الطلب على المدمجة وعالية الأداء حزم البطارية ارتفع عبر الصناعات مثل التكنولوجيا القابلة للارتداء والأجهزة الطبية والطائرات بدون طيار وأجهزة استشعار إنترنت الأشياء. تتطلب هذه التطبيقات مصادر طاقة خفيفة الوزن توفر طاقة موثوقة وتحمل التوتر المادي بأمان.
ومع ذلك ، فإن تقليل حجم البطارية دون التضحية بالأداء أو السلامة يمثل تحديات هندسية كبيرة. تبحث هذه المقالة في هذه التحديات وتقدم استراتيجيات لمعالجتها.
ما هي حزمة البطارية المدمجة؟
حزمة البطارية المدمجة هي نظام تخزين طاقة مخصص مصمم للأجهزة المقيدة للفضاء دون التضحية بالطاقة. على عكس البطاريات القياسية ، تلبي هذه الحزم متطلبات محددة للوزن والوزن والأداء. غالبًا ما يستخدمون خلايا ليثيوم أيون (LI-ION) أو الليثيوم بوليمر (LIPO) لزيادة السعة في الحد الأدنى من المساحة.
على سبيل المثال ، قد تستخدم مساعدة السمع حزمة Li-ion بحجم العملة ، في حين أن طائرة بدون طيار يمكن أن تستخدم تكوين Lipo نحيف. يعطي تصميمهم الأولوية للكفاءة والمتانة والقدرة على التكيف مع البيئات المختلفة.
تحديات التصميم الشائعة للبطاريات المدمجة
عند تصميم حزمة بطارية ، ثلاثة عوامل رئيسية ضرورية: الأداء ، والسلامة الهيكلية ، والسلامة. تتحدى هذه الجوانب حزم البطارية المدمجة بسبب حجمها الأصغر والمواد المحدودة.
أداء
التحدي الرئيسي هو الموازنة كثافة الطاقة مع توصيل الطاقة. بطاريات أصغر تخزن طاقة أقل ، مما يحد من وقت التشغيل. يمكن أن تسبب ارتفاع معدلات التفريغ في الطائرات بدون طيار أو أدوات الطاقة انخفاض ارتفاع درجة الحرارة والجهد ، مما يقلل من الكفاءة.
يجب على المهندسين أيضًا مراعاة دورة الحياة، نظرًا لأن الشحن والتفريغ المتكرر يمكن أن يؤدي إلى تحطيم البطاريات المدمجة بسرعة أكبر بسبب التباعد الضيق والإجهاد الحراري.
النزاهة الهيكلية
التصميم المدمج غالبًا ما يضحى بمتانة ميكانيكية. يمكن أن تنحني الأغلفة الرقيقة أو مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور أو تتغير تحت الاهتزاز أو التأثير أو التغيرات في درجة الحرارة.
في الأجهزة القابلة للارتداء ، قد تضعف الثني المتكرر الاتصالات الداخلية. يجب على المصممين التأكد من أن الجهاز يقاوم الإجهاد البدني دون زيادة الجزء الأكبر.
أمان
زيادة مخاطر السلامة في التصميمات المدمجة. يمكن أن يسبب التباعد الضيق هاربًا حراريًا ، حيث يؤدي خلية محمومة واحدة إلى تفاعل سلسلة.
قد تتضخم بطاريات الليثيوم أو تسربها أو احتراقها إذا سوء الإدارة. معايير السلامة الصارمة ، مثل و 38.3، تفويض اختبار صارم للدوائر القصيرة ، الشحن الزائد ، ودرجات الحرارة القصوى.
التغلب على تحديات تصميم البطارية المدمجة
فيما يلي نصائح للتغلب على تحديات تصميم البطارية المدمجة.
زيادة سعة خلية البطارية والجهد
- الكيميائيات المتقدمة: استخدم خلايا Li-anode السيليكونية مقابل 20-30 ٪ من أنودات الجرافيت. توفر بطاريات الحالة الصلبة الناشئة كثافة واستقرار طاقة أكبر.
- ترتيب الخلية الأمثل: الجمع بين الخلايا في سلسلة أو موازاة لزيادة الجهد أو السعة. تكديس الخلايا المنشورية يوفر رأسياً المساحة مع ضمان ارتفاع الإنتاج.
- إدارة الطاقة: دمج الإلكترونيات والبرامج منخفضة الطاقة ، مثل أوضاع النوم في أجهزة إنترنت الأشياء ، لتحسين استخدام الطاقة.
تعزيز السلامة
- أنظمة إدارة البطاريات الذكية (BMS): الاستخدام نظام إدارة المباني لمراقبة جهد الخلية ودرجة الحرارة وحالة الشحن. يمنع BMS المعايرة الشحن الزائد ، ويوازن الخلايا ، ويبدأ الإغلاق أثناء الأعطال.
- الإدارة الحرارية: استخدم بوليمرات تغيير الطور أو طبقات الجرافين لتبديد الحرارة. في التطبيقات الحرجة ، يمكن لفواصل السيراميك تقليل مخاطر الاحتراق.
- اختبار الامتثال: التحقق من صحة التصميمات مع شهادات السلامة ومحاكاة سيناريوهات الإجهاد مثل اختبارات السحق والتعرض للارتفاع.
توفير النزاهة الهيكلية
- المواد القوية: استخدم الألومنيوم من فضاء الفضاء أو البوليمرات المتينة مثل نظرة خاطفة على امتصاص الصدمات.
- التصميم المعياري: قسّم الحزمة إلى وحدات أصغر لتوزيع الإجهاد ، على غرار عمليات الزرع الطبية التي تستخدم الوحدات المختومة لمنع دخول الرطوبة.
- التصنيع المتقدم: الاستفادة من لحام الليزر والطباعة ثلاثية الأبعاد لعلاقات دقيقة وقوية بين الخلايا و عناصر، تقليل نقاط الفشل.
خاتمة
يتضمن تصميم حزم البطارية المخصصة المدمجة موازنة الأداء والسلامة والمتانة. تساعد الكيميائيات المتقدمة مثل السيليكون-أنود أو خلايا الحالة الصلبة ، و BMS الذكية ، والمواد القوية للمهندسين على مواجهة تحديات التصغير.
نظرًا لأن الصناعات تبحث عن أجهزة أصغر ، فإن الابتكار في تكنولوجيا البطاريات والاختبارات الصارمة سيكون ضروريًا للإلكترونيات المحمولة. إن التعاون بين علوم المواد والإلكترونيات والهندسة الميكانيكية سيؤدي إلى تحقيق اختراقات في هذا المجال.
