Особенности конструирования систем на основе малогабаритных литий-ионных аккумуляторов высокоэнергетического сегмента

25-я МСВ «Автономные источники тока», 22 – 24 марта 2016 г.
Секция «Литиевые и другие источники тока для бытовых и промышленных целей»
Особенности конструирования
систем на основе малогабаритных
литий-ионных аккумуляторов
высокоэнергетического сегмента
С.Б.Орлов
Директор НА «РУСБАТ»
Директор РКТЦ АИТ «Фирма Альфа-плюс»
Мир идет вперед семимильными
шагами, не переставая удивлять тех,
кто способен удивляться
секция «Литиевые и другие источники тока для бытовых и промышленных целей»
25-я МСВ «Автономные источники тока», 22 – 24 марта 2016 г.
2
Направление сетевых применений,
(на примере
Korea Electric Power Corporation(KEPCO) / Frequency Regulation
16MW / 6MWh, Shin-Chungju, 08.2015
(LTO)
СХЭА (ESS)
24MW / 9MWh, Shin-Gimje, 08.03.2016
(Ultra High Power Technology NMC) крупнейшая в мире
16MW / 6MWh, West Ansung, 08.03.2016
(Ultra High Power Technology NMC)
Эти три системы являются частью крупнейшего в мире проекта регулирования частоты ESS,
с мощностью 500 МВт к 2017 году.
Но уже введенные три СХЭА, будет давать по оценкам ежегодную экономию расходов на
топливо в размере $39 млн, что в пять раз больше, чем "цены приобретения систем" СХЭА
секция «Литиевые и другие источники тока для бытовых и промышленных целей»
25-я МСВ «Автономные источники тока», 22 – 24 марта 2016 г.
3
Электротранспорт
• Tesla, несколько китайских последышей…
• На 2015 г. правительством Китая была
поставлено задача продать 5 млн. ЭМА,
но не выполнена…
помешало снижение цен на энергоносители
секция «Литиевые и другие источники тока для бытовых и промышленных целей»
25-я МСВ «Автономные источники тока», 22 – 24 марта 2016 г.
4
Основной источник энергии для
секция «Литиевые и другие источники тока для бытовых и промышленных целей»
25-я МСВ «Автономные источники тока», 22 – 24 марта 2016 г.
5
Основной источник энергии для
270 кг полезной нагрузки, 2 часа полета
http://www.volocopter.com
секция «Литиевые и другие источники тока для бытовых и промышленных целей»
25-я МСВ «Автономные источники тока», 22 – 24 марта 2016 г.
6
Features & Target Application
1st product of Very Small Cylindrical Type in the market
For Slim Application

Target Application
Slim Pin Shape & High
Power Diameter: 3.6 and
4.6mm Length: 20-35mm
Capacity per Cell: Under 50mAh
 High Reliability & High Safety
Electric Pen
Electric Glass
Bluetooth Gadget
Medical Device
etc…
High Reliability and Safety
No Change of Shape for Metallic Case
Energy Device Business Division ,Automotive & Industrial Systems Company
Product Specifications CG-320
＋
CG-320
Nominal Voltage
(V)
3.75
Nominal Capacity（ typ）
(mAh)
13.0
Minimum Capacity
(mAh)
11.0
(Ω)
1.5
BodyDiameter（ Max.）
(mm)
3.6
Height（Max.）
(mm)
20.0
Approx. Weight
(g)
0.6
(V)
4.20
Internal Resistance(Max.)
