Πώς να σχεδιάσετε μια μπαταρία λιθίου (Βήμα-Βήμα προς-Οδηγό)

A πακέτο μπαταριών λιθίουείναι πολύ περισσότερα από απλά κελιά συνδεδεμένα μεταξύ τους. Είναι ένα πλήρες ενεργειακό σύστημα που συνδυάζει ηλεκτροχημεία, μηχανολογία, θερμικό έλεγχο, ηλεκτρική αρχιτεκτονική και διαχείριση ασφάλειας. Η κατανόηση του τρόπου σχεδιασμού μιας μπαταρίας λιθίου θα σας προσφέρει καλύτερη κατανόηση των προτύπων που διέπουν την κατασκευή της μπαταρίας. Αυτός ο οδηγός περιγράφει την πραγματική διαδικασία που ακολουθούμε όταν ένας πελάτης μας φέρνει ένα νέο έργο.

Βήμα 1: Καθορίστε τις απαιτήσεις και τους περιορισμούς της εφαρμογής

Κάθε επιτυχημένη μπαταρία ξεκινά μεσαφείς απαιτήσεις. Παραλείψτε αυτό το βήμα και θα το πληρώσετε αργότερα σε επανασχεδιασμούς ή αποτυχίες πεδίου.

Πρέπει να κλειδώσετε τέσσερις βασικούς τομείς:

• Ανάγκες απόδοσης: τάση, χωρητικότητα, συνεχές και ρεύμα αιχμής,στόχους ενεργειακής πυκνότητας
• Περιβάλλον λειτουργίας: εύρος θερμοκρασίας, επίπεδα κραδασμών, υγρασία,Διαβάθμιση IP
• Αναμενόμενη διάρκεια ζωής:μέτρηση κύκλουσε συγκεκριμένοβάθος εκκένωσης
• Κανονιστικές απαιτήσεις: ποιες πιστοποιήσεις πρέπει να περάσει το τελικό προϊόν

Για παράδειγμα, ένα ηλεκτρικό εργαλείο μπορεί να απαιτεί εκρήξεις 10-15 C για μικρά χρονικά διαστήματα, ενώ ένα σύστημα αποθήκευσης ενέργειας στο σπίτι δίνει προτεραιότητα στους 3000+ κύκλους με 80% DOD και χαμηλό κόστος. Μια ηλεκτρική μοτοσικλέτα χρειάζεται ισχυρή αντοχή στους κραδασμούς και αδιαβροχοποίηση που δεν χρειάζεται ένα σταθερό UPS.

Πάντα χτίζουμε έναμήτρα ιχνηλασιμότηταςστο GEB. Συνδέει κάθε απαίτηση με μια συγκεκριμένη απόφαση σχεδιασμού και μέθοδο δοκιμής. Αυτό το έγγραφο γίνεται εξαιρετικά χρήσιμο όταν οι φορείς πιστοποίησης αρχίζουν να κάνουν ερωτήσεις.

Η σωστή λήψη των απαιτήσεων στην αρχή εξοικονομεί περισσότερο χρόνο και χρήμα.

Βήμα 2: Επιλέξτε Βέλτιστη Χημεία και Μορφή Κυττάρου

Μόλις οι απαιτήσεις είναι σαφείς,επιλογή κελιώναποφασίζει σχεδόν όλα όσα ακολουθούν.

Ακολουθεί η πρακτική σύγκριση που χρησιμοποιούμε καθημερινά:

Αφού επιλέξετε τη χημεία, αποφασίστε τον παράγοντα μορφής:

• Κυλινδρικά κύτταρα(18650, 21700, 4680) προσφέρουν ώριμη παραγωγή, καλή συνοχή και ισχυρή μηχανική δομή, αλλά χαμηλότερη πυκνότητα συσκευασίας.
• Πρισματικά κύτταραπαρέχουν καλύτερη χρήση του χώρου και απλούστερη συναρμολόγηση της μονάδας, αν και μπορεί να διογκωθούν και να χρειάζονται ισχυρότερα περιβλήματα.
• Κυψέλες θήκηςπαραδώσει το υψηλότεροενεργειακή πυκνότητακαι το χαμηλότερο βάρος, αλλά απαιτούν την πιο προσεκτική εξωτερική υποστήριξη και διαχείριση του οιδήματος.

