در چشم انداز به سرعت در حال تحول ذخیره انرژی و تحرک الکتریکی، طراحی و ایمنی بسته های باتری بسیار مهم است. از آنجایی که سیستم‌ها به ولتاژهای بالاتر برای کارایی و ظرفیت‌های بیشتر برای زمان اجرا طولانی‌تر نیاز دارند، پیکربندی‌های اساسی اتصالات سری و موازی به انتخاب‌های طراحی حیاتی تبدیل می‌شوند. هر پیکربندی چالش های منحصر به فردی را ارائه می دهد، به ویژه در مورد حفاظت از جریان اضافه.
طراحی اتصال سری و استراتژی فیوزینگ
یک اتصال سری شامل اتصال سلول‌های باتری مثبت-به-منفی می‌شود که منجر به افزایش ولتاژ کل می‌شود در حالی که ظرفیت کلی (بر حسب آمپر-ساعت) برابر با ظرفیت یک سلول واحد باقی می‌ماند. این پیکربندی برای کاربردهایی که نیاز به ولتاژ عملیاتی بالا دارند، مانند وسایل نقلیه الکتریکی و تجهیزات صنعتی ضروری است.
نگرانی اصلی حفاظت در رشته های سری، خطر یک مدار باز است. اگر یکی از سلول ها در داخل باز نشود یا اگر اتصال داخلی قطع شود، کل مدار قطع می شود و باعث خاموش شدن کامل سیستم می شود. اگرچه این ممکن است کمتر از یک اتصال کوتاه خطرناک به نظر برسد، اما می تواند نشانه ای از یک مشکل عمیق تر باشد. مهم‌تر از آن، خرابی اتصال کوتاه-در یک سلول یا ماژول می‌تواند عواقب شدیدی داشته باشد. در یک رشته سری، جریان در سرتاسر ثابت است. یک اتصال کوتاه در یک سلول باعث می‌شود که جریان بسته کامل از آن مسیر ناموفق و با مقاومت کم- هدایت شود و منجر به گرمایش موضعی شدید، فرار حرارتی و انتشار بالقوه به سلول‌های مجاور شود.
بنابراین، استراتژی فیوزینگ برای اتصالات سری باید در برابر شرایط اضافه جریان که می تواند منجر به اتصال کوتاه سلولی شود، محافظت کند. به طور سنتی، یک فیوز بسته اصلی روی ترمینال- جریان بالا نصب می‌شود. با این حال، این محافظت محدودی را برای سلول های فردی یا ماژول های کوچک درون رشته ارائه می دهد. یک اتصال کوتاه در یک سلول ممکن است جریان کافی برای منفجر شدن فیوز اصلی قبل از وقوع آسیب فاجعه بار نداشته باشد. در نتیجه، طراحان به طور فزاینده ای در حال پیاده سازی هستندفیوزینگ سطح ماژول-سطح یا حتی سلولی-. این شامل قرار دادن یک فیوز به صورت سری با هر زیر{1}}گروه موازی سلول یا استفاده از پیوندهای فیوز در برگه های سلولی جداگانه است. این فیوزها با درجه جریان کمتری نسبت به فیوز اصلی کالیبره می شوند، و اطمینان حاصل می شود که ابتدا باز می شوند تا یک ماژول معیوب قبل از اینکه کل بسته را بی ثبات کند، جدا کنند. پارامترهای کلیدی طراحی برای این فیوزها شامل جریان ثابت-وضعیت کارکرد رشته و حداکثر جریان مدار کوتاه{5}}آینده ای است که باتری می تواند ارائه دهد.
طراحی اتصال موازی و استراتژی فیوزینگ
در مقابل، یک اتصال موازی، تمام نقاط مثبت سلول را به هم و همه منفی ها را به هم متصل می کند و ولتاژ کل را ثابت نگه می دارد و در عین حال ظرفیت های هر سلول را جمع می کند. این پیکربندی برای افزایش کل ذخیره انرژی و ارائه جریان های بالاتر استفاده می شود.
ریسک غالب در پیکربندی های موازی استعدم تعادل جریان و جریان های در گردش. سلول های متصل به موازات به طور طبیعی جریان بار را به اشتراک می گذارند. با این حال، به دلیل تفاوت در مقاومت داخلی، وضعیت بار، سن یا دما، یک سلول ممکن است در نهایت سهم نامتناسبی از جریان را حمل کند. تحت بار یا شارژ زیاد، این سلول می تواند بیش از حد بارگذاری شود و منجر به گرم شدن بیش از حد و تسریع تخریب شود. اگر یک سلول یک اتصال کوتاه داخلی ایجاد کند، سناریوی خطرناک تری رخ می دهد. سپس سایر سلول های سالم در گروه موازی انرژی خود را مستقیماً با سرعت بسیار بالایی به سلول معیوب تخلیه می کنند و به عنوان یک تخلیه متمرکز انرژی عمل می کنند که می تواند به سرعت منجر به آتش سوزی یا انفجار شود.
طراحی فیوز برای گروه های موازی باید این جریان های خطا را برطرف کند. فیوز اولیه در گذرگاه اصلی ضروری است اما کافی نیست، زیرا یک خطا در یک شاخه موازی ممکن است جریان کل کافی برای دمیدن آن را وارد نکند. موثرترین محافظت استفیوزینگ فردی برای هر شاخه موازی(هر سلول یا هر رشته سری که سپس موازی می شود). هر فیوز انشعاب کمی بالاتر از سهم جریان در نظر گرفته شده برای آن انشعاب است، اما بسیار کمتر از حداکثر جریانی است که بقیه بسته‌ها می‌توانند به انشعاب کوتاه وارد شوند. این تضمین می‌کند که اگر یک سلول کوتاه شود، فقط فیوز اختصاصی آن منفجر می‌شود، خطا را جدا می‌کند و به بقیه آرایه موازی اجازه می‌دهد تا عملکرد خود را حفظ کنند، البته با ظرفیت کم. این طراحی باعث افزایش ایمنی و استحکام سیستم می شود. انتخاب فیوز مناسب نیازمند تجزیه و تحلیل دقیق سهم جریان خطای احتمالی از سایر سلول‌های موازی-متصل است.
یکپارچه سازی، ملاحظات اتصال دهنده، و طراحی پیشرفته
یک طرح حفاظتی جامع برای بسته‌های باتری پیچیده، که اغلب از توپولوژی‌های ترکیبی سری-موازی استفاده می‌کنند، چندین سطح فیوز را ادغام می‌کند: سطح سلول-سطح، ماژول-سطح و بسته اصلی-. این یک سلسله مراتب حفاظتی هماهنگ ایجاد می کند. علاوه بر این، اجرای فیزیکی فیوزها باید مدیریت حرارتی را در نظر بگیرد. فیوزها در حالت عادی و در زمان وقفه گرما تولید می کنند. قرار دادن آنها نباید نقاط داغی ایجاد کند که بر یکنواختی دمای سلول باتری تأثیر بگذارد، که برای طول عمر و ایمنی بسیار مهم است.
انتخاب ازاتصال دهنده هاهمچنین برای طراحی ایمن ضروری است. کانکتورها باید به طور قابل اعتماد جریان مورد نیاز را بدون افت ولتاژ یا گرمایش بیش از حد حمل کنند. با منقبض شدن تجهیزات، نیاز به تعادل قابلیت حمل-جریان با محدودیت فضا افزایش می یابد. اتصالات ضعیف یا نامشخص می توانند به نقاطی با مقاومت بالا تبدیل شوند، تقلید از یک خطای جزئی و ایجاد گرمایش موضعی. در برخی از طرح ها، پیوندهای همجوشی در خود شینه یا مجموعه اتصال دهنده یکپارچه می شوند. اطمینان از همترازی مناسب جفت گیری، همانطور که توسط طرح PCB و جهت گیری کلید ولتاژ نشان داده شده است، برای جلوگیری از خطاهای نصب که می تواند کل استراتژی حفاظت را به خطر بیندازد، بسیار مهم است.
طراحی پیشرفته اکنون از نظارت دیجیتال با سیستم‌های مدیریت باتری (BMS) استفاده می‌کند تا همزمان با فیوزینگ غیرفعال کار کند. BMS می‌تواند عدم تعادل ظریف را که نشان‌دهنده خرابی سلول یا انشعاب است، تشخیص دهد و به طور فعال جریان را محدود کند یا خاموشی کنترل‌شده را قبل از نیاز به فیوز آغاز کند. با این حال، فیوز غیرفعال به‌عنوان مانع فیزیکی ناتوان{2}}در برابر رویدادهای فاجعه‌بار بیش از حد جریان باقی می‌ماند.
طراحی سیستم های فیوزینگ برای بسته های باتری نمی تواند یک فکر بعدی باشد. این باید یک ملاحظات اصلی از مرحله اولیه معماری باشد. چه پیکربندی سلول ها به صورت سری برای رسیدن به ولتاژ بالا و چه به صورت موازی برای دستیابی به ظرفیت بالا، مسیرهای جریان خطا و الزامات حفاظتی به طور قابل توجهی متفاوت است. یک رشته سری نیاز به محافظت در برابر خطاهایی دارد که می تواند جریان رشته کامل را از طریق یک نقطه شکست هدایت کند، در حالی که یک آرایه موازی به جداسازی شاخه های معیوب برای جلوگیری از تخلیه انرژی نیاز دارد. گرایش به فیوزینگ مدولار،-در چند سطح، همراه با انتخاب اتصال دهنده قوی و ادغام با نظارت فعال BMS، نشان‌دهنده بهترین روش برای ساخت بسته‌های باتری است که نه تنها کارایی- بالایی دارند، بلکه ذاتاً ایمن و قابل اعتماد نیز هستند. همانطور که چگالی انرژی و نرخ شارژ همچنان در حال افزایش است، این استراتژی های حفاظتی پایه و اساس حیاتی برای نسل بعدی سیستم های ذخیره انرژی را تشکیل خواهند داد.