Max. Height(20 mm)
Dimensions
Charge Voltage
Standard
Method
CC/CV
Charge
Voltage
(V)
4.20
-Discharge
Current
(mA)
2.6 (0.2It)
Test
Cut-off
(mA)
0.7 (0.05It)
Condition
Max. Diameter －
(3.6 mm)
Charge
Discharge Method
CC
Current
(mA)
2.6 (0.2It)
Cut-off
(V)
3.0
Max. Charge current
(mA)
13.0 (1.0It)
Max. Discharge current
(mA)
13.0 (1.0It)
Operating
Charge
(℃)
0～ 45
Temperature
Discharge
(℃)
-10～ 45
CC/CV:Constant Current/Constant Voltage
CC:Constant Current
URL http://industrial.panasonic.com/ww/products/batteries/secondary-batteries/pin-li-ion
Energy Device Business Division ,Automotive & Industrial Systems Company
Product Specifications
＋
CG-425
CG-435
(V)
3.75
3.75
Nominal Capacity（typ）
(mAh)
27.0
45.0
MinimumCapacity
(mAh)
23.0
38.0
(Ω)
1.0
0.8
BodyDiameter（ Max.）
(mm)
4.6
4.6
Height（Max.）
(mm)
25.0
35.0
Approx. Weight
(g)
1.0
1.4
(V)
4.20
4.20
CC/CV
CC/CV
Nominal Voltage
Max. Height(25 - 35mm)
Internal Resistance(Max.)
Dimensions
Charge Voltage
Standard
(4.6mm)
Method
Charge
Voltage
(V)
4.20
4.20
-Discharge
Current
(mA)
5.4 (0.2It)
9.0 (0.2It)
Test
Cut-off
(mA)
1.4 (0.05It)
2.3 (0.05It)
CC
CC
Condition
Max. Diameter －
Charge
Discharge Method
Current
(mA)
5.4 (0.2It)
9.0 (0.2It)
Cut-off
(V)
3.0
3.0
Max. Charge current
(mA)
81.0(3.0It)
135.0(3.0It)
Max. Discharge current
(mA)
27.0(1.0It)
45.0(1.0It)
Operating
Charge
(℃)
0～ 45
0～ 45
Temperature
Discharge
(℃)
-10～ 45
-10～ 45
CC/CV:Constant Current/Constant Voltage
CC:Constant Current
Energy Device Business Division ,Automotive & Industrial Systems Company
Feature of Flexible Li-ion Battery
New proposal for a battery with Flexible characteristics
■ Product Features
1)Possible to embed this battery in an area that experiences repeated bending
2)No uncomfortable feeling even if worn on the body for long periods of time
3)High reliability and safety for “on the body” wearables
■ Product Summary
1)New form factory battery with high bending reliability ( R30 repeated bending)
2)Flexibility suited for devices worn on the body
3)No worry of high heat, ignition or leakage.
Benchmark
Application
Battery
Demand
Panasonic
Flexible Battery
Competitor
Curved Pouch Battery
Bending
repeatedly
R30mm
NA
Curved Shape
Thickness
R30mm
≦2mm
M.P.
Competitor
Thin Pouch Battery
NA
R65mm
NA
≧4mm
≦2mm
Sensing devices
（Medical/
Healthcare）
TBD
Monitoring devices
（Security）
Energy Device Business Division ,Automotive & Industrial Systems Company
Repeated Bending Characteristic(Compared with Competitor)
・Repeated bending reliability evaluation
①Charge-Discharge cycle test
②Repeated bending(R150mm) → Charge-Discharge test
③Repeated bending(R60mm) → Charge-Discharge test
④Repeated bending(R30mm) → Charge-Discharge test
・Charge(25℃ )
・Discharge（25℃）
・Bending rate
・Bendingtimes
Repeated bending
：0.5It/4.35V cut - 0.05It cut
：0.5It/3.0V cut[Pana], 0.2It/2.75Vcut[A Company]
：10 times/min.
：3000 times in both faces
3000 times
3000 times
Discharge capacity after repeated bending
Panasonic
Under Developing
A Company
Capacity before bending
= 100%
①
Before
bending
②
After
R150mm
③
After
R60mm
④
After
R30mm
Energy Device Business Division ,Automotive & Industrial Systems Company
ЛИА в виде шнура
секция «Литиевые и другие источники тока для бытовых и промышленных целей»
25-я МСВ «Автономные источники тока», 22 – 24 марта 2016 г.
1
History of Li-ion technology for Motive Power application
900
Expanded Application
BEV
Energy density(Wh/ℓ)
800
EV-BUS
E-Scooter
700
Needed
more
careful
600
500
400
300
2010
2011
2012
2013
2014
Year(CY)
2015
2016
2017
2018
Принципы построения «больших» систем
Подход к конструированию батарей больших емкостей из малых, наиболее
отработанных элементов 18650 пропагандировался ведущими японскими
производителями еще с середины 90-х как единственно возможный с точки
зрения безопасности
Пример батареи 20 МВтч, реализованной Sanyo еще в 1999 г.
секция «Литиевые и другие источники тока для бытовых и промышленных целей»
25-я МСВ «Автономные источники тока», 22 – 24 марта 2016 г.
1
Development Road Map of Lithium-ion Battery (PT & Pedelec）
( ) : Typ. Cap
900
NCR-GA
Energy density (Wh/L)
800
NCR-BD
(3.45Ah)
(3.18Ah)
700
NCR-PF
NCR20700B
(2.90Ah)
(4.25Ah)
UR-EA
600
(2.30Ah)
UR-E
500
(2.10Ah)
UR-NSX
(2.6Ah)
NCR20650A (3.1Ah)
NCR20700A (3.3Ah)
UR-RX
(2.05Ah)
400
300
Ultimate power model
UR-WX
(1.6Ah)
CY2011
2012
2013
2014
2015
2016
８
Power Application
・Big opportunities mainly in China, market research in progress
・”Safety first” is strict our policy
【Assumption Forecast of the amount】
[M USD]
70
EV-Bus
E-scooter
EV(exc.PHV,HEV)
others
60
50
40
26
30
20
17
20
14
10
13
16
FY15
FY16
20
26
0
FY17
FY18
Applications
Internal Judgeme
4-wheel EV
2-wheel EV（on-road）
2-wheel EV（off-road）
E-Scooter
1-wheel EV
Commuter EV
EV truck
EV bus
E-skateboard
e-wheelchair/EV for senio
Forklift
Buggy（on-road）
Buggy（off-road）
Boat
Airplane
AGV
Submarine
Dron e
△
○
Ｘ
○
○
○
△
△
Ｘ
○
○
○
Ｘ
Ｘ
Ｘ
○
Ｘ
Ｘ
○：Positive
△：need consideration
×：Negative
Функции CID (устройства прерывания тока)
1. Нормальное функционирование
Пластина
Положительный вентиляционного
клапана
вывод 1
PTC
Насечка
Положительный Герметизирующая Сварка
прокладка
вывод 2
2. Возрастание внутреннего давления (прерывание тока)
Газовыделение внутри
Механизм
Результат
• Пластина клапана поднимается • Ток прерывается
• Сварка разрушается
• Нет выделения газа
• Нет течи
• Нет разрыва корпуса
3. Возрастание внутреннего давления (выпуск газа)
Механизм
• Пластина клапана поднимается
• Пластина разрушается по
насечке
Газовыделение внутри
Результат
• Ток прерывается
• Выделение газа
• Течь
• Нет разрыва корпуса
Штатные предохранительные устройства цилиндрических ЛИА
Защитное
устройство
Эффект,
приводящий в
действие
Результат
действия
Рабочая ситуация
PTC (Positive Temperature Температура в
зоне герметизиCoefficient)
рующего узла или
Полисвич
ток
Прерывания тока
заряда или
разряда
Превышение тока
Превышение температуры
Сепаратор
Температура
внутри
Препятствие
движению ионов
Внутреннее короткое замыкание
Разрушение
Превышение температуры
Внутреннее
давление
Прерывания тока
заряда или
разряда
Перезаряд
Превышение температуры
Внутреннее короткое замыкание
Внешнее короткое замыкание
Разрушение
Внутреннее
давление
Сброс
избыточного газа
Перезаряд
Превышение температуры
Внутреннее короткое замыкание
Разрушение
останавливающий
CID
(Current Interrupt Device)
Устройство прерывания
тока
Клапан сброса давления
Ключевой продуктовый ряд
Емкость
типичная
Ач
PTC
Max.
S
Технология
Ток макс.
А
NCR-B
3.35
есть
10
NCA/C
4,87
PECW
（Suminoe)
NCR-BF
3.35
есть
4
NCA/
C+Si
4,87
Kaizuka
NCR-BL
3.35
нет
-
NCA/
C+Si
6
Kaizuka
NCR-BJ
3.35
есть
10
NCA/C
NCR-BD
3.18
нет
-
NCA/C
NCRBD2
3.18
нет
-
NCA/
C+Si
NCR-G
3.55
есть
10
NCA/
C+Si
NCR-GA
3.45
нет
-
NCA/
C+Si
Модель
Завод
PECW
8
PECW
(Suminoe)
8
Kaizuka
Suminoe
10
The data in this document is for descriptive purposes only and is not intended to make or imply any guarantee or warranty.
Kaizuka
Примечание
Max.4S
Удален PTC
из BF
Низкотемпературные
Модифицирован
электролит
На 0,5 мм выше
остальных
Охлаждаемый модуль состоящий
из 444 аккумуляторов 18650
From US Patent 8,647,763 B2
Две принципиальные особенности конструкции:
1. Использование проволочных предохранителей с
одной стороны и соединение с шиной на другой, 4
сварки на элемент
2. Для жидкостного охлаждения используется
алюминиевый трубопровод прямоугольного
сечения
секция «Литиевые и другие источники тока для бытовых и промышленных целей»
25-я МСВ «Автономные источники тока», 22 – 24 марта 2016 г.
Образец батареи Tesla
секция «Литиевые и другие источники тока для бытовых и промышленных целей»
25-я МСВ «Автономные источники тока», 22 – 24 марта 2016 г.
Конструктив батареи Tesla
секция «Литиевые и другие источники тока для бытовых и промышленных целей»
25-я МСВ «Автономные источники тока», 22 – 24 марта 2016 г.
Specifications of NCR18650BE Spot welding area
10
Температура батареи
Контроль температуры
• Предотвращение аварийных ситуаций
• Определение слабых мест в конструкции
Управление теплом
• Повышение безопасности
• Увеличение температурного диапазона
эксплуатации
• Повышение эффективности использования
энергии
• Повышение рабочих характеристик батареи
• Увеличение срока службы
секция «Литиевые и другие источники тока для бытовых и промышленных целей»
25-я МСВ «Автономные источники тока», 22 – 24 марта 2016 г.
2
Discharge characteristics for NCR18650BL
16
8A Discharge at 25℃
Voltage
Temp.
For PIDSEU
NCR18650BL discharge voltage is higher and
temp. increasing is lower than NCR18650B
The data in this document is for descriptive purposes only and is not intended to make or imply any guarantee or warranty.
13L11FYGMIT
Неравномерность выделения тепла
секция «Литиевые и другие источники тока для бытовых и промышленных целей»
25-я МСВ «Автономные источники тока», 22 – 24 марта 2016 г.
2
Особенности охлаждения батареи Tesla
секция «Литиевые и другие источники тока для бытовых и промышленных целей»
25-я МСВ «Автономные источники тока», 22 – 24 марта 2016 г.
VL45E cells : Calendar life at 100% DoD
+20°C-100% SOC
+60°C-100% SOC
+40°C-100% SOC
180
y = 166,781e-0,005x
R² = 0,992
170
160
Energy (Wh)
+40°C-50% SOC
150
170
160
Energy (Wh)
180
+20°C-50%SOC
+60°C-50% SOC
150
140
140
y = 167,056e-0,016x
R² = 0,937
130
120
110
130
120
110
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Years
9
10 11 12 13 14 15
0
1
2
3
4
5
6
7 8 9
Years
10 11 12 13 14 15
For 20% loss of initial energy, life estimated
from 12 years real data (in YEARS):
Temperature 20 °C
40 °C
60 °C
S.O.C.
“65”
“26”
4
50%
100%
LBIS ShenZhen 2013 - Ph Biensan
“41”
SAFT Proprietary Information
14
1,3
52
3M Electronics & Energy Business Group
Применение жидкостей типа Novec 1230 для ЛИАБ
Проблема:
•
В случае ЭМ ЛИА используются в батареях с большим числом
параллельных
и
последовательных
соединений.
Распространение теплового разгона по батарее является одной
из основных проблем, возникающих при внутреннем коротком
замыкании.
Никогда
нельзя
на
100%
гарантировать
невозможность попадания проводящих частиц во внутрь
аккумулятора, в том числе при внешнем разрушающем
ВозгораниеTesla
Решение:
воздействии. При возникновении такой ситуации вся батарея
может войти в режим теплового разгона и воспламениться.
•
Погружение ЛИАБ в 3M Novec fluid может существенно повысить
безопасность ЛИАБ.
4
30May
3MConfidential.
© 3M2014. All Rights Reserved.
Постановка эксперимента:
3M Electronics & Energy Business Group
•
•
•
Взяты две ЛИАБ 3P2S из 2.0Ач
аккумуляторов 18650 с катодами на
основе LiCoO2.
Протыкаем их иглой для того, чтобы
вызвать внутреннее КЗ одного из
элементов
Сравним результаты в случае
нахождения на воздухе и в
погруженном в жидкость Novec 1230
состоянии
5
X
30May
3MConfidential.
© 3M2014. All Rights Reserved.
3M Electronics & Energy Business Group
На воздухе
Игла
В жидкости
До
Во время
После
6
30May
3MConfidential.
© 3M2014. All Rights Reserved.
3M Electronics & Energy Business Group
На воздухе
Температура поверхности отдельных
аккумуляторов
При полном погружении в жидкость
Температура поверхности отдельных
аккумуляторов
3M Novec предотвратила тепловой разгон
7
30May
3MConfidential.
© 3M2014. All Rights Reserved.
3M Electronics & Energy Business Group
Поддержание постоянной и равномерной температуры по всей батарее
Пассивная двухфазная погружная технология
• Быстро и равномерно разогревает батарею
без перегрева отдельных мест.
• Обеспечивает равномерность температуры
во время работы ±1°C.
• Негорючая жидкость Novec™ обеспечивает
внутреннюю защиту от воспламенения
• Диэлектрическая жидкость Novec™
обеспечивает внутреннюю диэлектрическую
защиту по жидкой и газовой фазе
Жидкость 3M Novec поддерживает все аккумуляторы при одинаковой
температуре, увеличивая циклический и календарный срок службы
8
30May
3MConfidential.
© 3M2014. All Rights Reserved.
3M Electronics & Energy Business Group
Возможные применения:
Погружение в жидкость увеличивает безопасность и срок службы ЛИАБ
и обеспечивает защиту устройств от разогрева и пламени
• Электромобили
• Перевозки в больших объемах транспортом
• Хранение и отгрузка новых и утилизируемых ЛИАБ
• СХЭА
Недостаток – большой удельный вес
9
30May
3MConfidential.
© 3M2014. All Rights Reserved.
Вопросы?
секция «Литиевые и другие источники тока для бытовых и промышленных целей»
25-я МСВ «Автономные источники тока», 22 – 24 марта 2016 г.
3
NCR18650F, NCR18650BJ Discharge Characteristics at Low
temp.
High Capacity for low temp.
Condition
Charge ： CC-CV：0.3C-4.2V(1/50C cut) at 25℃
Discharge ： CC：0.5C to 2.5V at 25℃, -20 ℃, -30 ℃
4.5
Voltage / V
4.0
NCR18650F (2750mAh)
25℃
NCR18650BJ (3250mAh)
-20℃
-30℃
3.5
3.0
2.5
2.0
0
500
Panasonic Automotive & Industrial Systems Europe (PAISEU)
1000
1500 2000 2500
Capacity /mAh
3000
3500
Discharge characteristics for NCR18650BL
16
8A Discharge at 25℃
Voltage
Temp.
For PIDSEU
NCR18650BL discharge voltage is higher and
temp. increasing is lower than NCR18650B
The data in this document is for descriptive purposes only and is not intended to make or imply any guarantee or warranty.
13L11FYGMIT
Low Temp. Characteristics for NCR18650BJ(Tentative)
Charge : CC-CV:0.3C-4.2V (1/50C cut) at 23℃
Discharge : CC:1.0C to 2.5V at -30, -20, -10, 0, 23℃
4.5
1It(3.25A) discharge
VOLTAGE (V)
4.0
3.5
3.0
-30 deg. C : Could not discharge at -30 deg. C
2.5
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
DISCHARGE CAPACITY (mAh)
-30°C
-20°C
-10°C
0°C
23°C
For PIDSEU
The data in this document is for descriptive purposes only and is not intended to make or imply any guarantee or warranty.
13L11FYGMIT
3500
4000
High Discharge
NEW
Model
Discharge characteristics
NCR18650GA
Nominal Voltage (V)
Battery Voltage(V)
3350
Nominal Capacity (mAh)/Typ.
3450
Standard Charge
4.2V 0.5It
4.0
80
3.5
60
3.0
40
2.5
20
10A
8A
6A
2A
4A
2.0
0
500
1000
60
3.5
40
3.0
20
2.5
0
10℃
0℃
-10℃
2.0
500
1000
2500
3000
0
3500
1500
2000
2500
Discharge Capacity(mAh)
Panasonic Automotive & Industrial Systems Europe (PAISEU)
3000
-20
3500
Discharge:CC:4A to 2.5V at 25℃
4000
1.005A charge
Battery Temp.(℃)
Battery Voltage(V)
4.0
0
2000
4A DCHG Cycle
life
Charge :CC-CV:1.675A, 1.005A - 4.2V(100mA cut) at 25℃
80
3200
Capacity(mAh)
Charge: CC-CV
1.675A
- 4.2V, 67mA
cut-off at
25°C
Charge
:CC-CV:1.675A
- 4.2V(67mA
cut)
at 25℃
Discharge Discharge:CC:8A
: CC 8A, 2.5V cut-off
at at
each
to 2.5V
25℃,temperature
10℃, 0℃,-10℃
25℃
1500
Discharge Capacity(mAh)
Discharge Temperature
4.5
100
Charge: CC-CV 1.675A - 4.2V, 67mA cut-off at 25°C
Discharge: CC : 2A, 4A, 6A, 8A, 10A to, 2.5V cut-off at 25°C
3.6V
Nominal Capacity (mAh)/Min.
Charge :CC-CV:1.675A-4.2V(67mA cut) at 25℃
Discharge:CC:2A, 4A, 6A, 8A,10A to 2.5V at 25℃
4.5
1.675A charge
2400
1600
Charge: CC-CV 1.005A,1.675A- 4.2V, 100mA cut-off at 25°C
Discharge:CC 4A - 2.5V cut-off at 25°C
800
0
0
100
200
300
Number of Cycle
400
500
Battery Temp.(℃)
NCR18650GA
VL30P: 1 Million+ cycles!

Hybrid type Cycling: at 50%
SOC , Charge & Discharge
20s 180A
at 25ºC
 ~3.3% DOD
 33000 x capacity turnover
Less than 20% capacity loss.
In One Million cycles!
4
2
CIBF ShenZhen, June 20-22 2014
SAFT PROPRIETARY INFORMATION
SEPTA (Southeastern Pennsylvania Transportation Authority) – Philadelphia


100
99.5
Energ. eff.
(%)

2000
0
-2000
98.5
0
> Around 10 years for 20% loss
•
2 - 4 KWh/event or 1057 - 2115
MWh/year (10% overall reduction)
5
Time (s)
10
x10
850
100
800
80
750
700
0
5
Time (s)
10
x10
0
4
x10
5
Time (s)
10
x10
4
26
24
22
0
5
Time (s)
10
0
4
x10
DOD – Depth of Discharge
SOC – State of Charge
CIBF ShenZhen, June 20-22 2014
10
Bat Temp
(°C)
I battery
(A)
40
4
0
-2000
5
Time(s)
60
2000
4
3
0
4
U battery
(V)
Energy Savings from Efficiency
99
SoC
(%)

1 day operation (11/2012)
Daily Energy turnover 2.2 MWh
Average DOD 4%
SOC management implemented
Ageing 0.0055% per day
Power
(kW )

SAFT PROPRIETARY INFORMATION
5
Time (s)
10
4
x10