Χρησιμοποιούμε μόνοΚύτταρα βαθμού Ααπό καταξιωμένους κατασκευαστές. Η συνέπεια στην ικανότητα και η εσωτερική αντίσταση έχει μεγαλύτερη σημασία από ό,τι αντιλαμβάνονται οι περισσότεροι. Ακόμη και μικρές διαφορές δημιουργούν ανισορροπία που μειώνει τη διάρκεια ζωής της συσκευασίας και δημιουργεί κινδύνους για την ασφάλεια.

Επιλογή κυττάρωνδεν έχει να κάνει με την επιλογή του "καλύτερου" κελιού. Πρόκειται για την επιλογή του σωστού κελιού για τον συγκεκριμένο κύκλο εργασίας και το στόχο κόστους.

Βήμα 3: Ηλεκτρικός σχεδιασμός πακέτου μπαταρίας

Με επιλεγμένες κυψέλες, πρέπει να τις μετατρέψετε σε μια χρησιμοποιήσιμη πλατφόρμα τάσης και χωρητικότητας.

Σύνδεση σειράςαυξάνει την τάση:

V_total=V_cell × αριθμός κελιών σειράς

Παράλληλη σύνδεσηαυξάνει την χωρητικότητα και τον χειρισμό ρεύματος:

Ah_total=Ah_cell × αριθμός παράλληλων συμβολοσειρών

Ένα κοινό πακέτο αποθήκευσης ενέργειας 48 V χρησιμοποιεί συχνά διαμόρφωση 13S ή 16S ανάλογα με το παράθυρο τάσης του μετατροπέα. Οι εφαρμογές υψηλής ισχύος-μπορεί να χρειάζονται 4P ή 6P για να διατηρήσουν το ρεύμα ανά κυψέλη εντός ασφαλών ορίων.

Η μέθοδος σύνδεσης έχει σημασία για την αξιοπιστία. Αποφεύγουμε την απευθείας συγκόλληση στοιχείων - η θερμότητα μπορεί να καταστρέψει τις εσωτερικές δομές και να αυξήσει την εσωτερική αντίσταση με την πάροδο του χρόνου.Σημειακή συγκόλληση με λωρίδες νικελίουή η συγκόλληση με λέιζερ σε γλωττίδες δίνει πολύ καλύτερα μακροπρόθεσμα- αποτελέσματα. Για υψηλές-τρέχουσες διαδρομές, κινούμαστε σεχάλκινες μπάρεςμε πολλαπλά σημεία σύνδεσης για αποφυγή hotspot.

Η σωστή μόνωση μεταξύ γραμμών υψηλής-και χαμηλής-τάσης μειώνει τις ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές και αποτρέπει προβλήματα ερπυσμού.

Η ηλεκτρική αρχιτεκτονική πρέπει να παρέχει την απαιτούμενη ισχύ διατηρώντας παράλληλα την αντίσταση επαφής χαμηλή και την κατανομή ρεύματος ισορροπημένη.

Βήμα 4: Ενσωματώστε το σύστημα διαχείρισης μπαταριών (BMS)

Το BMS είναι ο εγκέφαλος και ο φύλακας της αγέλης.

Πρέπει να παρακολουθεί τις τάσεις, τις θερμοκρασίες και το ρεύμα των κυψελών σε πραγματικό χρόνο. Υπολογίζει SOC και SOH, εκτελεί εξισορρόπηση και ενεργοποιεί την προστασία όταν ξεπερνιούνται τα όρια.

