Poin Utama:
- Paket baterai litium-ion adalah rakitan kompleks yang mencakup sel, sistem manajemen baterai (BMS), komponen pasif, penutup, dan sistem manajemen termal. Teknologi ini mendukung beragam aplikasi, mulai dari elektronik konsumen hingga kendaraan listrik, dan memerlukan rekayasa yang cermat untuk memastikan keselamatan, efisiensi, dan keandalan.
A baterai litium-ion paket adalah rakitan sel litium-ion, sistem manajemen baterai, dan berbagai komponen pendukung yang semuanya terdapat dalam satu wadah. Ini menyediakan penyimpanan energi dan daya yang dapat diisi ulang untuk perangkat elektronik konsumen, kendaraan listrik, sistem penyimpanan jaringan listrik, dan aplikasi industri lainnya yang tak terhitung jumlahnya.
Meskipun sel lithium-ion menyediakan kapasitas listrik dasar, komponen terintegrasi lainnya sama pentingnya dalam memungkinkan fungsionalitas yang aman, efisien, dan andal. Dalam panduan ini, kita akan melihat lebih dekat aspek teknis dari setiap komponen inti paket baterai lithium-ion.
Ikhtisar Komponen Utama
Paket baterai lithium-ion mencakup komponen utama berikut:
- Sel litium-ion – Unit elektrokimia dasar yang menyediakan kapasitas penyimpanan listrik. Beberapa sel digabungkan untuk mencapai tegangan dan kapasitas yang diinginkan.
- Sistem Manajemen Baterai (BMS) – “Otak” memantau kondisi sel dan mengendalikan keselamatan dan kinerja.
- Komponen pasif – Menyediakan struktur, interkoneksi, isolasi, dan pendinginan.
- Lampiran – Menampung dan melindungi seluruh komponen internal.
- Sistem manajemen termal – Mempertahankan suhu sel optimal untuk pengoperasian.
- Elektronik tambahan – Menambahkan fitur yang meningkatkan fungsionalitas dan integrasi.
Selanjutnya, kita akan menjelajahi masing-masing komponen ini secara lebih rinci secara teknis.
Sel Lithium-Ion: Sumber Tenaga Elektrokimia
Sel litium-ion menggunakan bahan kimia interkalasi ion litium untuk menyimpan energi listrik secara elektrokimia secara reversibel. Di dalam sel, ion litium bermuatan positif berpindah-pindah antara anoda grafit dan katoda oksida logam litium saat sel diisi dan dilepaskan. Elektrolit organik memungkinkan pengangkutan ion sementara pemisah berpori mencegah kontak listrik antar elektroda.
Sel hadir dalam berbagai ukuran standar dan faktor bentuk:
- Silinder (misalnya 18650, 21700, 4680): lapisan elektroda/pemisah yang digulung secara spiral dalam kaleng logam berbentuk silinder. Kepadatan daya lebih tinggi tetapi kepadatan energi lebih rendah dibandingkan sel kantong. Format umum:
- 18650 – Diameter 18mm, tinggi 65mm, kapasitas tipikal 1,5–3Ah
- 21700 – Diameter 21mm, tinggi 70mm, kapasitas hingga 5Ah
- 4680 – Diameter 46mm, tinggi 80mm, kapasitas 10-50Ah
- Prismatik – lapisan katoda, anoda, dan pemisah bergantian ditumpuk dan dilipat menjadi wadah aluminium prismatik. Memaksimalkan kepadatan energi volumetrik namun menurunkan kepadatan daya. Format umum:
- Kapasitas 10Ah dan 30Ah dengan tarif C rendah
- Dimensi sekitar 100 x 200 x 10mm
- Kantong – elektroda dan pemisah disegel dalam kantong laminasi plastik berlapis logam. Juga dikenal sebagai sel polimer. Fleksibel dan ringan. Casing hemat biaya tetapi kurang tahan lama. Peringkat kapasitas umum dari 1Ah hingga lebih dari 300Ah.
Sel litium-ion juga menggunakan kimia katoda yang berbeda, sehingga memengaruhi voltase, kapasitas, dan keamanan:
- Litium kobalt oksida (LCO) – tegangan nominal 3,6V, kepadatan energi tinggi tetapi masalah keamanan pada suhu tinggi
- Lithium mangan oksida (LMO) – 3,7V, siklus hidup lebih aman dan lebih lama tetapi kapasitas lebih rendah
- Litium besi fosfat (LFP) – 3.2V, sangat aman dan tahan lama tetapi kepadatan energinya lebih rendah
- Litium nikel mangan kobalt oksida (NMC) – 3.6/3.7V, kapasitas tinggi dan kepadatan energi tetapi manufaktur lebih kompleks
- Lithium nikel kobalt aluminium (NCA) – 3,6V, kapasitas tinggi dan kepadatan daya tetapi masa pakai baterai lebih pendek
Saat memilih sel, para insinyur mengevaluasi parameter seperti tegangan nominal, kapasitas, laju C, umur siklus, faktor bentuk, keamanan, biaya, dan ketersediaan untuk memenuhi persyaratan aplikasi. Kimia NMC dan NCA berkapasitas tinggi telah menjadi hal umum untuk aplikasi berkinerja tinggi.
Sistem Manajemen Baterai (BMS)
Itu sistem manajemen baterai berfungsi sebagai "otak" yang mengendalikan keseluruhan pengoperasian baterai. BMS memonitor kondisi sel, mengontrol mekanisme keamanan, menyeimbangkan sel, dan menyediakan antarmuka komunikasi. Kompleksitas BMS bergantung pada ukuran paket dan fungsionalitas. BMS konsumen kecil mungkin hanya mencakup:
- Memantau voltase dan suhu sel
- Mencegah overcharge dan overdischarge
- Menyeimbangkan tegangan sel
Sementara BMS paket traksi EV yang besar menyediakan fungsionalitas yang luas:
- Pemantauan tegangan (±15mV), arus (±1-2%), dan suhu dengan akurasi tinggi (±1°C) untuk setiap sel
- Penyeimbangan sel aktif melalui transformator shunting atau multi-belitan
- Mengontrol kontaktor dan sekering untuk isolasi listrik
- Algoritme estimasi status biaya dan kesehatan yang kompleks
- Manajemen termal melalui kontrol sistem pendingin
- Deteksi kesalahan kritis berkecepatan tinggi – sirkuit terbuka/pendek, suhu berlebih
- Ratusan input sensor dan output kontrol
- Antarmuka komunikasi kendaraan – BISA, LIN, FlexRay, Ethernet Otomotif
- Otentikasi yang aman, perlindungan terhadap kerusakan, pembaruan firmware melalui udara
- Pencatatan data terperinci untuk diagnostik dan penghitungan siklus
sumber: Gerbang Penelitian
Perangkat keras BMS biasanya terdiri dari IC antarmuka sensor, ADC, mikrokontroler, dan sirkuit manajemen daya yang dipasang pada papan sirkuit tercetak. Insulasi tegangan tinggi dan sambungan yang kuat sangat penting untuk keselamatan dan keandalan.
Komponen Pasif
Selain sel dan BMS, paket baterai lithium-ion mencakup berbagai komponen pasif:
- Bus bar – Menyediakan koneksi resistansi rendah antara sel dan terminal. Diperlukan kapasitas arus yang tinggi – hingga 1000A dalam paket EV. Batang bus tembaga atau aluminium mungkin telanjang, berlapis, atau dilapisi. Desain batang bus meminimalkan induktansi sambil mempertahankan isolasi.
- Bahan antarmuka termal – Digunakan antara sel dan dinding selungkup atau saluran pendingin. Elastomer silikon, pita konduktif termal, dan bantalan pengisi celah memaksimalkan perpindahan panas. Bahan pengubah fasa menawarkan kapasitansi termal yang tinggi.
- Perekat dan pita perekat – Memberikan isolasi listrik dan ketahanan terhadap getaran. Bahannya meliputi poliuretan, perekat akrilik, dan silikon. Pita perekat konduktif termal dua sisi adalah hal yang umum. Peringkat mudah terbakar UL94 V-0 yang ketat.
- Sekering dan kontaktor – Melindungi dari gangguan arus lebih. Juga izinkan isolasi listrik yang aman. Diperlukan peringkat tegangan dan arus tinggi. Sekering dapat diintegrasikan ke dalam BMS. Sirkuit pra-pengisian membatasi arus masuk.
- Interkoneksi sel – Menggabungkan terminal sel secara seri. Harus menangani kepadatan arus yang tinggi. Pengelasan ultrasonik, laser, dan resistansi digunakan.
Pemilihan komponen pasif yang cermat ini memastikan integritas listrik, termal, dan mekanis baterai dalam kondisi yang sulit.
Penutup Paket Baterai
Penutup atau wadah paket baterai menyediakan:
- Perlindungan – Melindungi sel dari kekerasan mekanis, benturan, debu, cairan. Hanya mengizinkan sambungan listrik yang tepat. Memberikan peringkat IP berdasarkan aplikasi.
- Dukungan struktural – Memberikan kekakuan yang diperlukan untuk penumpukan dan pemasangan sel. Antarmuka dengan bingkai aplikasi dan tanda kurung.
- Saluran pendingin – Memungkinkan aliran udara atau sirkulasi cairan pendingin melintasi sel dan BMS. Mungkin termasuk sirip pendingin terintegrasi.
- Isolasi – Mengisolasi komponen tegangan tinggi secara elektrik seperti bus bar dan terminal.
- Penyegelan lingkungan – Mencegah masuknya kelembapan. Diperlukan untuk kimia litium-ion.
Bahan penutup yang umum mencakup logam seperti aluminium untuk sifat termal yang sangat baik, dan campuran plastik yang direkayasa untuk bobot yang lebih ringan dan ketahanan terhadap korosi. Plastik yang diperkuat logam dan serat karbon memberikan kekakuan dan pelindung struktural.
Penutup sering kali dilengkapi panel akses yang dapat dilepas untuk servis dan desain paket modular untuk fleksibilitas pemasangan. Perekat struktural, gasket, dan membran isolasi menjaga komponen tetap terpasang dan terisolasi dengan aman.
Sistem Manajemen Termal
Mempertahankan suhu sel yang tepat sangat penting untuk kinerja paket baterai lithium-ion yang aman dan optimal. Meskipun sel lithium-ion bekerja dengan baik pada suhu sekitar 15-35°C, pengoperasian di luar kisaran ini akan menurunkan kinerja dan masa pakai:
- Kapasitas pelepasan menurun di bawah titik beku. Resistensi internal meningkat.
- Di atas ~50°C kapasitas cepat memudar dan terjadi penuaan.
- Di atas ~60°C risiko pelepasan panas meningkat.
Oleh karena itu, sistem manajemen termal harus mendinginkan sel selama pengoperasian dan memanaskannya saat statis dalam kondisi lingkungan yang dingin. Metode pendinginan yang umum meliputi:
- Udara pasif – Pendinginan melalui sirip dan saluran. Digunakan dalam kemasan yang lebih kecil dengan keluaran panas yang lebih rendah.
- Udara paksa – Kipas aksial atau sentrifugal meningkatkan laju aliran udara dan perpindahan panas. Saluran mengoptimalkan distribusi aliran.
- Pendinginan cair – Jaket, pelat, atau saluran mikro mengalirkan campuran air/glikol atau cairan dielektrik. Sangat efektif untuk paket daya tinggi >5kW.
- Bahan perubahan fasa – Bahan seperti lilin menyerap panas saat meleleh. Digunakan dalam penutup atau sebagai bantalan termal.
- Termoelektrik – Perangkat Peltier menghasilkan perbedaan suhu saat diberi daya. Pendinginan solid-state yang ringkas.
Pemanasan juga penting untuk pengoperasian di iklim dingin. Metode pemanasan meliputi:
- Pemanas listrik – Pemanas resistif terpasang pada penutup paket.
- Pompa panas – Perangkat termoelektrik terbalik atau loop pendingin kompak.
- Buang-buang panas – Menangkap kerugian resistif dari pengisian dan pengosongan.
BMS memonitor suhu sel dan mengontrol pendinginan atau pemanasan berdasarkan algoritma kontrol eksklusif. Paket baterai besar dapat dibagi menjadi zona termal dengan pengaturan suhu independen.
Komponen Tambahan
Tergantung pada biaya, faktor bentuk, dan persyaratan aplikasi, paket baterai litium-ion mungkin mencakup komponen tambahan:
- Sirkuit bangun – Membangunkan BMS yang sedang tidur saat pengisian/pengosongan dimulai. Meningkatkan arus siaga.
- Penyeimbangan sel sirkuit – Penyeimbangan aktif memberikan presisi lebih dibandingkan penyeimbangan pasif saja. Memerlukan kompleksitas tambahan.
- Sirkuit pengisian awal – Membatasi arus masuk saat menghubungkan paket. Menggunakan resistor atau switching aktif. Melindungi BMS dan kontaktor.
- Pengisi daya – Elektronik kontrol pengisian daya terpasang untuk pengisian cepat DC. Menghilangkan kebutuhan akan pengisi daya eksternal.
- Komunikasi – Di luar antarmuka BMS dasar, paket mungkin mencakup modul nirkabel atau Power Line Communication (PLC) untuk kendali jarak jauh dan diagnostik.
- Pemanas – Sediakan pemanasan terkontrol untuk pengoperasian cuaca dingin. Membantu mencapai suhu sel yang optimal.
- Peralihan sel – Mengaktifkan/menonaktifkan sekelompok sel untuk manajemen dan penyeimbangan termal. Memerlukan banyak sakelar tambahan dan logika kontrol yang kompleks.
- LED Status – Tunjukkan secara visual status paket dasar kepada pengguna – pengisian daya, kesalahan, siaga, dll.
Aplikasi Paket Baterai Lithium-ion
Sekarang setelah kita mempelajari komponen internalnya, mari kita periksa bagaimana paket baterai lithium-ion diterapkan di industri dan aplikasi besar:
- Kendaraan Listrik – Menyediakan tenaga penggerak untuk kendaraan yang sepenuhnya listrik dan hibrida. Membutuhkan kapasitas yang sangat tinggi (50-100kWh), kepadatan daya, keamanan, dan masa pakai. Desain berpendingin cairan yang kompleks.
- Barang Elektronik Konsumen – Ponsel, laptop, perkakas listrik, dan perangkat portabel lainnya. Fokus pada biaya, ukuran kompak dan ringan. Kantong berpendingin udara atau sel prismatik dalam wadah plastik. Kisaran kapasitas 1-100Wh.
- Dirgantara – Digunakan di pesawat untuk tenaga darurat dan menghidupkan mesin. Desain yang tahan lama tahan terhadap getaran. Keamanan dan keandalan sangat penting.
- Penyimpanan Stasioner – Penyimpanan energi jaringan, daya cadangan, sistem tenaga surya/angin di luar jaringan. Fokus pada biaya rendah, siklus hidup yang panjang. Pendinginan udara/cairan di rak atau wadah.
- Alat Kesehatan – Alat kesehatan yang dapat ditanamkan dan dipakai. Dibutuhkan baterai yang sangat kompak, aman dan tahan lama. Sel fleksibel ultra tipis dengan ketebalan hingga 100 mikron.
Ikhtisar ini menggambarkan beragam desain paket baterai lithium-ion yang disesuaikan untuk memenuhi kebutuhan aplikasi yang sangat berbeda di berbagai industri.
Keamanan Baterai Lithium-Ion
Bekerja dengan paket baterai lithium-ion memerlukan tindakan pencegahan keselamatan yang tepat. Meskipun secara umum aman jika dirancang dan ditangani dengan benar, sel yang cacat atau rusak dapat dengan cepat menjadi terlalu panas dan terbakar. Risiko utama meliputi:
- Hubungan pendek eksternal – dengan cepat menyebabkan arus tinggi dan pemanasan.
- Hubungan pendek internal – disebabkan oleh kerusakan sel. Mode kegagalan paling berbahaya.
- Pelarian termal – pemanasan sendiri sampai sel keluar atau terbakar. Dapat merambat antar sel.
- Menjual terlalu mahal – tegangan sel melebihi batas menyebabkan kerusakan elektrolit.
- Hancur/benturan – menghancurkan pemisah yang memungkinkan korsleting internal.
- Perakitan salah – komponen yang longgar dan titik resistansi yang tinggi menghasilkan panas lokal.
BMS dan sirkuit proteksi lainnya dirancang untuk meminimalkan risiko ini selama pengoperasian normal dan gangguan. Namun, pekerja harus mengambil tindakan pencegahan saat mengangkut, memasang, menyervis, atau membuang baterai litium-ion:
- Kenakan APD yang sesuai – pelindung mata, sarung tangan, pakaian tahan api. Hindari perhiasan logam.
- Gunakan alat berinsulasi yang ditandai untuk digunakan pada kemasan baterai aktif.
- Hindari hubungan arus pendek pada terminal atau bus bar.
- Patuhi dengan ketat pengiriman dan peraturan penanganan baterai litium.
- Buang baterai bekas untuk menghemat voltase sebelum dibuang.
- Simpan dan isi daya pada permukaan yang tidak mudah terbakar, jauh dari bahan yang mudah terbakar.
- Siapkan alat pemadam jika terjadi keadaan darurat kebakaran.
Mengikuti pedoman praktik terbaik untuk penanganan yang aman sangat penting saat bekerja dengan baterai litium-ion.
Kesimpulan
Paket baterai litium-ion memiliki banyak komponen, termasuk sel, elektronik BMS, manajemen termal, dan desain penutup. Insinyur harus menyeimbangkan biaya, kinerja, keamanan, dan kemampuan manufaktur saat merancang paket baterai.
Peningkatan teknologi yang berkelanjutan akan memungkinkan paket lithium-ion yang lebih aman, lebih murah, lebih kecil, dan lebih bertenaga. Perusahaan harus selalu mengikuti perkembangan terkini agar tetap kompetitif.
Artikel Terkait:
