الوجبات الجاهزة الرئيسية:
- حزم بطارية الليثيوم أيون عبارة عن مجموعات معقدة تشمل الخلايا ، ونظام إدارة البطارية (BMS) ، والمكونات السلبية ، وعلبة ، ونظام الإدارة الحرارية. إنها تعمل على تشغيل مجموعة واسعة من التطبيقات ، من الإلكترونيات الاستهلاكية إلى السيارات الكهربائية ، وتتطلب هندسة دقيقة لضمان السلامة والكفاءة والموثوقية.
أ بطارية ليثيوم أيون Pack عبارة عن مجموعة من خلايا الليثيوم أيون ، ونظام إدارة البطارية ، ومختلف المكونات الداعمة الموجودة داخل العلبة. ويوفر تخزين الطاقة القابل لإعادة الشحن وطاقة لعدد لا يحصى من الإلكترونيات الاستهلاكية ، والسيارات الكهربائية ، وأنظمة تخزين الشبكات ، والتطبيقات الصناعية الأخرى.
في حين توفر خلايا الليثيوم أيون القدرة الكهربائية الأساسية ، فإن المكونات المتكاملة الأخرى مهمة بنفس القدر في تمكين وظائف آمنة وفعالة وموثوقة. في هذا الدليل ، سنلقي نظرة فاحصة على الجوانب الفنية لكل مكون حزمة بطارية ليثيوم أيون الأساسية.
نظرة عامة على المكونات الرئيسية
تتضمن حزم بطارية الليثيوم أيون المكونات الرئيسية التالية:
- خلايا ليثيوم أيون – الوحدة الكهروكيميائية الأساسية التي توفر سعة التخزين الكهربائية. يتم الجمع بين خلايا متعددة لتحقيق الجهد والقدرة المطلوبة.
- نظام إدارة البطارية (BMS) – مراقبة "الدماغ" مراقبة ظروف الخلية والسيطرة على السلامة والأداء.
- المكونات السلبية – توفير الهيكل ، الترابط ، العزل ، والتبريد.
- العلبة – المنازل وتحمي جميع المكونات الداخلية.
- نظام الإدارة الحرارية – يحافظ على درجات حرارة الخلية المثالية للتشغيل.
- إلكترونيات إضافية – تمت إضافة ميزات لتعزيز الوظائف والتكامل.
بعد ذلك، سنستكشف كل مكون من هذه المكونات بمزيد من التفاصيل الفنية.
خلايا الليثيوم أيون: مصدر الطاقة الكهروكيميائية
تستخدم خلايا أيون الليثيوم كيمياء إقحام أيون الليثيوم لتخزين الطاقة الكهربائية بشكل عكسي كهروكيميائيًا. داخل الخلية، تتنقل أيونات الليثيوم المشحونة إيجابيًا بين أنود الجرافيت وكاثود أكسيد المعدن المُليث أثناء شحن الخلية وتفريغها. يسمح الإلكتروليت العضوي بنقل الأيونات بينما يمنع الفاصل المسامي الاتصال الكهربائي بين الأقطاب الكهربائية.
تأتي الخلايا بأحجام قياسية مختلفة وعوامل الشكل:
- أسطواني (على سبيل المثال 18650، 21700، 4680): طبقات إلكترود/فاصل ملفوفة حلزونيًا في علبة معدنية أسطوانية. كثافة طاقة أعلى ولكن كثافة طاقة أقل مقارنة بخلايا الحقيبة. التنسيقات الشائعة:
- 18650 – قطر 18 ملم، ارتفاع 65 ملم، السعة النموذجية 1.5-3 أمبير
- 21700 – قطر 21 ملم، ارتفاع 70 ملم، سعة تصل إلى 5 أمبير
- 4680 – قطر 46 مم، ارتفاع 80 مم، سعة 10-50 أمبير
- موشوري – طبقات الكاثود والأنود والفاصل المتناوبة مكدسة ومطوية في غلاف من الألومنيوم المنشوري. يزيد من كثافة الطاقة الحجمية ولكن كثافة الطاقة أقل. التنسيقات الشائعة:
- قدرات 10 أمبير و30 أمبير بمعدلات C منخفضة
- الأبعاد حوالي 100 × 200 × 10 ملم
- كيس – الأقطاب الكهربائية والفاصل المختومة في حقيبة صفيحة بلاستيكية معدنية. المعروف أيضا باسم خلايا البوليمر. مرنة وخفيفة الوزن. غلاف فعال من حيث التكلفة ولكن أقل دائمة. تصنيفات السعة النموذجية من 1AH إلى أكثر من 300AH.
تستخدم خلايا الليثيوم أيون أيضًا كيمياء مختلفة من الكاثود ، مما يؤثر على الجهد والقدرة والسلامة:
- أكسيد الكوبالت الليثيوم (LCO) - الجهد الاسمي 3.6 فولت ، وكثافة طاقة عالية ولكن مخاوف السلامة في درجات حرارة مرتفعة
- أكسيد المنغنيز الليثيوم (LMO) - 3.7 فولت ، حياة دورة أكثر أمانًا وأطول ولكنها أقل سعة
- الفوسفات الحديد الليثيوم (LFP) – 3.2v ، آمن للغاية ودائم ولكن كثافة الطاقة المنخفضة
- ليثيوم نيكل أكسيد الكوبالت (NMC) – 3.6/3.7 فولت ، السعة العالية وكثافة الطاقة ولكن تصنيع أكثر تعقيدًا
- ألومنيوم الليثيوم والنيكل والكوبالت (NCA) - 3.6 فولت، قدرة عالية وكثافة طاقة ولكن عمر بطارية أقصر
عند اختيار الخلايا، يقوم المهندسون بتقييم المعلمات مثل الجهد الاسمي والسعة ومعدل C وعمر الدورة وعامل الشكل والسلامة والتكلفة والتوافر لتلبية متطلبات التطبيق. أصبحت كيمياء NMC وNCA عالية السعة شائعة في التطبيقات عالية الأداء.
نظام إدارة البطارية (BMS)
ال نظام إدارة البطارية بمثابة "العقل" الذي يتحكم في التشغيل الشامل لحزمة البطارية. يراقب نظام إدارة المباني ظروف الخلية، ويتحكم في آليات السلامة، ويوازن الخلايا، ويوفر واجهات الاتصال. يعتمد تعقيد نظام إدارة المباني (BMS) على حجم الحزمة ووظيفتها. قد يتضمن نظام إدارة المباني للمستهلك الصغير ما يلي فقط:
- مراقبة الفولتية الخلية ودرجات الحرارة
- منع الشحن الزائد والإفراط في التفريغ
- موازنة الفولتية الخلية
بينما توفر حزمة الجر الكبيرة للمركبات الكهربائية (BMS) وظائف واسعة النطاق:
- مراقبة عالية الدقة للجهد (±15 مللي فولت)، والتيار (±1-2%)، ودرجة الحرارة (±1 درجة مئوية) لكل خلية
- موازنة الخلايا النشطة عبر محولات تحويلية أو متعددة اللفات
- التحكم في الموصلات والصمامات للعزل الكهربائي
- حالة الشحن المعقدة وخوارزميات تقدير الصحة
- الإدارة الحرارية عن طريق التحكم في نظام التبريد
- سرعة عالية في الكشف عن الأخطاء الحرجة – دائرة مفتوحة/قصيرة، ارتفاع درجة الحرارة
- المئات من مدخلات أجهزة الاستشعار ومخرجات التحكم
- واجهات اتصالات المركبات – CAN، LIN، FlexRay، إيثرنت السيارات
- المصادقة الآمنة، والحماية من العبث، وتحديثات البرامج الثابتة عبر الأثير
- تسجيل بيانات تفصيلية للتشخيص والعد الدوري
مصدر: بوابة البحث
تتكون أجهزة BMS عادة من واجهة المستشعر ICS و ADCs و MicroControllers ودوائر إدارة الطاقة المثبتة على لوحة دوائر مطبوعة. عزل الجهد العالي والاتصالات القوية أمر بالغ الأهمية للسلامة والموثوقية.
المكونات السلبية
بالإضافة إلى الخلايا و BMS ، تشمل حزم بطارية الليثيوم أيون مكونات سلبية مختلفة:
- أشرطة الحافلات - توفير اتصالات مقاومة منخفضة بين الخلايا والمحطات. السعة الحالية العالية المطلوبة – ما يصل إلى 1000a في حزم EV. قد تكون قضبان الحافلات النحاسية أو الألومنيوم عارية أو مطلية أو مغلفة. تصميم شريط الحافلة يقلل من الحث مع الحفاظ على العزلة.
- مادة الواجهة الحرارية – تستخدم بين الخلايا وجدران العلبة أو قنوات التبريد. المرنة السيليكون ، الأشرطة الموصلة حرارياً ، ومنصات ملء الفجوة تزيد من نقل الحرارة إلى الحد الأقصى. مواد تغيير الطور توفر السعة الحرارية عالية.
- المواد اللاصقة والأشرطة - توفر العزل الكهربائي ومقاومة الاهتزاز. تشمل المواد البولي يوريثان ، لاصق الأكريليك والسيليكون. الأشرطة الموصلة حراريا مزدوجة شائعة. صارم UL94 V-0 تصنيف القابلية للاشتعال.
- الصمامات والمتواصل - حماية من الأخطاء الزائدة. أيضا السماح بعزلة كهربائية آمنة. الجهد العالي والتقييمات الحالية المطلوبة. قد يتم دمج الصمامات في BMS. الدوائر المسبقة الحد من تيار inrush.
- ربط الخلايا - انضم إلى محطات الخلايا في السلسلة. يجب التعامل مع كثافة التيار العالي. الموجات فوق الصوتية والليزر واللحام المقاومة المستخدمة.
يضمن الاختيار الدقيق لهذه المكونات السلبية السلامة الكهربائية والحرارية والميكانيكية لحزمة البطارية في ظل الظروف الصعبة.
الضميمة حزمة البطارية
يوفر غلاف أو مبيت حزمة البطارية ما يلي:
- حماية – يحمي الخلايا من سوء الاستخدام الميكانيكي والتأثير والغبار والسوائل. يسمح فقط بالوصلات الكهربائية المناسبة. يوفر تصنيف IP على أساس التطبيق.
- الدعم الهيكلي – يوفر الصلابة المطلوبة لتكديس الخلايا وتركيبها. واجهات مع إطار التطبيق والأقواس.
- قنوات التبريد – يسمح بتدفق الهواء أو تداول سائل التبريد عبر الخلايا ونظام إدارة المباني. قد تشمل زعانف تبريد متكاملة.
- العزل – يعزل كهربائيًا مكونات الجهد العالي مثل قضبان الحافلات والمحطات الطرفية.
- الختم البيئي - يمنع دخول الرطوبة. ضروري لكيمياء أيون الليثيوم.
تشمل مواد العلبة الشائعة معادن مثل الألومنيوم للخصائص الحرارية الممتازة ، ومزيج من البلاستيك المهندسة لمقاومة الوزن الأخف ومقاومة التآكل. توفر المواد البلاستيكية المعدنية المعدنية والألياف الكربونية صلابة هيكلية ودرع.
غالبًا ما تتميز العبوات لوحات وصول قابلة للإزالة للخدمة وتصميمات الحزم المعيارية لمرونة التثبيت. المواد اللاصقة الهيكلية ، والحشيات ، والأغشية العازلة تحافظ على المكونات مثبتة وعزلة بشكل آمن.
نظام الإدارة الحرارية
يعد الحفاظ على درجات حرارة الخلايا المناسبة أمرًا ضروريًا للأداء الآمن والمماثل لحزم بطارية الليثيوم أيون. على الرغم من أن خلايا الليثيوم أيون تعمل بشكل جيد حوالي 15-35 درجة مئوية ، إلا أن التشغيل خارج هذا النطاق يحط من الأداء وعمره:
- انخفاض سعة التفريغ دون التجمد. تزيد المقاومة الداخلية.
- أعلى ~ 50 درجة مئوية تتلاشى السعة السريعة والشيخوخة.
- أعلى ~ 60 درجة مئوية خطر الهرب الحراري.
