У пејзажу складиштења енергије и електричне мобилности који се брзо развија, дизајн и безбедност батерија су најважнији. Како системи захтевају веће напоне ради ефикасности и веће капацитете за продужено време рада, основне конфигурације серијских и паралелних веза постају критични избори дизајна. Свака конфигурација представља јединствене изазове, посебно у погледу заштите од прекомерне струје.
Дизајн серијске везе и стратегија спајања
Серијска веза укључује повезивање позитивних-на-негативних ћелија батерије, што доводи до адитивног укупног напона док укупан капацитет (у ампер-сатима) остаје једнак капацитету једне ћелије. Ова конфигурација је неопходна за апликације које захтевају високе радне напоне, као што су електрична возила и индустријска опрема.
Примарни проблем заштите у серијском низу је ризик од отвореног кола. Ако се једна ћелија интерно не отвори или ако се интерконекција прекине, цео коло се прекида, што доводи до потпуног гашења система. Иако ово може изгледати мање опасно од кратког споја, то може бити симптом дубљег проблема. Још критичније, кратак-квар у оквиру једне ћелије или модула може имати озбиљне последице. У низу серије, струја је константна током читавог низа. Кратки спој у једној ћелији би проузроковао да струја целог пакета прође кроз тај неуспешан пут са ниским-отпором, што би довело до екстремног локализованог загревања, топлотног бекства и потенцијалног ширења на суседне ћелије.
Према томе, стратегија фиксирања за серијске везе мора заштитити од прекомерних струјних услова који могу довести до кратких спојева ћелије. Традиционално, осигурач главног пакета је инсталиран на високострујном терминалу-. Међутим, ово нуди ограничену заштиту за појединачне ћелије или мале модуле унутар низа. Кратак спој у једној ћелији можда неће повући довољно струје да прегори главни осигурач пре него што дође до катастрофалног оштећења. Сходно томе, дизајнери све више примењујуспајање на-нивоу или чак ћелијском{1}}нивоу. Ово укључује постављање осигурача у серију са сваком паралелном под-групом ћелија или коришћење карика осигурача на појединачним картицама ћелија. Ови осигурачи су калибрисани са нижом јачином струје од главног осигурача, обезбеђујући да се прво отворе како би изоловали неисправан модул пре него што дестабилизује цео пакет. Кључни параметри дизајна за ове осигураче укључују стабилну-радну струју низа и максималну очекивану струју кратког-споја коју батерија може да испоручи.
Пројектовање паралелне везе и стратегија спајања
Насупрот томе, паралелна веза повезује све позитивне ћелије заједно и све негативне заједно, одржавајући укупан напон константним док се збрајају капацитети појединачних ћелија. Ова конфигурација се користи за повећање укупног складиштења енергије и испоруку већих струја.
Доминантан ризик у паралелним конфигурацијама јеструјни дисбаланс и циркулационе струје. Паралелно повезане ћелије ће природно делити струју оптерећења. Међутим, због варијација у унутрашњем отпору, стању напуњености, старости или температури, једна ћелија може на крају да носи непропорционални удео струје. Под великим оптерећењем или напуњеношћу, ова ћелија се може преоптеретити, што доводи до прегревања и убрзане деградације. Опаснији сценарио се дешава ако ћелија развије унутрашњи кратки спој. Остале здраве ћелије у паралелној групи ће тада испуштати своју енергију директно у неисправну ћелију веома великом брзином, делујући као концентрисано депоновање енергије које може брзо довести до пожара или експлозије.
Дизајн осигурача за паралелне групе мора да адресира ове струје квара. Примарни осигурач на главној магистрали је неопходан, али недовољан, јер квар унутар једне паралелне гране можда неће повући довољну укупну струју да би је прегорео. Најефикаснија заштита јепојединачно спајање за сваку паралелну грану(свака ћелија или сваки низ низа који је затим паралелан). Сваки осигурач гране је оцењен нешто изнад предвиђеног удела струје за ту грану, али знатно испод максималне струје коју би остатак пакета могао да натера у кратак крак. Ово осигурава да ако ћелија буде кратког споја, само њен наменски осигурач прегорева, изолујући грешку и омогућавајући да остатак паралелног низа остане функционалан, иако са смањеним капацитетом. Овај дизајн повећава и сигурност и робусност система. Избор одговарајућег осигурача захтева пажљиву анализу доприноса потенцијалне струје квара свих осталих паралелно{4}}повезаних ћелија.
Интеграција, разматрање конектора и напредни дизајн
Холистичка заштитна шема за сложене батеријске пакете, који често користе серијске-паралелне хибридне топологије, интегрише више нивоа осигурача: ћелијски-ниво, модул{2}}ниво и ниво главног пакета-. Ово ствара координирану хијерархију заштите. Штавише, физичка имплементација осигурача мора узети у обзир управљање топлотом. Осигурачи стварају топлоту при нормалном раду и током прекида. Њихово постављање не би требало да ствара вруће тачке које утичу на уједначеност температуре ћелије батерије, што је кључно за дуговечност и безбедност.
Избор одконекторије такође саставни део безбедног дизајна. Конектори морају поуздано носити потребну струју без превеликог пада напона или загревања. Како се опрема смањује, потреба за балансирањем тренутне{2}}могућности преноса са ограничењем простора расте. Лоше спојени или недовољно специфицирани конектори могу постати тачке високог отпора, опонашајући делимичну грешку и стварајући локализовано загревање. У неким дизајнима, топљиве везе су интегрисане у сам склоп сабирница или конектора. Обезбеђивање правилног поравнања, као што је назначено распоредом ПЦБ-а и оријентацијом кључа напона, кључно је за спречавање грешака у инсталацији које би могле да угрозе целокупну стратегију заштите.
Напредни дизајн сада користи дигитални надзор са системима за управљање батеријом (БМС) за рад у тандему са пасивним осигурачем. БМС може открити суптилне неравнотеже које указују на неисправну ћелију или грану и проактивно ограничити струју или покренути контролисано искључивање пре него што осигурач треба да делује. Међутим, пасивни осигурач остаје ултимативна, безбедна-физичка баријера против катастрофалних прекомерних струја.
Дизајн система осигурача за батерије не може бити накнадна мисао; то мора бити кључно разматрање из почетне архитектонске фазе. Било да се ћелије конфигуришу у серији за постизање високог напона или паралелно за постизање високог капацитета, путеви струје квара и захтеви заштите се значајно разликују. Серијски низ захтева заштиту од кварова који би могли да покрену пуну струју низа кроз једну тачку квара, док паралелни низ захтева изолацију неисправних грана како би се спречило бацање енергије. Тренд ка модуларном, више-учвршћивању на више нивоа, у комбинацији са снажним избором конектора и интеграцијом са активним БМС надзором, представља најбољу праксу за прављење батеријских пакета који не само да имају високе-учинке, већ су и сами по себи безбедни и поуздани. Како густине енергије и стопе пуњења настављају да расту, ове стратегије заштите ће формирати критичну основу за следећу генерацију система за складиштење енергије.