Οι βασικές αποφάσεις περιλαμβάνουν:

• Παθητική εξισορρόπηση(φθηνότερο) έναντιενεργή εξισορρόπηση(πιο αποτελεσματικό για μεγάλες συσκευασίες)
• Πρωτόκολλο επικοινωνίας - CAN bus για αυτοκίνητα, RS485 ή Bluetooth για σταθερά συστήματα
• Τρέχουσα βαθμολογία και αριθμός κελιών σειράς που υποστηρίζονται

Σύμφωνα με την εμπειρία μας, ένα καλό BMS αποτρέπει το 80% των πιθανών προβλημάτων πεδίου. Επιλέξτε ένα με πλεονάζοντα κυκλώματα προστασίας και γρήγορη απόκριση βραχυκυκλώματος-. Για συστήματα υψηλής-τάσης,παρακολούθηση απομόνωσηςείναι απαραίτητη.

Ποτέ μην αντιμετωπίζετε το BMS ως εκ των υστέρων σκέψη. Πρέπει να σχεδιαστεί από την αρχή.

Βήμα 5: Σχεδιάστε το Σύστημα Θερμικής Διαχείρισης

Ο έλεγχος θερμοκρασίας συχνά αποφασίζει εάν μια συσκευασία διαρκεί 5 χρόνια ή 15 χρόνια.

Τα κύτταρα λιθίου αποδίδουν καλύτερα μεταξύ 25 και 40 μοιρών. Διαφορές μεγαλύτερες από 5 μοίρες μεταξύ των κυττάρων επιταχύνουν τη γήρανση. Κατά τη διάρκεια της γρήγορης φόρτισης ή της υψηλής εκφόρτισης, η παραγωγή θερμότητας μπορεί να φτάσει αρκετά watt ανά κυψέλη.

Κοινές προσεγγίσεις:

• Αερόψυξη:απλό και χαμηλό κόστος, αλλά περιορισμένη χωρητικότητα
• Υγρή ψύξη:εξαιρετική μεταφορά θερμότητας, που χρησιμοποιείται ευρέως στα EV
• Υλικά αλλαγής φάσης (PCM):παθητικό και καλό για την εξομάλυνση των αιχμών θερμοκρασίας
• Υβριδικά συστήματα:συνδυάζουν μεθόδους για ακραίες συνθήκες

Σε ψυχρά κλίματα προσθέτουμε θερμαντήρες PTC ή θερμαντικές μεμβράνες για να φέρουμε τα κύτταρα σε θερμοκρασία λειτουργίας πριν από τη φόρτιση.

Εκτελούμε θερμική προσομοίωση νωρίς στο έργο. Μας βοηθά να αποφασίσουμε αν η παθητική ψύξη είναι αρκετή ή αν είναι ενεργήυγρή ψύξηείναι απαραίτητο. Ο καλός θερμικός σχεδιασμός αποτρέπει τη θερμική φυγή και διατηρεί σταθερή την απόδοση σε όλες τις εποχές.

Βήμα 6: Μηχανολογική και Στατική Μελέτη

Τώρα το πακέτο πρέπει να επιβιώσει στις πραγματικές-συνθήκες του κόσμου.

Αποφασίστε έγκαιρα εάν θα χρησιμοποιήσετε ααρθρωτός σχεδιασμόςή ατούβλο-πακέτο στυλ. Τα αρθρωτά σχέδια είναι ευκολότερα στην κατασκευή, τη δοκιμή και την επισκευή. Οι συσκευασίες τούβλων μπορούν να επιτύχουν υψηλότεραενεργειακή πυκνότητααλλά κάνουν τη συντήρηση δύσκολη.

Η στερέωση των κυττάρων είναι κρίσιμη. Χρησιμοποιούμε πλαστικές θήκες κυψελών για τοποθέτηση και απόσταση, σε συνδυασμό με προσεκτικά τοποθετημένη ζεστή-κόλλα τήξης ή ουδέτερη σιλικόνη για την απορρόφηση των κραδασμών χωρίς να εμποδίζεται η διάχυση της θερμότητας.

Τα υλικά του περιβλήματος συνήθως καταλήγουν στο αλουμίνιο για την αναλογία αντοχής-προς-του βάρους ή σε χάλυβα για χαμηλότερο κόστος σε σταθερές εφαρμογές.Σφράγιση IP67, οι αεραγωγοί εκτόνωσης πίεσης και οι ζώνες σύνθλιψης είναι στάνταρ σε πακέτα κατηγορίας αυτοκινήτου-.

Ο μηχανικός σχεδιασμός πρέπει να προστατεύει τα κύτταρα από κραδασμούς, κρούσεις και νερό, ενώ επιτρέπει τη δυνατότητα συντήρησης όταν χρειάζεται.

Βήμα 7: Πρωτότυπο, δοκιμή και επικύρωση

Κανένας σχεδιασμός δεν είναι ολοκληρωμένος μέχρι να δοκιμαστεί.

Κατασκευάζουμε τρία πρωτότυπα στάδια:

• EVT:έλεγχος βασικής λειτουργίας
• DVT:πλήρης απόδοση και περιβαλλοντικές δοκιμές
• PVT:παραγωγής-μονάδες πρόθεσης από την τελική επεξεργασία

Οι βασικές δοκιμές περιλαμβάνουν χωρητικότητα και απόδοση σε διαφορετικούς ρυθμούς C-, θερμική απεικόνιση υπό φορτίο για την εύρεση hotspot,δοκιμή κύκλου ζωής, δονήσεις και κραδασμούς και δοκιμές κατάχρησης ασφαλείας (υπερφόρτιση, βραχυκύκλωμα, διείσδυση καρφιών).

Θεωρούμε ότι ένα πακέτο έχει φτάσειτέλος της ζωήςόταν η χωρητικότητα πέσει στο 80% της αρχικής τιμής υπό τις καθορισμένες συνθήκες.

Η διεξοδική επικύρωση εντοπίζει προβλήματα προτού φτάσουν στους πελάτες.

Βήμα 8: Πιστοποίηση και έναρξη παραγωγής

Τέλος, το πακέτο πρέπει να περάσει πιστοποίηση για τις αγορές-στόχους του.

Οι κοινές απαιτήσεις περιλαμβάνουνUN38.3για αποστολή,UL 2580ήIEC 62619για ασφάλεια και τοπικά πρότυπα όπως το GB 38031 στην Κίνα ή το UN ECE R100 στην Ευρώπη.

Από την πλευρά της παραγωγής εφαρμόζουμε ταξινόμηση κυψελών, αυτοματοποιημένη συγκόλληση όπου είναι δυνατόν και δοκιμή τέλους γραμμής--. Η ιχνηλασιμότητα από τα εισερχόμενα κελιά σε ολοκληρωμένα πακέτα είναι υποχρεωτική για εφαρμογές αυτοκινήτων και υψηλής αξιοπιστίας-.

Σύναψη

Σχεδιάζοντας απακέτο μπαταριών λιθίουαπαιτεί εξισορρόπησηαπόδοση, ασφάλεια, κόστος και δυνατότητα κατασκευής. Σημασία έχει η παραγγελία:σαφείς απαιτήσειςπρώτα, μετάεπιλογή κελιών, ηλεκτρική αρχιτεκτονική, θερμικά και μηχανικά συστήματα, ακολουθούμενα από αυστηρή επικύρωση.

Στη GEB έχουμε βελτιώσει αυτή τη διαδικασία για πολλά χρόνια και εκατοντάδες έργα. Είτε χρειάζεστε ένα μικρό προσαρμοσμένο πακέτο για ένα πρωτότυπο είτε χιλιάδες μονάδες για σειριακή παραγωγή, τα βασικά στοιχεία παραμένουν τα ίδια.

Εάν εργάζεστε σε ένα έργο μπαταρίας λιθίου και θέλετε έμπειρη υποστήριξη από τον καθορισμό απαιτήσεων έως τη μαζική παραγωγή, μη διστάσετε να επικοινωνήσετε με την ομάδα μηχανικών μας. Είμαστε στην ευχάριστη θέση να εξετάσουμε τις προδιαγραφές σας και να μοιραστούμε τι έχει λειτουργήσει καλά σε παρόμοιες εφαρμογές.