Komponenten des Lithium-Ionen-Akkupacks: Ein vollständiger Leitfaden für OEM-Käufer

A Lithium-Ionen-Akku ist mehr als eine Gruppe von Zellen. Es handelt sich um ein technisches System, das elektrochemische Zellen, ein Batteriemanagementsystem, elektrische Verbindungen, Schutzgeräte, ein Gehäuse, Wärmemanagement, Anschlüsse und Kommunikationshardware kombiniert.

Jede Komponente beeinflusst die Sicherheit, die nutzbare Kapazität, die Lebensdauer, die Herstellbarkeit und die Kosten der Packung. Bei einem OEM-Projekt führt die Auswahl der Zellen zuerst und die Behandlung der anderen Teile als Add-Ons häufig zu Neukonstruktionen, Verzögerungen oder Leistungsproblemen.

In diesem Leitfaden werden die wichtigsten Komponenten des Lithium-Ionen-Akkupacks erläutert, was die einzelnen Komponenten bewirken und welche Informationen Sie angeben sollten, wenn Sie einen maßgeschneiderten Akkupack anfordern.

Was sind die Hauptkomponenten eines Lithium-Ionen-Akkus?

Die meisten kundenspezifischen Lithium-Ionen-Akkus enthalten die folgenden Komponentengruppen:

• Lithium-Ionen-Zellen: Elektrische Energie speichern und abgeben.
• Batteriemanagementsystem: Überwacht die Zellen und steuert Schutz, Ausgleich und Kommunikation.
• Sammelschienen und Verbindungen: Leiten Sie Strom zwischen Zellen und Packanschlüssen.
• Sicherungen, Schütze und Vorladeschaltungen: Steuern und isolieren Sie die Stromversorgung während des Normalbetriebs und bei Störungen.
• Gehäuse und mechanische Halterungen: Schützen und positionieren Sie die internen Komponenten.
• Wärmemanagement: Hält die Zelltemperatur innerhalb des vorgesehenen Betriebsbereichs.
• Verkabelung, Anschlüsse, Sensoren und Kommunikationsschnittstellen: Schließen Sie das Paket an das Gerät, das Ladegerät, den Wechselrichter oder das Steuerungssystem an.

Die genaue Kombination hängt von der Spannung, dem Strom, den Abmessungen, der Betriebsumgebung, der Anwendung und der Produktionsmenge des Pakets ab.

Lithium-Ionen-Zellen: Der Energiespeicherkern

Die Zelle ist die grundlegende elektrochemische Einheit eines Batteriesatzes. Zellen sind verbunden in Serie um die Spannung zu erhöhen und parallel dazu die Kapazität und Stromfähigkeit zu erhöhen.

Die Zellauswahl beginnt normalerweise mit fünf Fragen:

1. Welche Nennspannung und Energie benötigt das Gerät?
2. Wie hoch sind die Dauer- und Spitzenentladeströme?
3. Wie viel Platz und Gewicht stehen zur Verfügung?
4. Welchen Temperaturen wird die Batterie ausgesetzt sein?
5. Welche Anforderungen an Lebensdauer, Sicherheit und Zertifizierung gelten?

Zellformate

Lithium-Ionen-Zellen sind üblicherweise in zylindrischen, prismatischen und Beutelformaten erhältlich. Jedes Format hat unterschiedliche Kompromisse in Bezug auf Beschaffung, Verpackungsdichte und mechanische Unterstützung:

• Zylindrische Zellen (z. B. 18650, 21700, 4680): Verwenden Sie eine Metalldose und sind in standardisierten Größen erhältlich. Sie können die Beschaffung und den Austausch vereinfachen, ein Paket erfordert jedoch möglicherweise mehr Verbindungen und mechanische Zellhalter.
• Prismatische Zellen: Verwenden Sie ein starres rechteckiges Gehäuse und nutzen Sie den Gehäuseraum effizient. Sie werden häufig in größeren Energiespeichern und Industrieanlagen eingesetzt.
• Pouchzellen: Verwenden Sie ein flexibles laminiertes Gehäuse, das eine gute Verpackungsflexibilität bietet. Sie erfordern sorgfältige Kompression, mechanische Unterstützung und Schutz vor Feuchtigkeit und Stößen.

Batteriemanagementsystem (BMS)

Das Batteriemanagementsystem ist die Kontroll- und Schutzschicht eines Lithium-Ionen-Akkus. Es überwacht den Zellen- und Packzustand, trifft Schutzentscheidungen und übermittelt den Batteriestatus an die Ausrüstung oder das Ladegerät.

Je nach Paket kann ein BMS Folgendes bieten:

• Überwachung der Zellspannung
• Packstrommessung
• Überwachung der Zell- und Packtemperatur
• Überladungs- und Tiefentladungsschutz
• Überstrom- und Kurzschlussschutz
• Passiver oder aktiver Zellausgleich
• Ladezustand und Gesundheitszustandsschätzung
• Lade- und Entladekontrolle
• CAN, RS485, UART oder andere Kommunikationsschnittstellen
• Fehlerprotokollierung und Servicediagnose

Das BMS muss mit der Zellchemie, der Zellenanzahl, der Ladespannung, den Stromgrenzen, dem Temperaturbereich, dem Ladegerät und dem Kommunikationsprotokoll übereinstimmen. Ein BMS, das für eine bestimmte Chemie- oder Spannungskonfiguration entwickelt wurde, sollte ohne technische Prüfung nicht in einem anderen Paket wiederverwendet werden.

Was eigentlich ein gutes BMS von einem schwachen unterscheidet

In den meisten BMS-Datenblättern ist derselbe Funktionsumfang aufgeführt, daher sagt die Funktionsliste allein nicht viel über die Qualität aus. Die entscheidenden Unterschiede zeigen sich normalerweise auf der Komponenten- und Testebene und nicht in den Schlagzeilen des Datenblatts:

• Komponentenauswahl: Die MOSFET-Marke (z. B. etablierte Lieferanten wie AOS oder Infineon im Vergleich zu nicht spezifizierten generischen Teilen) und die Toleranz des Messwiderstands wirken sich auf die Langzeitschutzgenauigkeit und thermische Zuverlässigkeit bei wiederholten Zyklen aus.
• Verifizierter Test: Dokumentierte Kurzschluss-Unterbrechungstestberichte und eine Validierung der Hochtemperatur-Zykluslebensdauer zeigen, dass die Schutzschwellenwerte tatsächlich unter Fehlerbedingungen bestätigt und nicht nur auf dem Papier angegeben wurden.
• Schutzarchitektur: Das Vorhandensein eines sekundären, unabhängigen Schutzpfads zusätzlich zum primären BMS und ob der Ausgleich aktiv oder passiv ist, wirkt sich darauf aus, wie sich das Paket verhält, wenn der primäre Controller ausfällt oder verzögert.

Wenn Sie das BMS eines Herstellers bewerten, fragen Sie nach der Stückliste der wichtigsten Schutzkomponenten und allen verfügbaren Testberichten, anstatt sich nur auf die Funktionsliste zu verlassen.

Weitere Einzelheiten finden Sie in unserem Leitfaden zuBatteriemanagementsysteme.

Sammelschienen, Verbindungen und passive Komponenten

Verbindungen transportieren Strom zwischen Zellen und den externen Anschlüssen. Sie müssen für den erwarteten Strom, Temperaturanstieg, mechanische Beanspruchung und Herstellungsmethode dimensioniert sein.

Sammelschienen

Sammelschienen bestehen normalerweise aus Kupfer, Aluminium oder plattiertem Metall. Ihr Querschnitt, ihre Länge, ihre Anschlussart und ihre Isolierung beeinflussen den Widerstand, die Wärmeentwicklung, den Spannungsabfall und das elektromagnetische Verhalten.

Zellverbindungen

Zylindrische Zellen können Nickelstreifen, Kupferkomponenten oder geschweißte Stromschienen verwenden. Prismatische und Pouch-Zellen können verschraubte, geschweißte oder laminierte Verbindungen verwenden. Widerstandsschweißen, Laserschweißen und Ultraschallschweißen werden entsprechend den Zellanschlüssen, dem Strom, dem Produktionsvolumen und den Qualitätsanforderungen ausgewählt.

Sicherungen, Schütze und Vorladeschaltungen

Sicherungen schützen vor zu hohem Strom. Schütze ermöglichen es dem Pack, die Last oder das Ladegerät unter definierten Bedingungen zu trennen. Eine Vorladeschaltung kann den Einschaltstrom begrenzen, wenn die Batterie an Geräte mit großen Eingangskondensatoren angeschlossen ist.

Diese Teile sollten als Teil der elektrischen Architektur ausgewählt und nicht nach Fertigstellung des Zellenlayouts hinzugefügt werden.

Batteriegehäuse und mechanisches Design

Das Gehäuse schützt die Zellen und die Elektronik vor Stößen, Vibrationen, Staub, Feuchtigkeit und versehentlichem Kontakt. Es stellt auch die Montageschnittstelle zwischen der Batterie und der Ausrüstung des Kunden dar.

Eine Packungsbeilage muss möglicherweise Folgendes bereitstellen:

• Strukturelle Unterstützung für Zellen und interne Komponenten
• Elektrische Isolierung um Klemmen und Sammelschienen
• Befestigungspunkte und Servicezugang
• Schutz vor Staub- und Wassereintritt
• Widerstandsfähigkeit gegen Vibrationen, Stöße und Stöße
• Platz für Anschlüsse, Sensoren, Sicherungen und das BMS
• Ein definierter Wärmepfad von den Zellen zur Kühlstruktur

Aluminium kann eine gute Wärmeleitfähigkeit und strukturelle Festigkeit bieten. Technische Kunststoffe können das Gewicht reduzieren und komplexe Formen unterstützen. Das beste Material hängt von der erforderlichen Festigkeit, Wärmeableitung, Korrosionsbeständigkeit, IP-Schutzart, Kosten und Produktionsprozess ab.

Komponenten für das Wärmemanagement

Die Zelltemperatur beeinflusst die Leistungsabgabe, das Ladeverhalten, die Effizienz, die Alterung und die Sicherheit. Das Wärmemanagement ist daher Teil der Batteriearchitektur und kein kosmetisches Gehäusemerkmal.

Abhängig von der Wärmebelastung und der Betriebsumgebung kann ein Akku Folgendes verwenden:

• Natürliche Konvektion und konduktive Wärmeverteilung
• Zwangsluftkühlung mit Ventilatoren und Kanälen
• Wärmeleitpads oder Lückenfüller
• Flüssigkeitskühlplatten oder -kanäle
• Widerstandsheizung zum Laden bei kaltem Wetter
• An das BMS angeschlossene Temperatursensoren

Bei der Konstruktion sollten der Worst-Case-Entladestrom, der Ladestrom, die Umgebungstemperatur, der Installationsluftstrom und der zulässige Zelltemperaturbereich berücksichtigt werden. Ein BMS kann Temperaturbedingungen erkennen, aber es kann kein Gehäuse kompensieren, das nicht genügend Wärme abführen oder zuführen kann.

Verkabelung, Anschlüsse und Kommunikationsschnittstellen

Verkabelung und Anschlüsse bestimmen, wie die Batterie an das Ladegerät, den Wechselrichter, die Motorsteuerung oder das Host-Gerät angeschlossen wird. Sie wirken sich auch auf die Montagezeit, die Wartungsfreundlichkeit, die Wasserbeständigkeit und die elektrische Sicherheit aus.

Definieren Sie bei der Angabe dieser Komponenten Folgendes:

• Dauer- und Spitzenstrom
• Spannungs- und Isolationsanforderungen
• Steckverbindertyp und Steckzyklusanforderung
• Kabellänge, Stärke, Biegeradius und Verlegung
• Schutz vor Eindringen und Umwelteinflüssen
• Kommunikationsprotokoll, Baudrate, Nachrichtenformat und Terminierung

CAN und RS485 sind gängige Optionen für industrielle und fahrzeugbezogene Batteriesysteme. Die Kommunikationsschnittstelle sollte zusammen mit dem Geräteprotokoll definiert werden und nicht nur ausgewählt werden, weil sie in der Branche üblich ist.

Prüf- und Qualitätskontrollkomponenten

Das Testen ist Teil des Batteriepack-Designs. Ein zuverlässiger Hersteller sollte festlegen, wie Zellen, Unterbaugruppen und fertige Packungen geprüft und getestet werden.

Typische Kontrollen können sein:

• Überprüfung der Kapazität, Spannung und des Innenwiderstands eingehender Zellen
• Zellabgleich und Konsistenzprüfungen
• Prüfung der Schweißnahtfestigkeit und des elektrischen Widerstands
• Gegebenenfalls Isolations- und Hochspannungsprüfungen
• BMS-Schutz- und Kommunikationstests
• Lade- und Entladeleistungstests
• Temperatursensor- und Wärmeschutztests
• Bei Bedarf Vibrations-, Fall-, Dichtungs- oder Umwelttests

Zertifizierungs- und Transportanforderungen hängen von der Anwendung und dem Zielmarkt ab. Zu den gängigen Referenzen gehören:UND 38.3 für den Transport und UL- oder IEC-Normen für die Produktsicherheit. Sie sollten frühzeitig erkannt werden, da sie sich auf die Zellauswahl, das Gehäusedesign, die Kennzeichnung, die Dokumentation und die Produktionstests auswirken können.

Wie arbeiten diese Komponenten zusammen?

Die Komponenten sind voneinander abhängig. Beispielsweise kann eine Erhöhung des Entladestroms größere Zellen, dickere Sammelschienen, Anschlüsse mit höherer Nennleistung, eine andere Sicherung, ein besseres Wärmemanagement und ein BMS mit einem höheren Nennstrom erfordern.

Die Reduzierung der Gehäusegröße erfordert möglicherweise ein anderes Zellenformat, ein engeres thermisches Design, kundenspezifische Anschlüsse und einen überarbeiteten Montageprozess. Das Hinzufügen von CAN-Kommunikation kann Auswirkungen auf das BMS, den Kabelbaum, die Firmware, Tests und die Geräteintegration haben.

Aus diesem Grund a maßgeschneiderter Akku sollte als komplettes System konstruiert werden und nicht aus einer Liste unabhängiger Teile zusammengestellt werden.

Anwendungen und Sicherheitsüberlegungen

Dieselben Kernkomponenten tauchen in sehr unterschiedlichen Anwendungen auf, von Elektrofahrzeugen und E-Mobilität bis hin zu Unterhaltungselektronik, stationärer Energiespeicherung und medizinischen Geräten, aber die Designprioritäten ändern sich mit jedem einzelnen. Ein EV-Paket ist auf hohen Strom und eine lange Lebensdauer mit Flüssigkeitskühlung ausgelegt, während ein Paket für Unterhaltungselektronik auf niedrige Kosten und eine kompakte Größe mit einfacherer Luftkühlung ausgelegt ist.

Für alle Anwendungen müssen die gleichen Fehlermodi entwickelt werden: externe und interne Kurzschlüsse, thermisches Durchgehen, Überladung und mechanische Schäden wie Quetschungen oder Stöße. Das BMS, die Sicherungen, die Schütze und das Gehäuse arbeiten zusammen, um diese Risiken zu reduzieren, können jedoch die richtige Zellenauswahl und das mechanische Design von Anfang an nicht vollständig ersetzen. Sehen Sie sich unseren Leitfaden anthermisches Durchgehen für einen genaueren Blick auf diesen Fehlermodus.

Was sollten OEM-Käufer einem Batteriehersteller bieten?

Ein Hersteller kann die richtigen Komponenten effizienter empfehlen, wenn die anfängliche Spezifikation Folgendes umfasst:

• Nennspannung und Spannungsgrenzen
• Erforderliche Kapazität oder Laufzeit
• Dauer- und Spitzenentladestrom
• Ladespannung, Strom und Ladegerättyp
• Maximale Abmessungen und Gewicht
• Anforderungen an Stecker, Kabel und Montage
• Betriebs-, Lade- und Lagertemperaturen
• Kommunikationsprotokoll und Datenanforderungen
• Anforderungen an Schutzart, Vibration und Umgebungsbedingungen
• Lebensdauer, Zertifizierung, Prototyp, Mindestbestellmenge und Produktionsziele

Informationen zur Lieferantenbewertung finden Sie in unserem Leitfaden unterSo wählen Sie den besten Hersteller von Lithiumbatterien aus.

Häufig gestellte Fragen

Should I select the cells or the BMS first?

Definieren Sie zunächst die elektrischen Anforderungen (Spannung, Kapazität, Strom und Temperaturbereich) und wählen Sie dann die Zellchemie und das Format aus. Das BMS wird entsprechend der Zellkonfiguration ausgewählt oder entworfen, nicht umgekehrt. Die Auswahl eines BMS vor der Fertigstellung der Zellen erfordert häufig eine Neugestaltung.

Was ist ein typisches MOQ für einen kundenspezifischen Lithium-Ionen-Akku?

MOQ hängt vom Zellformat, den Gehäusewerkzeugen und der BMS-Anpassung ab. Batteriepacks, die aus Standardzellen und einem konfigurierbaren BMS bestehen, können manchmal mit geringen Prototypenmengen beginnen, während Packs, die kundenspezifische Werkzeuge oder ein vollständig kundenspezifisches BMS erfordern, normalerweise einen höheren Produktionsaufwand erfordern. Teilen Sie Ihr Zielvolumen frühzeitig mit, damit der Hersteller den richtigen Ansatz empfehlen kann.

Kann ein bestehendes BMS-Design mit einer anderen Zellchemie oder Spannung wiederverwendet werden?

Nicht ohne technische Überprüfung. Ein BMS ist für eine bestimmte Zellchemie, Zellanzahl, ein bestimmtes Spannungsfenster und einen bestimmten Strombereich konfiguriert. Die Wiederverwendung eines BMS außerhalb seiner vorgesehenen Parameter kann zu ungenauen Schutzschwellenwerten oder einem unzuverlässigen Ausgleich führen.

Welche Zertifizierungen benötigt ein maßgeschneiderter Akku?

Die Anforderungen hängen von der Anwendung und dem Zielmarkt ab. Zu den gängigen Referenzen gehören UN 38.3 für Transport und UL- oder IEC-Normen für Produktsicherheit. Die Zertifizierungsanforderungen sollten vor der endgültigen Zellenauswahl und dem Gehäusedesign definiert werden, da beides Auswirkungen auf die Testergebnisse haben kann.

Wie lange dauert es, ein individuelles Angebot für einen Akku zu erhalten?

Ein Hersteller kann in der Regel innerhalb von 1 bis 2 Werktagen eine erste Empfehlung abgeben, sobald Spannung, Kapazität, Strom, Abmessungen, Betriebsumgebung und Produktionsmenge angegeben sind.

Abschluss

Die Komponenten des Lithium-Ionen-Akkupacks funktionieren als ein System. Zellen liefern die Energie, das BMS steuert und schützt den Akku, Verbindungen führen Strom, das Gehäuse sorgt für mechanischen Schutz, thermische Komponenten verwalten die Wärme und Anschlüsse und Kommunikationsschnittstellen integrieren die Batterie in die Ausrüstung.

Die beste Komponentenauswahl hängt von der Anwendung und nicht nur von einer Spezifikation ab. Ein erfolgreiches Design bringt Spannung, Kapazität, Strom, Größe, Sicherheit, Lebensdauer, Herstellbarkeit, Zertifizierung und Gesamtbetriebskosten in Einklang.

Wenn Sie einen kundenspezifischen Lithium-Ionen-Akku entwickeln, teilen Sie uns Ihre elektrischen, mechanischen, umweltbezogenen und Produktionsanforderungen mit. Unsere Ingenieure können eine praktische Komponentenarchitektur empfehlen und innerhalb von 1-2 Werktagen eine erste Lösung bereitstellen.