Nøgle takeaway:
- Lithium-ion-batteripakker er komplekse samlinger, der inkluderer celler, et batteristyringssystem (BMS), passive komponenter, et kabinet og et termisk styringssystem. De driver en lang række applikationer, fra forbrugerelektronik til elektriske køretøjer og kræver omhyggelig teknik for at sikre sikkerhed, effektivitet og pålidelighed.
EN lithium-ion batteri Pack er en samling af lithium-ion-celler, et batteristyringssystem og forskellige understøttende komponenter, der alle er indeholdt i en kabinet. Det giver genopladelig energilagring og strøm til utallige forbrugerelektronik, elektriske køretøjer, gitteropbevaringssystemer og andre industrielle applikationer.
Mens lithium-ion-celler tilvejebringer den grundlæggende elektriske kapacitet, er de andre integrerede komponenter lige så kritiske for at muliggøre sikker, effektiv og pålidelig funktionalitet. I denne vejledning kigger vi nærmere på de tekniske aspekter af hver kerne lithium-ion-batteripakkekomponent.
Nøglekomponenter Oversigt
Lithium-ion-batteripakker inkluderer følgende hovedkomponenter:
- Lithium-ion-celler – Den grundlæggende elektrokemiske enhed, der giver elektrisk opbevaringskapacitet. Flere celler kombineres for at opnå den ønskede spænding og kapacitet.
- Batteristyringssystem (BMS) – "Hjernen" overvåger cellebetingelser og kontrollerer sikkerhed og ydeevne.
- Passive komponenter – Giv struktur, sammenkobling, isolering og afkøling.
- Indkapsling – Huse og beskytter alle interne komponenter.
- Termisk styringssystem – Opretholder optimale celletemperaturer til drift.
- Yderligere elektronik – Tilføjede funktioner Forbedring af funktionalitet og integration.
Dernæst udforsker vi hver af disse komponenter i større tekniske detaljer.
Lithium-ion-celler: Den elektrokemiske strømkilde
Lithium-ion-celler anvender lithiumion-interkalationskemi til reversibelt at opbevare elektrisk energi elektrokemisk. Inden for cellen, positivt ladede lithiumioner skytter mellem en grafitanode og lithieret metaloxidkatode som celleopladninger og udledninger. En organisk elektrolyt tillader iontransport, mens en porøs separator forhindrer elektrisk kontakt mellem elektroder.
Celler findes i forskellige standardstørrelser og formfaktorer:
- Cylindrisk (f.eks. 18650, 21700, 4680): spiralt sårelektrode/separatorlag i en cylindrisk metal dåse. Højere effektdensitet, men lavere energitæthed sammenlignet med poseceller. Almindelige formater:
- 18650 – 18 mm diameter, 65 mm højde, typisk kapacitet på 1,5–3AH
- 21700 – 21 mm diameter, 70 mm højde, op til 5Ah kapacitet
- 4680 – 46 mm diameter, 80 mm højde, 10-50AH kapacitet
- Prismatisk – Vekslende katode, anode og separatorlag stablet og foldet i et prismatisk aluminiumsboliger. Maksimerer volumetrisk energitæthed, men lavere effekttæthed. Almindelige formater:
- 10AH og 30AH kapaciteter ved lave C-rater
- Dimensioner omkring 100 x 200 x 10 mm
- Pose – Elektroder og separator forseglet i en metalliseret plastikaminatpose. Også kendt som polymerceller. Fleksibel og let. Omkostningseffektivt, men mindre holdbart hus. Typiske kapacitetsvurderinger fra 1Ah til over 300Ah.
Lithium-ion-celler anvender også forskellige katodekemik, hvilket påvirker spænding, kapacitet og sikkerhed:
- Lithium Cobaltoxid (LCO) - 3,6V nominel spænding, høj energitæthed, men sikkerhedsmæssige bekymringer ved forhøjede temperaturer
- Lithium Manganoxid (LMO) - 3,7V, sikrere og længere cyklusliv, men lavere kapacitet
- Lithiumjernphosphat (LFP) – 3.2V, meget sikker og holdbar, men lavere energitæthed
- Lithium Nickel Mangane Cobaltoxid (NMC) – 3.6/3.7V, høj kapacitet og energitæthed, men mere kompleks fremstilling
- Lithium Nickel Cobalt Aluminium (NCA) - 3,6V, høj kapacitet og strømtæthed, men kortere batterilevetid
Når man vælger celler, vurderer ingeniører parametre som nominel spænding, kapacitet, C-rate, cyklusliv, formfaktor, sikkerhed, omkostninger og tilgængelighed for at imødekomme applikationskrav. NMC- og NCA -kemikalier med høj kapacitet er blevet almindelige til høje præstationsapplikationer.
Batteristyringssystem (BMS)
Det batteristyringssystem Tjener som "hjerne", der kontrollerer den samlede betjening af batteripakken. BMS overvåger celleforhold, kontrollerer sikkerhedsmekanismer, balancerer celler og leverer kommunikationsgrænseflader. Kompleksiteten af BMS afhænger af pakkestørrelse og funktionalitet. Lille forbruger BMS kan bare omfatte:
- Overvågning af cellespændinger og temperaturer
- Forebyggelse af overopladning og overudladning
- Afbalancering af cellespændinger
Mens stor EV -trækkraftpakke BMS giver omfattende funktionalitet:
- Overvågning af høj nøjagtighed af spænding (± 15 mV), strøm (± 1-2%) og temperatur (± 1 ° C) for hver celle
- Aktiv celleafbalancering via shunting eller multi-winding transformere
- Kontrol af kontaktorer og sikringer til elektrisk isolering
- Kompleks ladningstilstand og sundhedsestimeringsalgoritmer
- Termisk styring via kølesystemkontrol
- Højhastighedskritisk fejldetektion – Åben/kortslutning, overtemperatur
- Hundredvis af sensorindgange og kontroloutput
- Køretøjskommunikationsgrænseflader – Can, Lin, Flexray, Automotive Ethernet
- Sikker godkendelse, manipulationsbeskyttelse, firmwareopdateringer over luften
- Detaljeret datalogning for diagnostik og cyklusoptælling
kilde: ResearchGate
BMS -hardware består typisk af sensorgrænseflade ICS, ADC'er, mikrokontrollere og strømstyringskredsløb monteret på et trykt kredsløbskort. Højspændingsisolering og robuste forbindelser er kritiske for sikkerhed og pålidelighed.
Passive komponenter
Foruden celler og BMS inkluderer lithium-ion-batteripakker forskellige passive komponenter:
- Busbjælker - Tilvejebragte forbindelser med lav modstand mellem celler og terminaler. Krævet høj strømkapacitet – Op til 1000A i EV -pakker. Kobber- eller aluminiumsbusstænger kan være nakne, udpladede eller belagte. Busbar -design minimerer induktansen, mens det opretholdes isolering.
- Termisk grænseflademateriale – Bruges mellem celler og indkapslingsvægge eller kølekanaler. Silikoneelastomerer, termisk ledende bånd og spaltefyldningspuder maksimerer varmeoverførslen. Faseændringsmaterialer tilbyder høj termisk kapacitans.
- Klæbemidler og bånd - giver elektrisk isolering og vibrationsmodstand. Materialer inkluderer polyurethan, akryl klæbemidler og silikone. Dobbeltsidede termisk ledende bånd er almindelige. Streng UL94 V-0-brandabilitetsvurdering.
- Sikringer og kontaktorer - beskytter mod overstrømsfejl. Tillad også sikker elektrisk isolering. Højspænding og nuværende ratings kræves. Sikringer kan integreres i BMS. Pre-Charge Circuits grænse for indstrøm.
- Celleforbindelser - Deltag i celleterminaler i serie. Skal håndtere høj strømtæthed. Ultrasonisk, laser og modstandssvejsning anvendt.
Omhyggelig valg af disse passive komponenter sikrer elektrisk, termisk og mekanisk integritet af batteripakken under krævende forhold.
Batteripakkeindkapsling
Batteripakkens kabinet eller boliger leverer:
- Beskyttelse – Shields -celler fra mekanisk misbrug, påvirkning, støv, væsker. Tillader kun ordentlige elektriske forbindelser. Tilvejebringer IP -vurdering baseret på anvendelse.
- Strukturel støtte – Tilvejebringer krævet stivhed til cellestabling og montering. Grænseflader med applikationsramme og parenteser.
- Kølekanaler – Tillader luftstrøm eller væskekølevæskcirkulation på tværs af celler og BMS. Kan omfatte integrerede kølefinner.
- Isolering – Isolerer elektrisk højspændingskomponenter som busstænger og terminaler.
- Miljøforsegling - forhindrer fugtindtrængning. Nødvendigt for lithium-ion-kemik.
Almindelige indkapslingsmaterialer inkluderer metaller som aluminium til fremragende termiske egenskaber og konstruerede plastblandinger til lettere vægt og korrosionsbestandighed. Metalliserede og carbonfiberforstærket plast giver strukturel stivhed og afskærmning.
Kabinetter har ofte aftagelige adgangspaneler til service og modulær pakkedesign til installationsfleksibilitet. Strukturelle klæbemidler, pakninger og isolerende membraner holder komponenterne sikkert monteret og isoleret.
Termisk styringssystem
Opretholdelse af korrekte celletemperaturer er afgørende for sikker og optimal ydelse af lithium-ion-batteripakker. Selvom lithium-ion-celler fungerer godt omkring 15-35 ° C, forringer drift uden for dette interval ydeevne og levetid:
- Udledningskapacitet falder under frysning. Intern modstand øges.
- Over ~ 50 ° C falder hurtig kapacitet og aldring forekommer.
- Over ~ 60 ° C er risikoen for termisk løbsk eskaleret.
Således skal det termiske styringssystem afkøle celler under drift og opvarme dem, når de er statiske under kolde omgivelsesforhold. Typiske kølemetoder inkluderer:
- Passiv luft – Afkøling via finner og kanaler. Brugt i mindre pakker med lavere varmeudgang.
- Tvungen luft – Axial- eller centrifugalfans forbedrer luftstrømningshastigheden og varmeoverførsel. Kanaler optimerer flowfordelingen.
- Væskekøling – Jakker, plader eller mikrokanaler cirkulation En vand/glycolblanding eller dielektrisk væske. Meget effektiv til pakker med høj effekt >5 kW.
- Faseændringsmaterialer – Vokslignende materialer, der absorberer varme, når de smelter. Bruges i indhegninger eller som termiske puder.
- Termoelektrisk - Peltier -enheder genererer en temperaturforskel, når den drives. Kompakt faststofkøling.
Opvarmning er også kritisk for kold klimaoperation. Opvarmningsmetoder inkluderer:
- Elektriske varmeapparater – Modstandsmæssige varmeapparater, der er knyttet til pakkeindkapsling.
- Varmepumper – Omvendt termoelektriske enheder eller kompakte kølemiddelsløjfer.
- Spild varme – Indfangning af resistive tab ved opladning og afladning.
BMS overvåger celletemperaturer og kontrollerer afkøling eller opvarmning i overensstemmelse hermed baseret på proprietære kontrolalgoritmer. Store batteripakker kan opdele i termiske zoner med uafhængig temperaturregulering.
Yderligere komponenter
Afhængig af omkostninger, formfaktor og applikationskrav kan lithium-ion-batteripakker omfatte yderligere komponenter:
- Vågn op kredsløb – Vågner sovende BM'er, når opladning/udladning begynder. Forbedrer standbystrømmen.
- Cellebalancering kredsløb – Aktiv afbalancering giver mere præcision end passiv afbalancering alene. Kræver ekstra kompleksitet.
- Precharge Circuit – Grænser INRUSH STRUPT, når du forbinder pakke. Bruger modstande eller aktiv skift. Beskytter BMS og kontaktorer.
- Oplader – On-board opladningskontrolelektronik til DC hurtig opladning. Fjerner behovet for en ekstern oplader.
- Kommunikation – Ud over en grundlæggende BMS -grænseflade kan pakker omfatte trådløse moduler eller Power Line Communication (PLC) til fjernbetjening og diagnostik.
- Varmeapparater – Sørg for kontrolleret opvarmning til driften af koldt vejr. Hjælp med at opnå optimale celletemperaturer.
- Cellekontakt – Kontakter grupper af celler til/fra til termisk styring og afbalancering. Kræver mange tilføjede switches og kompleks kontrollogik.
- Status LED'er – Angiv visuelt grundlæggende pakkestatus til brugeren – Opladning, fejl, standby osv.
Lithium-ion batteripakke applikationer
Nu hvor vi har udforsket de interne komponenter, lad os undersøge, hvordan lithium-ion-batteripakker anvendes i større industrier og applikationer:
- Elektriske køretøjer - Giv fremdrivningseffekt til fuldt elektriske og hybridkøretøjer. Kræv meget høj kapacitet (50-100kwh), strømtæthed, sikkerhed og cyklusliv. Komplekse væske afkølede design.
- Forbrugerelektronik - mobiltelefoner, bærbare computere, elværktøj og andre bærbare enheder. Fokus på omkostninger, kompakt størrelse og letvægt. Luftkølet pose eller prismatiske celler i plastikkapslinger. 1-100wh kapacitetsområde.
- Aerospace - Brugt i fly til nødsituation og til at starte motorer. Holdbare design modstår vibrationer. Sikkerhed og pålidelighed er kritisk.
- Stationær opbevaring-GRID Energy Storage, Backup Power, Off-Grid Solar/Wind Systems. Fokus på lave omkostninger, lang cyklusliv. Luft/væske afkølet i stativer eller containere.
- Medicinsk udstyr - implanterbart og bærbart medicinsk udstyr. Der kræves meget kompakte, sikre og holdbare batterier. Ultrathin fleksible celler ned til 100 mikron tykke.
Denne oversigt illustrerer det brede udvalg af lithium-ion-batteripakkedesign, der er skræddersyet til at imødekomme meget forskellige applikationskrav på tværs af brancher.
Lithium-ion batterisikkerhed
Arbejde med lithium-ion-batteripakker kræver passende sikkerhedsforholdsregler. Selvom det generelt er sikre, hvis de er designet og håndteres korrekt, kan defekt eller beskadigede celler hurtigt overophedes og antænde. De vigtigste risici inkluderer:
- Ekstern kortslutning – fører hurtigt til høj strøm og opvarmning.
- Intern kortslutning – forårsaget af celleskade. Mest farlig fiasko -tilstand.
- Termisk løb – Selvopvarmning indtil cellehuller eller forbrændinger. Kan forplantes mellem celler.
- Overopladning – Cellespænding over grænser forårsager elektrolytopdeling.
- Knus/påvirkning – Knuser separator, der tillader intern kortslutning.
- Forkert samling – Løse komponenter og høje modstandspunkter genererer lokaliseret varme.
BMS og andre beskyttelseskredsløb er designet til at minimere disse risici under normal drift og fejl. Arbejdstagere skal dog tage forholdsregler, når de transporterer, installerer, betjener eller bortskaffer lithium-ion-batteripakker:
- Bær passende PPE – Øjenbeskyttelse, handsker, flammebestandigt tøj. Undgå metalliske smykker.
- Brug isolerede værktøjer, der er markeret til brug på live batteripakker.
- Undgå korte cirkulerende terminaler eller busstænger.
- Hold sig strengt til forsendelse og håndtering af regler for lithiumbatterier.
- Udladning brugte batterier for at spare spænding før bortskaffelse.
- Opbevares og lades på ikke -brændbare overflader væk fra forbrændingsler.
- Har et slukker til rådighed i tilfælde af en brands nødsituation.
Det er vigtigt at følge retningslinjer for bedste praksis for sikker håndtering, når man arbejder med lithium-ion-batteripakker.
Konklusion
Lithium-ion-batteripakker har mange komponenter, herunder celler, BMS-elektronik, termisk styring og indkapslingsdesign. Ingeniører skal afbalancere omkostninger, ydeevne, sikkerhed og fremstilling, når de designer batteripakker.
Fortsatte teknologiforbedringer vil muliggøre mere sikre, billigere, mindre og mere kraftfulde lithium-ion-pakker. Virksomheder skal holde sig ajour om de seneste fremskridt for at forblive konkurrencedygtige.
Relaterede artikler:
