માટે, વચ્ચેના મૂળભૂત તફાવતોને સમજવા માટે સ્ટેક્ડ લિથિયમ બેટરીઓ અને ઘા કોષો વિશ્વસનીય સિસ્ટમ ડિઝાઇન પ્રાપ્ત કરવા માટે ઉચ્ચ-દરની ઓપરેટિંગ પરિસ્થિતિઓમાં આવશ્યક છે.

આ લેખ વિવિધ પ્રકારના ટેકનિકલ પ્રદર્શનનું વ્યવસ્થિત વિશ્લેષણ કરે છે બેટરી સ્ટ્રક્ચર્સ વર્તમાન માર્ગ, ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ અવબાધ, થર્મોડાયનેમિક વર્તણૂક, માળખાકીય તાણ અને સિસ્ટમ એકીકરણ સુસંગતતા સહિત બહુવિધ દ્રષ્ટિકોણથી ઉચ્ચ-દરના કાર્યક્રમોમાં. તે વાસ્તવિક-વિશ્વ ઊર્જા સંગ્રહ ઉત્પાદન ડિઝાઇનમાં તેમના વ્યવહારુ ઇજનેરી મૂલ્યની પણ શોધ કરે છે.

1. ઉચ્ચ-દરની પરિસ્થિતિઓમાં ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ-સ્ટ્રક્ચરલ કપ્લિંગ મિકેનિઝમ્સ

નીચા-દરની સ્થિતિમાં (≤1C), બેટરી વોલ્ટેજ નુકશાન મુખ્યત્વે સામગ્રીના આંતરિક પ્રતિકાર અને ઇલેક્ટ્રોલાઇટના આયનીય પરિવહન પ્રતિકારને કારણે થાય છે, જ્યારે માળખાકીય તફાવતોની અસર પ્રમાણમાં મર્યાદિત હોય છે.
જોકે, એકવાર દર વધી જાય પછી 3C, ઓમિક પ્રતિકાર (Rₒ), ચાર્જ-ટ્રાન્સફર પ્રતિકાર (Rct), અને સાંદ્રતા ધ્રુવીકરણ ઝડપથી વધે છે, અને કોષની અંદર અસમાન પ્રવાહ વિતરણની સમસ્યા ઉભરી આવવા લાગે છે.

બેટરીના ટર્મિનલ વોલ્ટેજને આ રીતે વ્યક્ત કરી શકાય છે:

જ્યાં Rₒ ઇલેક્ટ્રોડ કરંટ કલેક્ટરમાં વર્તમાન પાથ લંબાઈ સાથે ખૂબ જ સંબંધિત છે.

ઘા માળખામાં, ઇલેક્ટ્રોડ શીટની લંબાઈ સાથે પ્રવાહ પ્રસારિત થાય છે, જેના પરિણામે પ્રમાણમાં લાંબો ઇલેક્ટ્રોન પરિવહન માર્ગ બને છે. તેનાથી વિપરીત, સ્ટેક્ડ માળખું પ્રવાહને વિભાજીત કરવા માટે સમાંતર રીતે જોડાયેલા બહુવિધ ટેબ્સનો ઉપયોગ કરે છે, જે તેને જાડાઈ દિશામાં ઇલેક્ટ્રોડમાંથી પસાર થવા દે છે, જે ઇલેક્ટ્રોન પરિવહન અંતરને નોંધપાત્ર રીતે ઘટાડે છે. ઉચ્ચ-દર પલ્સ ડિસ્ચાર્જ હેઠળ, પ્રવાહ માર્ગમાં આ તફાવત સીધો વોલ્ટેજ ડ્રોપ અને ગરમી ઉત્પાદન તીવ્રતામાં પ્રતિબિંબિત થાય છે.

એન્જિનિયરિંગ પરીક્ષણો ઘણીવાર દર્શાવે છે કે જ્યારે ડિસ્ચાર્જ દર વધે છે 1C થી 5C,
ઘા કોષોના તાપમાનમાં વધારો વળાંક સ્ટેક્ડ કોષો કરતા નોંધપાત્ર રીતે વધુ ઊંચો ઢાળ ધરાવે છે, જે દર્શાવે છે કે
આંતરિક પ્રવાહ ઘનતાની વધુ સ્પષ્ટ સાંદ્રતા. આ સાંદ્રતા અસર ફક્ત તાત્કાલિક અસર કરતી નથી
કાર્યક્ષમતા, પણ SEI ફિલ્મ ડિગ્રેડેશનને વેગ આપે છે, જેનાથી ચક્ર જીવન ઘટે છે.

2. ઘાના માળખાની ટેકનિકલ લાક્ષણિકતાઓ અને ઉચ્ચ-દર મર્યાદાઓ

લિથિયમ બેટરી ઉદ્યોગમાં વિન્ડિંગ પ્રક્રિયા સૌથી પરિપક્વ તકનીકી માર્ગ છે અને ખાસ કરીને નળાકાર કોષો અને કેટલાક પ્રિઝમેટિક કોષો માટે યોગ્ય છે. તેની મુખ્ય વિશેષતા એ છે કે કેથોડ, વિભાજક અને એનોડ સતત ક્રમમાં ઘા થાય છે. કેથોડ-સેપરેટર-એનોડ-સેપરેટર જેલી-રોલ માળખું બનાવવા માટે.

આ ડિઝાઇન ઘણા ફાયદાઓ પ્રદાન કરે છે, જેમાં શામેલ છે ઉચ્ચ ઉત્પાદન કાર્યક્ષમતા, પરિપક્વ સાધનો, નિયંત્રિત ખર્ચ અને સારી સુસંગતતા.

જોકે, ઉચ્ચ-દરના ઉપયોગો હેઠળ, ઘાના માળખાંને ઘણી ભૌતિક મર્યાદાઓનો સામનો કરવો પડે છે જેને ટાળવી મુશ્કેલ છે.

પ્રથમ, સિંગલ-ટેબ અથવા લિમિટેડ-ટેબ ડિઝાઇન પ્રવાહ સાંદ્રતા તરફ દોરી શકે છે. જ્યારે ઉચ્ચ પ્રવાહ કોષમાંથી પસાર થાય છે, ત્યારે પ્રવાહ ટેબ્સની નજીકના પ્રદેશોમાંથી પ્રાધાન્યપૂર્વક વહે છે, જે સ્થાનિક હોટ સ્પોટ્સ બનાવે છે.

બીજું, હાજરી સેન્ટ્રલ હોલો કોર વોલ્યુમેટ્રિક ઉપયોગ ઘટાડે છે, ઊર્જા ઘનતામાં વધુ સુધારા માટે જગ્યા મર્યાદિત કરે છે.

ત્રીજું, વિન્ડિંગ પ્રક્રિયા દરમિયાન ઇલેક્ટ્રોડ શીટ્સનું વાળવું પરિચય આપે છે શેષ યાંત્રિક તાણ, જે વારંવાર ઊંચા દરના ચક્ર દરમિયાન સક્રિય સામગ્રીના શેડિંગની શક્યતા વધારે છે.

જોકે મલ્ટી-ટેબ વિન્ડિંગ અને પ્રી-બેન્ડિંગ ટેક્નોલોજીઓ આમાંની કેટલીક સમસ્યાઓને દૂર કરી શકે છે, તેમ છતાં આંતરિક માળખું પ્રમાણમાં લાંબા ઇલેક્ટ્રોન પરિવહન માર્ગોમાં પરિણમે છે અને આંતરિક પ્રતિકારને નોંધપાત્ર રીતે ઘટાડવાનું મુશ્કેલ બનાવે છે. તેથી, એવા કાર્યક્રમોમાં જ્યાં ઉચ્ચ-દર કામગીરી પ્રાથમિક ધ્યેય હોય છે, ત્યાં ઘા માળખા ધીમે ધીમે સ્ટેક્ડ માળખાંને માર્ગ આપી રહ્યા છે.

3. સ્ટેક્ડ લિથિયમ બેટરીના માળખાકીય ફાયદા અને ભૌતિક આધાર

સ્ટેક્ડ લિથિયમ બેટરીઓ કેથોડ્સ, વિભાજકો અને એનોડ્સને એક પછી એક સ્તર આપીને બનાવવામાં આવે છે. તેમના મુખ્ય ફાયદાઓમાં રહેલ છે ઑપ્ટિમાઇઝ કરેલ વર્તમાન પાથ અને વધુ સમાન તણાવ વિતરણ.

પ્રથમ, વર્તમાન વિતરણના દ્રષ્ટિકોણથી, સ્ટેક્ડ સ્ટ્રક્ચર્સ સામાન્ય રીતે ઉપયોગ કરે છે સમાંતરમાં બહુવિધ ટેબ્સ, ઇલેક્ટ્રોડ પ્લેનમાં વધુ સમાન પ્રવાહ વિતરણને સક્ષમ બનાવે છે. પ્રવાહ ઇલેક્ટ્રોડ સ્તરોમાંથી જાડાઈની દિશામાં પસાર થાય છે, જે માર્ગને નોંધપાત્ર રીતે ટૂંકાવે છે અને તેથી ઓમિક પ્રતિકાર ઘટાડે છે. ઉપરોક્ત ડિસ્ચાર્જ દૃશ્યોમાં 5C, વોલ્ટેજ ડ્રોપમાં પરિણામી સુધારો ખાસ કરીને સ્પષ્ટ બને છે.

બીજું, થર્મલ મેનેજમેન્ટની દ્રષ્ટિએ, સ્ટેક્ડ સ્ટ્રક્ચરની સ્તરીય ગોઠવણી ગરમી ઉત્પન્ન થવાને વધુ એકસમાન બનાવે છે, જ્યારે ઘા કોષોમાં હોલો કોરને કારણે ગરમી સંચય ક્ષેત્રને પણ દૂર કરે છે. આ વધુ સમાન થર્મલ વિતરણ સ્થાનિક ઓવરહિટીંગનું જોખમ ઘટાડે છે અને મોડ્યુલ-સ્તરના પ્રવાહી ઠંડક અથવા હવા ઠંડક પ્રણાલી ડિઝાઇન માટે વધુ અનુકૂળ થર્મલ ક્ષેત્ર પાયો પૂરો પાડે છે.

ત્રીજું, યાંત્રિક સ્થિરતાની બાબતમાં, સ્ટેક્ડ સ્ટ્રક્ચર્સ ઇલેક્ટ્રોડ બેન્ડિંગ ટાળે છે અને વધુ સમાન તાણ વિતરણ પૂરું પાડે છે.
ઉચ્ચ-દર સાયકલિંગ દરમિયાન, ઇલેક્ટ્રોડ વિસ્તરણ અને સંકોચનની આવર્તન વધે છે. સ્ટેક્ડ ડિઝાઇન તણાવ સાંદ્રતાને કારણે વિભાજક વિકૃતિ અને માઇક્રો-શોર્ટ સર્કિટનું જોખમ ઘટાડી શકે છે. પ્રાયોગિક ડેટા દર્શાવે છે કે, સમાન સામગ્રી સિસ્ટમ હેઠળ, સ્ટેક્ડ કોષો સામાન્ય રીતે એક દર્શાવે છે ક્ષમતા જાળવણી દર 10% થી વધુ ઉચ્ચ-દર ચક્ર પરીક્ષણમાં ઘા કોષો કરતાં.

૪. ઉર્જા ઘનતા અને અવકાશ ઉપયોગનું સિસ્ટમ-સ્તરનું મહત્વ

ઊર્જા સંગ્રહ પ્રણાલી ડિઝાઇનમાં, ઊર્જા ઘનતા માત્ર એક કોષના પરિમાણોને જ નહીં, પરંતુ એકંદર કેબિનેટ ડિઝાઇન અને પ્રોજેક્ટ અર્થશાસ્ત્રને પણ અસર કરે છે. ઘા કોષોનો કેન્દ્રીય હોલો કોર અનિવાર્યપણે વોલ્યુમેટ્રિક ઉપયોગ ઘટાડે છે, જ્યારે સ્ટેક્ડ સ્ટ્રક્ચર્સ ફ્લેટ-લેયર સ્ટેકીંગ દ્વારા જગ્યા ભરવાની કાર્યક્ષમતામાં સુધારો કરે છે.

સિદ્ધાંત અને વ્યવહારુ ઉપયોગ બંને સૂચવે છે કે સ્ટેક્ડ સ્ટ્રક્ચર્સ લગભગ પ્રાપ્ત કરી શકે છે ૫%–૧૦% વધુ વોલ્યુમેટ્રિક ઊર્જા ઘનતા.

વાણિજ્યિક અને ઔદ્યોગિક ઊર્જા સંગ્રહ પ્રણાલીઓ માટે, આ સુધારો આમાં અનુવાદ કરે છે:

• ઉચ્ચ kWh/m³
• વધુ કોમ્પેક્ટ સ્ટોરેજ કેબિનેટ ડિઝાઇન
• ઓછી સાધનસામગ્રીવાળા રૂમની જગ્યાની જરૂરિયાતો
• વધુ સારી પરિવહન અને સ્થાપન ખર્ચ રચના

જ્યારે સિસ્ટમ સ્કેલ પહોંચે છે MWh સ્તર, માળખાકીય તફાવતો દ્વારા લાવવામાં આવેલ જગ્યાના ઉપયોગમાં સુધારો નોંધપાત્ર એન્જિનિયરિંગ ખર્ચ ફાયદામાં રૂપાંતરિત થઈ શકે છે.

૫. સ્ટેકીંગ પ્રક્રિયા અને ઉદ્યોગ વલણોના ટેકનિકલ પડકારો

સ્ટેકીંગ પ્રક્રિયામાં ઉચ્ચ સાધનોની ચોકસાઈની જરૂર પડે છે, વાઇન્ડિંગ કરતા પ્રમાણમાં ધીમો ઉત્પાદન સમય હોય છે, અને તેમાં પ્રારંભિક સાધનોના રોકાણમાં વધારો થાય છે. જોકે, પરિપક્વતા સાથે હાઇ-સ્પીડ સ્ટેકીંગ મશીનો, વિઝન એલાઇનમેન્ટ સિસ્ટમ્સ અને ઇન્ટિગ્રેટેડ કટીંગ-એન્ડ-સ્ટેકીંગ સાધનો, તેની કાર્યક્ષમતામાં નોંધપાત્ર સુધારો થયો છે. કેટલાક અદ્યતન સાધનો પહેલાથી જ સ્ટેકીંગ કાર્યક્ષમતાને વિન્ડિંગ પ્રક્રિયાઓની નજીક લાવી ચૂક્યા છે.

વધુમાં, ઉદભવ ડ્રાય-ઇલેક્ટ્રોડ ટેકનોલોજી અને હાઇબ્રિડ સ્ટેક-વિન્ડ ઇન્ટિગ્રેટેડ ટેકનોલોજીઓ સ્ટેક્ડ સ્ટ્રક્ચર્સને કામગીરીના ફાયદા જાળવી રાખવા સક્ષમ બનાવી રહ્યા છે અને સાથે સાથે ખર્ચના તફાવતને ધીમે ધીમે ઘટાડી રહ્યા છે.

ભવિષ્યની સ્પર્ધા હવે ફક્ત સ્ટેકીંગ વિરુદ્ધ વિન્ડિંગની બાબત રહેશે નહીં, પરંતુ વચ્ચે શ્રેષ્ઠ સંતુલન માટેની શોધ રહેશે ઉત્પાદન કાર્યક્ષમતા અને કામગીરી.

૬. સેલ સ્ટ્રક્ચરથી સિસ્ટમ-લેવલ એન્જિનિયરિંગ ઇન્ટિગ્રેશન સુધી

ઉર્જા સંગ્રહ એપ્લિકેશનોમાં, કોષ રચનાની પસંદગી સિસ્ટમ-સ્તરની ડિઝાઇન સાથે સંકલનમાં ધ્યાનમાં લેવી આવશ્યક છે.

ઓછા-પ્રતિરોધક સ્ટેક્ડ કોષો સમાંતર વિસ્તરણ દૃશ્યોમાં વધુ સારું પ્રદર્શન કરે છે, વધુ સારી વોલ્ટેજ સુસંગતતા પ્રદાન કરે છે અને BMS માટે કાર્ય કરવાનું સરળ બનાવે છે. SOC અંદાજ અને સંતુલન નિયંત્રણ. તે જ સમયે, તેમની થર્મલ વિતરણ લાક્ષણિકતાઓ ઉચ્ચ-પાવર ઇન્વર્ટર સિસ્ટમ્સની ઝડપી ચાર્જ/ડિસ્ચાર્જ માંગણીઓને વધુ સારી રીતે અનુકૂળ છે.

અમારા મોડ્યુલર એનર્જી સ્ટોરેજ સિસ્ટમ ડિઝાઇનમાં, અમે અપનાવીએ છીએ a સ્ટેકેબલ લિથિયમ-આયન બેટરી સોલ્યુશન જે લવચીક ક્ષમતા વિસ્તરણ અને સ્થિર ઉચ્ચ-દર આઉટપુટ પ્રાપ્ત કરવા માટે ઉચ્ચ-પ્રદર્શન સેલ માળખાને બુદ્ધિશાળી BMS સાથે જોડે છે. સિસ્ટમ ઝડપી ચાર્જ અને ડિસ્ચાર્જને સપોર્ટ કરે છે, લાંબી ચક્ર જીવન અને ઓછી જાળવણી ધરાવે છે, અને માટે યોગ્ય છે વાણિજ્યિક અને ઔદ્યોગિક ઊર્જા સંગ્રહ, પીવી-સંગ્રહ એકીકરણ, અને ઉચ્ચ-પાવર બેકઅપ પાવર એપ્લિકેશનો.

મોડ્યુલર ડિઝાઇન માત્ર પ્રારંભિક રોકાણ દબાણ ઘટાડે છે, પરંતુ ભવિષ્યમાં ક્ષમતા વિસ્તરણને વધુ અનુકૂળ પણ બનાવે છે.

7. માળખાની પસંદગી માટે એન્જિનિયરિંગ નિર્ણય તર્ક

એન્જિનિયરિંગ પ્રેક્ટિસમાં, માળખાકીય પસંદગીનું નીચેના પરિમાણોના આધારે વ્યાપક મૂલ્યાંકન કરવું જોઈએ:

• જો અરજી મુખ્યત્વે ઓછા દરે અને ખર્ચ પ્રત્યે સંવેદનશીલ, ઘાની રચના પરિપક્વતા અને ખર્ચ-અસરકારકતાના ફાયદા પ્રદાન કરે છે.
• જો સિસ્ટમને જરૂર હોય તો વારંવાર ઉચ્ચ-વર્તમાન ધબકારા, ઝડપી ચાર્જ/ડિસ્ચાર્જ ક્ષમતા, અથવા લાંબી ચક્ર જીવન, સ્ટેક્ડ સ્ટ્રક્ચર વધુ મજબૂત ટેકનિકલ ફાયદા પ્રદાન કરે છે.
• જો પ્રોજેક્ટ આગળ વધે તો ઉચ્ચ પાવર ઘનતા અને વધુ કોમ્પેક્ટ ડિઝાઇન, સ્ટેક્ડ સ્ટ્રક્ચર જગ્યા ઉપયોગ અને થર્મલ મેનેજમેન્ટ બંનેની દ્રષ્ટિએ શ્રેષ્ઠ છે.

ઉચ્ચ-દરની અરજીઓનો સાર એ છે કે ક્ષમતા પ્રાથમિકતા કરતાં વીજળી પ્રાથમિકતા.
જ્યારે સિસ્ટમનો ઉદ્દેશ્ય સરળ ઉર્જા સંગ્રહથી પાવર સપોર્ટ અને ગતિશીલ પ્રતિભાવ તરફ બદલાય છે, ત્યારે પસંદગી બેટરી માળખું નીચા આંતરિક પ્રતિકાર અને ઉચ્ચ એકરૂપતા તરફ આગળ વધવું જોઈએ.

ઉચ્ચ-દરના યુગમાં માળખું સ્પર્ધાત્મકતા છે

તેની સાથે ટૂંકા પ્રવાહ માર્ગો, વધુ સમાન થર્મલ વિતરણ, અને વધુ સારી યાંત્રિક સ્થિરતા, સ્ટેક્ડ લિથિયમ બેટરી ઉચ્ચ-દરની એપ્લિકેશનોમાં વધુને વધુ વ્યાપકપણે અપનાવવામાં આવી રહ્યું છે.

ઊર્જા સંગ્રહ પ્રણાલીઓનું આયોજન કરતી અથવા તેમના ઉત્પાદનોને અપગ્રેડ કરતી કંપનીઓ માટે, યોગ્ય બેટરી માળખું પસંદ કરવું એ માત્ર એક તકનીકી સમસ્યા નથી, પરંતુ લાંબા ગાળાની વિશ્વસનીયતા અને રોકાણ પર પ્રોજેક્ટ વળતરનો પણ વિષય છે.