Energia salvestamise ja elektrilise mobiilsuse kiiresti areneval maastikul on akukomplektide disain ja ohutus ülimalt tähtsad. Kuna süsteemid nõuavad tõhususe tagamiseks kõrgemat pinget ja pikema tööaja jaoks suuremat võimsust, muutuvad jada- ja paralleelühenduste põhikonfiguratsioonid kriitiliseks disainivalikuks. Iga konfiguratsioon esitab ainulaadseid väljakutseid, eriti seoses liigvoolukaitsega.
Seeriaühenduse kujundamine ja ühendamise strateegia
Jadaühendus hõlmab akuelementide ühendamist positiivsete -negatiivsetega-, mille tulemuseks on aditiivne kogupinge, samas kui kogumaht (amper-tundides) jääb võrdseks ühe elemendi omaga. See konfiguratsioon on oluline kõrget tööpinget nõudvate rakenduste jaoks, nagu elektrisõidukid ja tööstusseadmed.
Jada stringi peamine kaitseprobleem on avatud vooluringi oht. Kui üks rakk ei avane sisemiselt või kui ühendus katkeb, katkeb kogu ahel, mis põhjustab süsteemi täieliku väljalülitamise. Kuigi see võib tunduda vähem ohtlik kui lühis, võib see olla sügavama probleemi sümptom. Veelgi kriitilisem on see, et lühis-rike ühes lahtris või moodulis võib põhjustada tõsiseid tagajärgi. Jada stringis on vool kogu ulatuses konstantne. Lühis ühes elemendis põhjustaks täispaki voolu juhtimise läbi selle ebaõnnestunud, madala-takistusega tee, mis toob kaasa äärmise lokaalse kuumenemise, termilise põgenemise ja potentsiaalse leviku naaberelementidesse.
Seetõttu peab jadaühenduste sulatusstrateegia kaitsma liigvoolutingimuste eest, mis võivad põhjustada elemendi lühiseid. Traditsiooniliselt paigaldatakse suure-voolu terminalile peakomplekti kaitse. See pakub aga piiratud kaitset stringi üksikutele lahtritele või väikestele moodulitele. Ühes elemendis esinev lühis ei pruugi võtta piisavalt voolu, et peakaitse enne katastroofiliste kahjustuste tekkimist läbi põleda. Järelikult rakendavad disainerid üha enammooduli-taseme või isegi raku-taseme sulatamine. See hõlmab kaitsme paigutamist järjestikku iga paralleelse alam-lahtrite rühmaga või kaitsmelinkide kasutamist üksikutel lahtrite vahekaartidel. Need kaitsmed on kalibreeritud madalama nimivooluga kui põhikaitsmel, tagades, et need avanevad esimesena, et isoleerida vigane moodul, enne kui see destabiliseerib kogu paketi. Nende kaitsmete peamised konstruktsiooniparameetrid hõlmavad stringi püsioleku-töövoolu ja maksimaalset võimalikku lühis{5}}voolu, mida aku suudab pakkuda.
Paralleelühenduse kujundamine ja sulandamise strateegia
Seevastu paralleelühendus seob kõik elemendi positiivsed küljed ja kõik negatiivsed kokku, hoides kogu pinge konstantsena, summeerides samal ajal üksikute elementide võimsused. Seda konfiguratsiooni kasutatakse energia kogumahu suurendamiseks ja suuremate voolude edastamiseks.
Paralleelsete konfiguratsioonide domineeriv risk onvoolu tasakaalustamatus ja tsirkuleerivad voolud. Paralleelselt ühendatud elemendid jagavad loomulikult koormusvoolu. Kuid sisemise takistuse, laetuse, vanuse või temperatuuri erinevuste tõttu võib üks element kanda ebaproportsionaalselt suure osa voolust. Suure koormuse või laengu korral võib see element üle koormata, mis põhjustab ülekuumenemist ja kiiret lagunemist. Ohtlikum stsenaarium tekib siis, kui rakus tekib sisemine lühis. Teised paralleelrühma terved rakud tühjendavad seejärel oma energiat otse vigasesse rakku väga suure kiirusega, toimides kontsentreeritud energiaprügivana, mis võib kiiresti põhjustada tulekahju või plahvatuse.
Paralleelrühmade kaitsmete konstruktsioon peab käsitlema neid rikkevoolusid. Põhisiini primaarkaitse on vajalik, kuid ebapiisav, kuna ühe paralleelse haru rike ei pruugi selle läbipõlemiseks piisavalt koguvoolu võtta. Kõige tõhusam kaitse oniga paralleelse haru individuaalne sulatamine(iga lahter või iga seeriastring, mis seejärel paralleelselt). Iga haru kaitsme nimiväärtus on veidi suurem selle haru kavandatud voolujaotusest, kuid tunduvalt madalam kui maksimaalne voolutugevus, mida ülejäänud pakk võib lühisesse sattuda. See tagab, et kui elemendi lühis tekib, põleb läbi ainult selle spetsiaalne kaitse, isoleerides tõrke ja võimaldades ülejäänud paralleelmassiivil töötada, ehkki väiksema võimsusega. See disain suurendab nii ohutust kui ka süsteemi vastupidavust. Sobiva kaitsme valimine nõuab kõigi teiste paralleelselt{4}}ühendatud elementide võimaliku rikkevoolu panuse hoolikat analüüsi.
Integratsioon, konnektori kaalutlused ja täiustatud disain
Terviklik kaitseskeem keerukatele akudele, mis sageli kasutavad seeria-paralleelhübriidtopoloogiaid, integreerib mitu kaitsmetasandit: elemendi-tase, mooduli-tase ja põhipaketi-tase. See loob kooskõlastatud kaitsehierarhia. Lisaks tuleb kaitsmete füüsilisel rakendamisel arvestada soojusjuhtimisega. Kaitsmed tekitavad soojust normaalse töö ja katkestuste ajal. Nende paigutus ei tohiks tekitada kuumi kohti, mis mõjutavad akuelemendi temperatuuri ühtlust, mis on pikaealisuse ja ohutuse seisukohalt ülioluline.
Valikpistikudon ka turvalise disaini lahutamatu osa. Pistikud peavad usaldusväärselt kandma vajalikku voolu ilma liigse pingelanguse või kuumenemiseta. Kuna seadmed vähenevad, kasvab vajadus tasakaalustada praegune{2}}kandevõime ruumipiirangutega. Halvasti ühendatud või alaspetsifikeeritud pistikud võivad muutuda kõrge takistusega punktideks, jäljendades osalist riket ja tekitades lokaalset kuumenemist. Mõne konstruktsiooni puhul on sulavühendused integreeritud siini või pistiku endasse. Nõuetekohase paaritusjoonduse tagamine, nagu näitab PCB paigutus ja pingeklahvi suund, on kriitilise tähtsusega, et vältida paigaldusvigu, mis võivad kahjustada kogu kaitsestrateegiat.
Täiustatud disain kasutab nüüd digitaalset jälgimist koos akuhaldussüsteemidega (BMS), et töötada koos passiivse sulandamisega. BMS suudab tuvastada peent tasakaalustamatust, mis viitab lahtri või haru riketele, ja piirata ennetavalt voolu või käivitada kontrollitud väljalülitamise enne, kui kaitsme toimib. Passiivkaitse jääb siiski ülimaks, tõrkekindlaks{2}}füüsiliseks takistuseks katastroofiliste liigvoolujuhtumite vastu.
Akupakkide sulatussüsteemide disain ei saa olla tagantjärele mõeldav; see peab olema algsest arhitektuurifaasist alates põhikaalutlus. Olenemata sellest, kas elemendid konfigureeritakse järjestikku kõrgepinge saavutamiseks või paralleelselt suure võimsuse saavutamiseks, erinevad rikkevooluteed ja kaitsenõuded oluliselt. Jada string nõuab kaitset tõrgete eest, mis võivad juhtida kogu stringi voolu läbi ühest tõrkepunktist, samas kui paralleelmassiivi puhul on vaja energia dumpingu vältimiseks vigased harud isoleerida. Modulaarse ja mitmetasandilise sulami Kuna energiatihedus ja laadimismäärad kasvavad jätkuvalt, moodustavad need kaitsestrateegiad kriitilise aluse järgmise põlvkonna energiasalvestussüsteemidele.