Kako dizajnirati litijsku bateriju (vodič-po-korak)

A paket litijskih baterijaje daleko više od pukih ćelija povezanih žicama. To je cjeloviti energetski sustav koji kombinira elektrokemiju, strojarstvo, toplinsku kontrolu, električnu arhitekturu i sigurnosno upravljanje. Razumijevanje načina na koji je litijska baterija dizajnirana omogućit će vam bolje razumijevanje standarda koji reguliraju proizvodnju baterija. Ovaj vodič prolazi kroz pravi proces koji slijedimo kada nam klijent donese novi projekt.

Korak 1: Definirajte zahtjeve i ograničenja aplikacije

Svaka uspješna baterija počinje sjasne zahtjeve. Preskočite ovaj korak i platit ćete ga kasnije u redizajniranju ili kvarovima na terenu.

Morate zaključati četiri glavna područja:

• Potrebe za učinkom: napon, kapacitet, trajna i vršna struja,ciljane gustoće energije
• Radno okruženje: temperaturni raspon, razina vibracija, vlažnost,IP ocjena
• Očekivani životni vijek:brojanje ciklusakod specifičnihdubina pražnjenja
• Regulatorni zahtjevi: koje certifikate konačni proizvod mora proći

Na primjer, električni alat može zahtijevati eksplozije od 10-15C u kratkim razdobljima, dok kućni sustav za pohranu energije daje prioritet 3000+ ciklusima uz 80% DOD i nisku cijenu. Električni motocikl treba jaku otpornost na vibracije i vodootpornost koju stacionarni UPS nema.

Uvijek gradimo amatrica sljedivostiu GEB-u. Povezuje svaki zahtjev s određenom odlukom dizajna i metodom ispitivanja. Ovaj dokument postaje izuzetno koristan kada certifikacijska tijela počnu postavljati pitanja.

Dobivanje zahtjeva na samom početku štedi najviše vremena i novca.

Korak 2: Odaberite Optimal Cell Chemistry and Format

Nakon što su zahtjevi jasni,odabir stanicaodlučuje gotovo o svemu što slijedi.

Evo praktične usporedbe koju svakodnevno koristimo:

Nakon odabira kemije, odlučite o faktoru oblika:

• Cilindrične ćelije(18650, 21700, 4680) nude zrelu proizvodnju, dobru konzistenciju i jaku mehaničku strukturu, ali manju gustoću pakiranja.
• Prizmatične stanicedaju bolju iskoristivost prostora i jednostavniju montažu modula, iako mogu nabubriti i trebaju čvršća kućišta.
• Pouch ćelijedostaviti najvišegustoća energijei najmanju težinu, ali zahtijevaju najpažljiviju vanjsku potporu i upravljanje bubrenjem.

Koristimo samoStanice A stupnjaod etabliranih proizvođača. Dosljednost u kapacitetu i unutarnjem otporu važniji su nego što većina ljudi shvaća. Čak i male razlike stvaraju neravnotežu koja skraćuje vijek pakiranja i stvara sigurnosne rizike.

Odabir ćelijane radi se o odabiru "najbolje" ćelije. Radi se o odabiru prave ćelije za vaš specifični radni ciklus i ciljani trošak.

Korak 3: Električni dizajn baterije

S odabranim ćelijama morate ih pretvoriti u korisnu platformu napona i kapaciteta.

Serijski spojpovećava napon:

V_total=V_cell × broj serija ćelija

Paralelna vezapovećava kapacitet i rukovanje strujom:

Ah_total=Ah_cell × broj paralelnih nizova

Uobičajeni paket za pohranu energije od 48 V često koristi konfiguraciju 13S ili 16S, ovisno o prozoru napona pretvarača. Aplikacije velike-napone mogu trebati 4P ili 6P kako bi struja po ćeliji bila unutar sigurnih granica.

Način povezivanja važan je za pouzdanost. Izbjegavamo izravno lemljenje ćelija - toplina može oštetiti unutarnje strukture i s vremenom povećati unutarnji otpor.Točkasto zavarivanje trake niklaili lasersko zavarivanje jezičaka daje daleko bolje dugoročne-rezultate. Za staze visoke-struje prelazimo nabakrene sabirnices više točaka spajanja kako bi se izbjegle vruće točke.

Ispravna izolacija između vodova visokog-napona i vodova-niskog napona smanjuje elektromagnetske smetnje i sprječava probleme s puznom stazom.

Električna arhitektura mora isporučiti potrebnu snagu dok održava nizak kontaktni otpor i uravnoteženu raspodjelu struje.

Korak 4: Integrirajte sustav upravljanja baterijom (BMS)

BMS je mozak i čuvar čopora.

Mora pratiti napon ćelije, temperaturu i struju u stvarnom vremenu. Izračunava SOC i SOH, vrši balansiranje i aktivira zaštitu kada se ograničenja prekorače.

Ključne odluke uključuju:

• Pasivno balansiranje(jeftinije) nasuprotaktivno balansiranje(učinkovitiji za velika pakiranja)
• Komunikacijski protokol - CAN sabirnica za automobile, RS485 ili Bluetooth za stacionarne sustave
• Trenutna ocjena i broj podržanih serija ćelija

Prema našem iskustvu, dobar BMS sprječava 80% potencijalnih problema na terenu. Odaberite jedan sa redundantnim zaštitnim krugovima i brzim-odzivom na kratki spoj. Za-visokonaponske sustave,praćenje izolacijeje bitno.

Nikada nemojte tretirati BMS kao naknadnu misao. Mora biti osmišljen od samog početka.

Korak 5: Dizajnirajte sustav upravljanja toplinom

Kontrola temperature često odlučuje hoće li pakiranje trajati 5 ili 15 godina.

Litijske ćelije najbolje rade između 25 i 40 stupnjeva. Razlike veće od 5 stupnjeva među stanicama ubrzavaju starenje. Tijekom brzog punjenja ili velikog pražnjenja, stvaranje topline može doseći nekoliko vata po ćeliji.

Uobičajeni pristupi:

• Zračno hlađenje:jednostavan i jeftin, ali ograničenog kapaciteta
• Hlađenje tekućinom:izvrstan prijenos topline, široko se koristi u električnim vozilima
• Materijali s promjenom faze (PCM):pasivan i dobar za izglađivanje temperaturnih skokova
• Hibridni sustavi:kombinirati metode za ekstremne uvjete

U hladnim klimama dodajemo PTC grijače ili grijaće filmove kako bismo doveli ćelije na radnu temperaturu prije punjenja.

Izvodimo toplinsku simulaciju u ranoj fazi projekta. Pomaže nam odlučiti je li dovoljno pasivno ili aktivno hlađenjehlađenje tekućinomje neophodno. Dobar toplinski dizajn sprječava toplinski bijeg i održava performanse dosljednima kroz godišnja doba.

Korak 6: Mehanički i konstrukcijski dizajn

Sada čopor mora preživjeti-uvjete stvarnog svijeta.

Rano odlučite hoćete li koristiti amodularni dizajnili abrick{0}}style pack. Modularne dizajne lakše je proizvesti, testirati i popraviti. Brick paketi mogu postići višegustoća energijeali otežavaju održavanje.

Fiksacija stanica je kritična. Koristimo plastične držače ćelija za pozicioniranje i razmak, u kombinaciji s pažljivo nanesenim vrućim-ljepilom ili neutralnim silikonom za apsorbiranje vibracija bez blokiranja rasipanja topline.

Materijali kućišta obično se svode na aluminij zbog njegovog omjera-i-težine ili čelik za nižu cijenu u stacionarnim primjenama.IP67 brtvljenje, ventilacijski otvori za rasterećenje tlaka i zone gnječenja standardne su u automobilskim-pakovanjima.

Mehanički dizajn mora štititi ćelije od vibracija, udaraca i vode, a istovremeno omogućiti servisiranje kada je to potrebno.

Korak 7: Izrada prototipa, testiranje i provjera valjanosti

Nijedan dizajn nije dovršen dok se ne testira.

Izrađujemo tri faze prototipa:

• EVT:provjera osnovne funkcije
• DVT:ispitivanje pune učinkovitosti i okoliša
• PVT:proizvodne-namjerne jedinice od konačnog alata

Ključni testovi uključuju kapacitet i učinkovitost pri različitim C-stopama, termalno snimanje pod opterećenjem za pronalaženje vrućih točaka,testiranje životnog ciklusa, vibracije i udarce, te testove zlouporabe sigurnosti (pretjerano punjenje, kratki spoj, probijanje čavla).

Smatramo da je paket dosegnutkraj životakada kapacitet padne na 80% početne vrijednosti pod definiranim uvjetima.

Temeljita provjera hvata probleme prije nego što dođu do kupaca.

Korak 8: Certifikacija i pokretanje proizvodnje

Konačno, paket mora proći certifikaciju za ciljna tržišta.

Uobičajeni zahtjevi uključujuUN38.3za otpremu,UL 2580iliIEC 62619za sigurnost i regionalne standarde kao što je GB 38031 u Kini ili UN ECE R100 u Europi.

Na strani proizvodnje implementiramo razvrstavanje ćelija, automatizirano zavarivanje gdje je to moguće i kraj-testiranja-linije. Sljedivost od ulaznih ćelija do gotovih pakiranja obavezna je za automobilske i visoko-pouzdane aplikacije.

Zaključak

Projektiranje apaket litijskih baterijazahtijeva balansiranjeperformanse, sigurnost, trošak i mogućnost izrade. Redoslijed je važan:jasne zahtjeveprvo, zatimodabir stanica, električna arhitektura, toplinski i mehanički sustavi, nakon čega slijedi rigorozna validacija.

U GEB-u smo usavršavali ovaj proces tijekom mnogo godina i stotina projekata. Bez obzira trebate li mali prilagođeni paket za prototip ili tisuće jedinica za serijsku proizvodnju, osnove ostaju iste.

Ako radite na projektu litijske baterije i želite iskusnu podršku od definiranja zahtjeva do masovne proizvodnje, slobodno se obratite našem inženjerskom timu. Rado ćemo pregledati vaše specifikacije i podijeliti s vama što je dobro funkcioniralo u sličnim aplikacijama.