وبالتالي ، يجب أن يبرد نظام الإدارة الحرارية الخلايا أثناء التشغيل وتسخينها عندما تكون ثابتة في الظروف المحيطة الباردة. تشمل طرق التبريد النموذجية:
- الهواء السلبي – التبريد عبر الزعانف والقنوات. تستخدم في عبوات أصغر مع انخفاض ناتج الحرارة.
- الهواء القسري – يحسن المعجبين المحوريين أو الطرد المركزي معدل تدفق الهواء ونقل الحرارة. القنوات تحسين توزيع التدفق.
- تبريد سائل – السترات أو اللوحات أو القنوات الدقيقة تداول مزيج الماء/الجليكول أو سائل العزل الكهربائي. فعالة جدا لحزم الطاقة العالية >5 كيلو وات.
- مواد تغيير المرحلة – مواد تشبه الشمع تمتص الحرارة أثناء ذوبانها. تستخدم في العبوات أو كوسادات حرارية.
- حرارة كهروضوئية - تولد أجهزة peltier تفاضلية درجة الحرارة عند تشغيلها. تبريد الحالة الصلبة المدمجة.
التدفئة أمر بالغ الأهمية أيضًا لتشغيل المناخ البارد. تشمل طرق التدفئة:
- سخانات كهربائية – سخانات مقاومة متصلة بحزمة حزمة.
- مضخات الحرارة – عكس الأجهزة الحرارية كهروإجهادية أو حلقات المبرد المدمجة.
- حرارة النفايات – التقاط الخسائر المقاومة من الشحن والتفريغ.
تراقب BMS درجات حرارة الخلايا ويتحكم في التبريد أو التسخين وفقًا لذلك على خوارزميات التحكم في الملكية. قد تقسم حزم البطارية الكبيرة إلى مناطق حرارية مع تنظيم درجة حرارة مستقلة.
مكونات إضافية
اعتمادًا على التكلفة ، وعامل النموذج ، ومتطلبات التطبيق ، قد تتضمن حزم بطارية الليثيوم أيون مكونات إضافية:
- دائرة الاستيقاظ – يستيقظ نوم BMS عند بدء الشحن/التفريغ. يحسن الاستعداد الحالي.
- موازنة الخلية دوائر – يوفر التوازن النشط دقة أكثر من التوازن السلبي وحده. يتطلب التعقيد المضافة.
- دائرة precharge – يحد تيار inrush عند توصيل الحزمة. يستخدم المقاومات أو التبديل النشط. يحمي BMS والمتواصل.
- شاحن – على متن إلكترونيات التحكم على متن الطائرة ل DC Fast Charging. يزيل الحاجة إلى شاحن خارجي.
- الاتصالات – إلى جانب واجهة BMS الأساسية ، قد تتضمن الحزم الوحدات اللاسلكية أو اتصال خط الطاقة (PLC) للتحكم عن بعد والتشخيص.
- سخانات – توفير التدفئة التي يتم التحكم فيها لتشغيل الطقس البارد. تساعد في تحقيق درجات حرارة الخلايا المثلى.
- تبديل الخلية – تبديل مجموعات من الخلايا تشغيل/إيقاف للإدارة الحرارية والموازنة. يتطلب العديد من المفاتيح المضافة ومنطق التحكم المعقد.
- LEDs الحالة – تشير بصريًا إلى حالة الحزمة الأساسية للمستخدم – الشحن ، خطأ ، الاستعداد وما إلى ذلك.
تطبيقات حزمة بطارية الليثيوم أيون
الآن وقد استكشفنا المكونات الداخلية ، دعنا ندرس كيفية تطبيق حزم بطارية الليثيوم في الصناعات والتطبيقات الرئيسية:
- السيارات الكهربائية - توفير طاقة الدفع للمركبات الكهربائية والهجينة بالكامل. تتطلب سعة عالية جدًا (50-100 كيلو واط في الساعة) ، وكثافة الطاقة ، والسلامة وعمر الدورة. تصاميم سائلة معقدة.
- إلكترونيات المستهلك - الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة وأدوات الطاقة والأجهزة المحمولة الأخرى. ركز على التكلفة والحجم المدمج والوزن الخفيف. حقيبة تبريد الهواء أو الخلايا المنشورية في العبوات البلاستيكية. 1-100WH نطاق السعة.
- الفضاء - يستخدم في الطائرات لسلطة الطوارئ وبدء المحركات. التصميمات المتينة تحمل الاهتزاز. السلامة والموثوقية أمران بالغ الأهمية.
- التخزين الثابت-تخزين طاقة الشبكة ، طاقة النسخ الاحتياطي ، أنظمة الطاقة الشمسية/الرياح خارج الشبكة. التركيز على التكلفة المنخفضة ، حياة دورة طويلة. الهواء/السائل يبرد في الرفوف أو الحاويات.
- الأجهزة الطبية - أجهزة طبية قابلة للزرع ويمكن ارتداؤها. هناك حاجة إلى بطاريات مضغوطة وآمنة ودائمة للغاية. تصل الخلايا المرنة Ultrathin إلى 100 ميكرون.
توضح هذه النظرة العامة المجموعة الواسعة من تصاميم حزمة بطارية الليثيوم أيون مصممة لتلبية متطلبات التطبيق المختلفة إلى حد كبير عبر الصناعات.
سلامة بطارية الليثيوم أيون
يتطلب العمل باستخدام بطاريات الليثيوم أيون احتياطات السلامة المناسبة. على الرغم من أنها آمنة بشكل عام إذا تم تصميمها والتعامل معها بشكل صحيح، إلا أن الخلايا المعيبة أو التالفة يمكن أن تسخن وتشتعل بسرعة. تشمل المخاطر الرئيسية ما يلي:
- ماس كهربائى خارجي – يؤدي بسرعة إلى ارتفاع التيار والتدفئة.
- ماس كهربائى داخلي – الناجمة عن تلف الخلايا. أخطر وضع الفشل.
- الهروب الحراري – التسخين الذاتي حتى فتحات الخلية أو الحروق. يمكن أن تنتشر بين الخلايا.
- فاحش – يؤدي تجاوز جهد الخلية إلى انهيار المنحل بالكهرباء.
- سحق/تأثير – يسحق الفاصل مما يسمح بقصر الدائرة الداخلية.
- تجميع غير صحيح – المكونات السائبة ونقاط المقاومة العالية تولد حرارة موضعية.
تم تصميم نظام إدارة المباني (BMS) ودوائر الحماية الأخرى لتقليل هذه المخاطر أثناء التشغيل العادي والأخطاء. ومع ذلك، يجب على العمال اتخاذ الاحتياطات اللازمة عند نقل مجموعات بطاريات الليثيوم أيون أو تركيبها أو صيانتها أو التخلص منها:
- ارتداء معدات الوقاية الشخصية المناسبة – حماية العين، والقفازات، والملابس المقاومة للهب. تجنب المجوهرات المعدنية.
- استخدم الأدوات المعزولة المخصصة للاستخدام على حزم البطاريات النشطة.
- تجنب محطات الدائرة القصيرة أو قضبان الحافلات.
- التقيد الصارم بها شحن ولوائح التعامل مع بطاريات الليثيوم.
- قم بتفريغ البطاريات المستهلكة لتوفير الجهد قبل التخلص منها.
- قم بتخزينه وشحنه على الأسطح غير القابلة للاشتعال بعيدًا عن المواد القابلة للاحتراق.
- احتفظ بمطفأة في متناول اليد في حالة حدوث حريق طارئ.
يعد اتباع إرشادات أفضل الممارسات للتعامل الآمن أمرًا ضروريًا عند العمل مع مجموعات بطاريات الليثيوم أيون.
خاتمة
تحتوي حزم بطارية الليثيوم أيون على العديد من المكونات ، بما في ذلك الخلايا ، وإلكترونيات BMS ، والإدارة الحرارية ، وتصميم العلبة. يجب على المهندسين موازنة التكلفة والأداء والسلامة والتصنيع عند تصميم حزم البطارية.
ستمكن تحسينات التكنولوجيا المستمرة من حزم الليثيوم أيون أكثر أمانًا وأرخص وأصغر وأكثر قوة. يجب على الشركات البقاء على اطلاع على أحدث التطورات لتظل قادرة على المنافسة.
مقالات ذات صلة:
