À retenir :
- Les piles lithium-ion sont des assemblages complexes qui incluent des cellules, un système de gestion des batteries (BMS), des composants passifs, une enceinte et un système de gestion thermique. Ils alimentent une vaste gamme d'applications, de l'électronique grand public aux véhicules électriques, et nécessitent une ingénierie minutieuse pour assurer la sécurité, l'efficacité et la fiabilité.
UN batterie lithium-ion Le pack est un assemblage de cellules lithium-ion, un système de gestion de la batterie et divers composants de support contenus dans une enceinte. Il fournit un stockage d'énergie rechargeable et une alimentation pour d'innombrables électroniques grand public, des véhicules électriques, des systèmes de stockage de grille et d'autres applications industrielles.
Alors que les cellules lithium-ion fournissent la capacité électrique de base, les autres composants intégrés sont également essentiels pour permettre une fonctionnalité sûre, efficace et fiable. Dans ce guide, nous allons examiner de plus près les aspects techniques de chaque composant de batterie de lithium-ion de base.
Présentation des composants clés
Les packs de batteries au lithium-ion comprennent les composants principaux suivants:
- Cellules lithium-ion – L'unité électrochimique de base offrant une capacité de stockage électrique. Plusieurs cellules sont combinées pour atteindre la tension et la capacité souhaitées.
- Système de gestion de batterie (BMS) – Le «cerveau» de surveillance des conditions cellulaires et de contrôler la sécurité et les performances.
- Composants passifs – Fournir une structure, une interconnexion, une isolation et un refroidissement.
- Enceinte – Abrite et protège tous les composants internes.
- Système de gestion thermique – Maintient des températures cellulaires optimales pour le fonctionnement.
- Électronique supplémentaire – Ajout des fonctionnalités améliorant la fonctionnalité et l'intégration.
Ensuite, nous explorerons chacun de ces composants dans des détails techniques plus importants.
Cellules lithium-ion: la source électrochimique
Les cellules lithium-ion utilisent la chimie d'intercalation des ions au lithium pour stocker de manière réversible l'énergie électrique électrochimiquement. À l'intérieur de la cellule, les ions lithiums chargés positivement se nuisent entre une anode graphite et la cathode à oxyde métallique lithié comme les charges et les décharges de cellule. Un électrolyte organique permet le transport d'ions tandis qu'un séparateur poreux empêche le contact électrique entre les électrodes.
Les cellules sont disponibles dans diverses tailles standard et facteurs de forme:
- Cylindrique (par exemple 18650, 21700, 4680): couches d'électrode / séparateur enroulé en spirale dans une boîte métallique cylindrique. Densité de puissance plus élevée mais plus faible de la densité d'énergie par rapport aux cellules de la poche. Formats courants:
- 18650 – 18 mm de diamètre, 65 mm de hauteur, capacité typique de 1,5 à 3h
- 21700 – 21 mm de diamètre, 70 mm de hauteur, jusqu'à 5AH de capacité
- 4680 – 46 mm de diamètre, 80 mm de hauteur, 10-50h Capacité
- Prismatique – Les couches alternées de la cathode, de l'anode et du séparateur se sont empilées et se sont repliées dans un boîtier en aluminium prismatique. Maximise la densité d'énergie volumétrique mais une densité de puissance inférieure. Formats courants:
- 10h et 30h capacités à faibles taux C
- Dimensions autour de 100 x 200 x 10 mm
- Poche – Électrodes et séparateurs scellés dans une poche stratifiée en plastique métallisé. Également connu sous le nom de cellules polymères. Flexible et léger. Cadre rentable mais moins durable. Notes de capacité typiques de 1h à plus de 300h.
Les cellules lithium-ion utilisent également différentes chimies de cathode, impactant la tension, la capacité et la sécurité:
- Oxyde de cobalt au lithium (LCO) - Tension nominale de 3,6 V, densité d'énergie élevée mais préoccupations de sécurité à des températures élevées
- Oxyde de manganèse au lithium (LMO) - 3,7 V, durée de vie plus sûre et plus longue mais une capacité inférieure
- Phosphate de fer au lithium (LFP) – 3,2 V, très sûr et durable mais plus faible densité d'énergie
- Oxyde de cobalt de manganèse au nickel lithium (NMC) – 3,6 / 3,7 V, haute capacité et densité d'énergie mais fabrication plus complexe
- Lithium nickel cobalt aluminium (NCA) - 3,6 V, haute capacité et densité de puissance mais une durée de vie de la batterie plus courte
Lors de la sélection des cellules, les ingénieurs évaluent les paramètres tels que la tension nominale, la capacité, le taux C, la durée de vie du cycle, le facteur de forme, la sécurité, le coût et la disponibilité pour répondre aux exigences des applications. Les chimies NMC et NCA de grande capacité sont devenues courantes pour les applications à haute performance.
Système de gestion de batterie (BMS)
Le système de gestion de batterie sert de «cerveau» contrôlant le fonctionnement global de la batterie. Le BMS surveille les conditions cellulaires, contrôle les mécanismes de sécurité, équilibre les cellules et fournit des interfaces de communication. La complexité du BMS dépend de la taille et des fonctionnalités du pack. Les petits BMS grand public peuvent simplement inclure:
- Surveillance des tensions et des températures cellulaires
- Empêcher la surcharge et la décharge trop
- Équilibrer les tensions de cellules
Tandis que le grand pack de traction EV BMS offre une fonctionnalité étendue:
- Surveillance élevée de la tension (± 15 mV), courant (± 1 à 2%) et température (± 1 ° C) pour chaque cellule
- Équilibrage actif des cellules via des transformateurs de shunt ou de multi-airs
- Contrôlant les contacteurs et les fusibles pour l'isolement électrique
- État de charge complexe et algorithmes d'estimation de la santé
- Gestion thermique via le contrôle du système de refroidissement
- Détection de défaut critique à haute vitesse – Open / court-circuit, surincriture
- Des centaines d'entrées de capteur et de sorties de contrôle
- Interfaces de communication de véhicule – Can, lin, flexray, Ethernet automobile
- Authentification sécurisée, protection contre les sominurs, mises à jour du micrologiciel dans les airs
- Dogue de données détaillée pour les diagnostics et le comptage des cycles
source: Researchgate
Le matériel BMS se compose généralement d'interface de capteur ICS, d'ADC, de microcontrôleurs et de circuits de gestion de l'alimentation montés sur une carte de circuit imprimé. L'isolation à haute tension et les connexions robustes sont essentielles pour la sécurité et la fiabilité.
Composants passifs
En plus des cellules et du BMS, les piles lithium-ion comprennent divers composants passifs:
- Bars de bus - Fournissez des connexions à faible résistance entre les cellules et les terminaux. Capacité de courant élevée requise – Jusqu'à 1000A en packs EV. Les barres de bus en cuivre ou en aluminium peuvent être nues, plaquées ou enduites. La conception de la barre de bus minimise l'inductance tout en maintenant l'isolement.
- Matériau d'interface thermique – Utilisé entre les cellules et les murs de l'enceinte ou les canaux de refroidissement. Les élastomères en silicone, les bandes conductrices thermiquement et les coussinets de remplissage de l'espace maximisent le transfert de chaleur. Les matériaux à changement de phase offrent une capacité thermique élevée.
- Adhésifs et bandes - Fournissez une isolation électrique et une résistance aux vibrations. Les matériaux comprennent le polyuréthane, les adhésifs acryliques et le silicone. Les bandes conductrices thermiquement à double face sont courantes. Évaluation stricte de l'inflammabilité UL94 V-0.
- Fusibles et contacteurs - Protéger contre les défauts de surintensité. Autorisez également l'isolement électrique sûr. Notes à haute tension et à courant requises. Les fusibles peuvent être intégrés dans le BMS. Les circuits de pré-charge limitent le courant d'escrus.
- Interconnexions cellulaires - Rejoignez les bornes cellulaires en série. Doit gérer une densité de courant élevée. Soudage à ultrasons, au laser et à la résistance utilisés.
Une sélection minutieuse de ces composants passifs garantit l'intégrité électrique, thermique et mécanique de la batterie dans des conditions exigeantes.
Boîtier de batterie
Le boîtier ou le boîtier de la batterie fournit:
- Protection – Pouchure les cellules de l'abus mécanique, de l'impact, de la poussière, des fluides. Ne permet que des connexions électriques appropriées. Fournit une note IP en fonction de l'application.
- Soutien structurel – Fournit une rigidité requise pour l'empilement des cellules et le montage. Interfaces avec le cadre d'application et les supports.
- Canaux de refroidissement – Permet une circulation de refroidissement par flux d'air ou liquide à travers les cellules et le BMS. Peut inclure des ailettes de refroidissement intégrées.
- Isolation – Isole électriquement des composants haute tension comme les barres de bus et les terminaux.
- Scellant environnemental - Empêche l'ingération de l'humidité. Nécessaire pour les chimies lithium-ion.
Les matériaux de l'enceinte courants comprennent des métaux comme l'aluminium pour d'excellentes propriétés thermiques et des mélanges en plastique d'ingénierie pour un poids plus léger et une résistance à la corrosion. Les plastiques renforcés en fibre de carbone et en fibre de carbone fournissent une rigidité structurelle et un blindage.
Les enceintes comportent souvent des panneaux d'accès amovibles pour l'entretien et les conceptions de packs modulaires pour la flexibilité d'installation. Les adhésifs structurels, les joints et les membranes isolants gardent des composants en toute sécurité et isolés.
Système de gestion thermique
Le maintien des températures cellulaires appropriés est crucial pour les performances sûres et optimales des packs de batteries au lithium-ion. Bien que les cellules lithium-ion fonctionnent bien autour de 15 à 35 ° C, le fonctionnement à l'extérieur de cette plage dégrade les performances et la durée de vie:
- La capacité de décharge diminue en dessous du gel. La résistance interne augmente.
- Au-dessus de ~ 50 ° C, une fondu de capacité rapide et un vieillissement se produisent.
- Au-dessus de ~ 60 ° C, le risque de runnway thermique dégénère.
Ainsi, le système de gestion thermique doit refroidir les cellules pendant le fonctionnement et les chauffer lorsqu'il est statique dans des conditions ambiantes froides. Les méthodes de refroidissement typiques comprennent:
- Air passif – Refroidissement via les nageoires et les canaux. Utilisé dans des packs plus petits avec une puissance de chaleur inférieure.
- Air forcé – Les ventilateurs axiaux ou centrifuges améliorent le débit d'air et le transfert de chaleur. Les conduits optimisent la distribution du débit.
- Refroidissement liquide – Vestes, plaques ou microcanaux circulant un mélange d'eau / glycol ou de liquide diélectrique. Très efficace pour les packs de haute puissance >5 kW.
- Matériaux à changement de phase – Les matériaux en forme de cire absorbent la chaleur lorsqu'ils fondent. Utilisé dans les enclos ou comme coussinets thermiques.
- Les dispositifs thermoélectriques - Peltier génèrent un différentiel de température lorsqu'il est alimenté. Refroidissement compact à l'état solide.
Le chauffage est également critique pour le fonctionnement du climat froid. Les méthodes de chauffage comprennent:
- Radiateurs électriques – Rabagrots résistifs attachés à l'enceinte de l'emballage.
- Pompes à chaleur – Dispositifs thermoélectriques inversés ou boucles de réfrigérant compactes.
- Chaleur à la chaleur – Capturer les pertes résistives contre la charge et la décharge.
Le BMS surveille les températures des cellules et contrôle le refroidissement ou le chauffage en conséquence en fonction des algorithmes de contrôle propriétaires. De grandes batteries peuvent se diviser en zones thermiques avec une régulation indépendante de la température.
Composants supplémentaires
Selon le coût, le facteur de formulaire et les exigences d'application, les batteries au lithium-ion peuvent inclure des composants supplémentaires:
- Circuit de réveil – Wakes Sleeping BMS lorsque la charge / décharge commence. Améliore le courant de veille.
- Équilibrage des cellules circuits – L'équilibrage actif offre plus de précision que l'équilibrage passif seul. Nécessite une complexité supplémentaire.
- Circuit de précharge – Limite le courant d'appel lors de la connexion du pack. Utilise des résistances ou une commutation active. Protège les BM et les contacteurs.
- Chargeur – Électronique de contrôle de charge embarquée pour la charge rapide DC. Supprime la nécessité d'un chargeur externe.
- Communications – Au-delà d'une interface BMS de base, les packs peuvent inclure des modules sans fil ou une communication de ligne électrique (PLC) pour la télécommande et le diagnostic.
- Radiateurs – Fournir un chauffage contrôlé pour le fonctionnement du froid. Aider à atteindre des températures cellulaires optimales.
- Commutation de cellule – Atteigne / éteint les groupes de cellules pour la gestion thermique et l'équilibrage. Nécessite de nombreux commutateurs ajoutés et une logique de contrôle complexe.
- LED de statut – Indiquer visuellement l'état de base du pack à l'utilisateur – Charge, faute, veille etc.
Applications de batterie au lithium-ion
Maintenant que nous avons exploré les composants internes, examinons comment les batteries lithium-ion sont appliquées dans les principales industries et applications:
- Véhicules électriques - Fournir une puissance de propulsion aux véhicules entièrement électriques et hybrides. Nécessitent une très grande capacité (50-100 kWh), de la densité de puissance, de la sécurité et de la durée de vie du cycle. Conceptions complexes refroidies liquides.
- Électronique grand public - téléphones mobiles, ordinateurs portables, outils électriques et autres appareils portables. Concentrez-vous sur le coût, la taille compacte et le léger. Smoche refroidie par l'air ou cellules prismatiques dans des enclos en plastique. Plage de capacité de 1 à 100 wH.
- Aérospatial - utilisé dans les avions pour la puissance d'urgence et pour démarrer les moteurs. Designs durables résistent aux vibrations. La sécurité et la fiabilité sont essentielles.
- Stockage stationnaire - Stockage d'énergie du réseau, puissance de secours, systèmes solaires / éoliennes hors réseau. Concentrez-vous sur la durée de vie à faible coût et à long cycle. Air / liquide refroidi dans des grilles ou des conteneurs.
- Dispositifs médicaux - Dispositifs médicaux implantables et portables. Des batteries très compactes, sûres et durables sont nécessaires. Cellules flexibles ultra-réceptibles à 100 microns d'épaisseur.
Cet aperçu illustre la large gamme de conceptions de pack de batteries lithium-ion adaptées pour répondre aux exigences d'application très différentes dans toutes les industries.
Sécurité de la batterie au lithium-ion
Travailler avec des piles lithium-ion exige des précautions de sécurité appropriées. Bien que généralement sûr, si elle est conçue et gérée correctement, les cellules défectueuses ou endommagées peuvent rapidement surchauffer et s'enflammer. Les risques clés comprennent:
- Court-circuit externe – conduit rapidement à un courant élevé et un chauffage.
- Court-circuit interne – causée par des dommages cellulaires. Mode de défaillance le plus dangereux.
- Runage thermique – Auto-chauffage jusqu'à ce que les évents cellulaires ou les brûlures. Peut se propager entre les cellules.
- Surcharge – La tension cellulaire sur les limites provoque une panne électrolytique.
- Écraser / impact – Écrase séparateur permettant un court-circuit interne.
- Assemblage incorrect – Les composants lâches et les points de résistance élevés génèrent une chaleur localisée.
Les BM et autres circuits de protection sont conçus pour minimiser ces risques pendant le fonctionnement et les défauts normaux. Cependant, les travailleurs doivent prendre des précautions lors du transport, de l'installation, de l'entretien ou de l'élimination des batteries au lithium-ion:
- Porter des EPI appropriés – Protection oculaire, gants, vêtements résistants aux flammes. Évitez les bijoux métalliques.
- Utilisez des outils isolés marqués pour une utilisation sur les batteries en direct.
- Évitez les terminaux ou les barres de bus à court-circuit.
- Adhérer strictement à expédition et les réglementations de gestion des batteries au lithium.
- Déchargez les batteries dépensées pour économiser la tension avant l'élimination.
- Stockez et chargez des surfaces non flammables loin des combustibles.
- Avoir un extincteur à portée de main en cas d'urgence d'incendie.
Suivre les lignes directrices sur les meilleures pratiques pour une manipulation sûre est essentielle lorsque vous travaillez avec des batteries lithium-ion.
Conclusion
Les piles lithium-ion ont de nombreux composants, notamment des cellules, de l'électronique BMS, de la gestion thermique et de la conception des enceintes. Les ingénieurs doivent équilibrer les coûts, les performances, la sécurité et la fabrication lors de la conception de batteries.
Les améliorations technologiques continues permettront des packs de lithium-ion plus sûrs, moins chers, plus petits et plus puissants. Les entreprises doivent rester à jour sur les dernières avancées pour rester compétitives.
Articles Liés:
