La crescente domanda di dispositivi elettronici portatili più piccoli, più leggeri e più potenti dipende dai progressi compiuti nel settore batteria agli ioni di litio (ioni di litio) tecnologia. La progettazione di pacchi batteria per dispositivi moderni richiede il bilanciamento di densità energetica, sicurezza, dimensioni, peso, costi e conformità normativa.
Limitazioni su dimensioni e peso del pacco batteria
I pacchi batteria più grandi solitamente forniscono una corrente più elevata per durate più lunghe.
Tuttavia, i dispositivi portatili devono affrontare limitazioni di peso e spazio, costringendo i produttori a progettare pacchetti leggeri che forniscano comunque una potenza notevole.
Le batterie agli ioni di litio sono disponibili in vari formati per questi dispositivi, inclusi Cilindrico, prismaticoe celle polimeriche a sacchetto.
Celle cilindriche (ad esempio, 18650, 26650, 21700)
Le celle cilindriche presentano una produzione matura, un'elevata energia specifica (200-260 Wh/kg), un'eccellente gestione termica ed un rapporto costo-efficacia. Ma la loro forma rigida limita la densità energetica volumetrica (500-600 Wh/L) e la flessibilità di progettazione.
L'integrazione di più celle aggiunge complessità e spazio inefficiente. Sono comunemente utilizzati in dispositivi medici portatili, strumenti commerciali e militari portatili e utensili elettrici.
Cellule prismatiche
Le celle prismatiche hanno un involucro rettangolare e in genere offrono una densità di energia volumetrica più elevata (600-700 Wh/L) rispetto alle celle cilindriche grazie a un migliore utilizzo dello spazio.
Hanno una flessibilità di progettazione intermedia ma possono avere un'energia specifica leggermente inferiore (160-220 Wh/kg) e un costo per kWh più elevato. Anche la gestione termica può essere più impegnativa.
Celle polimeriche (celle a sacchetto)
Le celle polimeriche hanno involucri flessibili in laminato di alluminio e un'elevata densità di energia volumetrica (600-800 Wh/L), che le rendono adatte a forme sottili o irregolari.
Offrono un buon rapporto peso/capacità (250-300 Wh/kg) ma mancano di rigidità meccanica e necessitano di un forte supporto strutturale.
Le sfide includono la gestione termica e i costi di produzione. Queste celle vengono spesso utilizzate in dispositivi portatili come dispositivi indossabili, apparecchiature mediche, droni, laptop e tablet.
Limitazioni in wattora
Un parametro di progettazione chiave è la capacità energetica totale, misurata in Watt-ora (Wh = Tensione * Amp-ora). L'aumento di Wh prolunga l'autonomia ma aumenta anche le dimensioni, il peso e i costi.
Le norme di sicurezza impongono limiti rigorosi sui Wh per i viaggi aerei: celle inferiori a 20 Wh e pacchi batteria sotto i 100 Wh sono ammessi senza restrizioni.
I pacchetti tra 100 e 160 Wh richiedono l'approvazione della compagnia aerea, con un massimo di due per passeggero o ricambi. Gli zaini superiori a 160 Wh sono generalmente vietati come bagaglio a mano. Queste normative incidono in modo significativo sull’energia massima disponibile per gli ultraportatili ad alte prestazioni come i laptop premium.
Opzioni di progettazione della ricarica
La ricarica delle batterie agli ioni di litio richiede parametri specifici.
A differenza di altre batterie, necessitano di caricabatterie dedicati a causa delle variazioni di progettazione del produttore che influiscono sulle impostazioni di corrente e tensione.
Con una resistenza inferiore, le celle agli ioni di litio consentono una ricarica più rapida, quindi i caricabatterie devono fornire la corrente corretta senza sovraccaricare o sottocaricare. I caricabatterie personalizzati per pacchi batteria specifici sono preferiti rispetto ai modelli standard.
Disegni BMS
I sistemi di gestione della batteria (BMS) proteggono le batterie agli ioni di litio da problemi come alte temperature, sovraccarico, sottocarica e fuga termica. Le normative impongono a tutti l’installazione del BMS batterie a base di litio, compresi i dispositivi portatili.
Per i portatili, le funzionalità BMS includono il monitoraggio della temperatura, la gestione del sovraccarico e dello scaricamento e la diagnosi dei guasti.
L’interoperabilità è essenziale anche per comunicare le condizioni della batteria attraverso le reti e i sistemi di controllo.
Caratteristiche speciali dell'involucro
La sicurezza è fondamentale per i dispositivi portatili che utilizzano batterie agli ioni di litio. Queste batterie devono essere protette da forature e danni se il dispositivo cade o viene maneggiato in modo improprio.
La protezione dei circuiti, come i dispositivi polimerici a coefficiente di temperatura positivo (PPTC), può salvaguardare i circuiti durante la spedizione e il trasporto.
Le custodie proteggono inoltre le batterie agli ioni di litio da urti e vibrazioni, consentendo allo stesso tempo lo sfogo del gas e la dissipazione del calore.
I produttori offrono varie opzioni di custodia, tra cui pellicola termoretraibile, plastica formata sotto vuoto e plastica stampata a iniezione, che vengono sottoposte a test di caduta di sicurezza per garantire durata e affidabilità.
Regolamento sulla portabilità
Le norme sul trasporto delle batterie agli ioni di litio si applicano sia ai dispositivi portatili che a quelli non portatili.
Tutte le batterie al litio devono includere BMS componenti, spediti separatamente o installati. Sono limitati a un massimo di 100 wattora se non approvati dal corriere. I dispositivi portatili richiedono test e certificazioni di sicurezza.
A partire da gennaio 2026, le batterie agli ioni di litio spedite da sole dovranno avere uno stato di carica (SoC) pari o inferiore al 30%. Inoltre, l'imballaggio per la spedizione non specificata deve soddisfare il test di pila da 3,0 metri se contiene batterie all'interno o imballate con dispositivi.
Conclusione
La progettazione di pacchi batteria agli ioni di litio per dispositivi portatili dipende dalle esigenze del dispositivo, dagli standard di settore (come quelli per uso medico o militare) e dalle normative necessarie. UN produttore di pacchetti batteria personalizzata come Holo Battery può aiutare a determinare la tecnologia e le caratteristiche giuste per garantire che la batteria funzioni in modo efficace, rimanga affidabile e sicura.
