Belangrijkste afhaalmaaltijden:
- Lithium-ionbatterijpakketten zijn complexe assemblages die cellen omvatten, een batterijbeheersysteem (BMS), passieve componenten, een behuizing en een thermisch beheersysteem. Ze voeden een breed scala aan toepassingen, van consumentenelektronica tot elektrische voertuigen, en vereisen zorgvuldige engineering om veiligheid, efficiëntie en betrouwbaarheid te waarborgen.
A lithium ion batterij Pack is een assemblage van lithium-ioncellen, een batterijbeheersysteem en verschillende ondersteunende componenten allemaal in een behuizing. Het biedt oplaadbare energieopslag en -stroom voor talloze consumentenelektronica, elektrische voertuigen, rasteropslagsystemen en andere industriële toepassingen.
Hoewel lithium-ioncellen de basis elektrische capaciteit bieden, zijn de andere geïntegreerde componenten even kritisch om veilige, efficiënte en betrouwbare functionaliteit mogelijk te maken. In deze gids zullen we de technische aspecten van elke kern-lithium-ionbatterij-component nader bekijken.
Overzicht van de belangrijkste componenten
Lithium-ion batterijpakketten omvatten de volgende hoofdcomponenten:
- Lithium-ioncellen – De basiselektrochemische eenheid biedt elektrische opslagcapaciteit. Meerdere cellen worden gecombineerd om de gewenste spanning en capaciteit te bereiken.
- Batterijbeheersysteem (BMS) – De "hersenen" bewaken celomstandigheden en het beheersen van veiligheid en prestaties.
- Passieve componenten – Zorg voor structuur, interconnectie, isolatie en koeling.
- Omheining – Huizen en beschermt alle interne componenten.
- Thermisch beheersysteem – Onderhoudt optimale celtemperaturen voor werking.
- Extra elektronica – Toegevoegde functies verbeteren de functionaliteit en integratie.
Vervolgens zullen we elk van deze componenten in meer technische details verkennen.
Lithium-ioncellen: de elektrochemische stroombron
Lithium-ioncellen maken gebruik van lithiumion intercalatiechemie om elektrochemisch elektrische energie omkeerbaar op te slaan. Binnen de cel, positief geladen lithiumionen shuttle tussen een grafietanode en gelithieerde metaaloxidekathode als de cel laadt en ontladingen. Een organische elektrolyt maakt iontransport mogelijk, terwijl een poreuze scheider elektrisch contact tussen elektroden voorkomt.
Cellen zijn er in verschillende standaardgroottes en vormfactoren:
- Cilindrisch (bijv. 18650, 21700, 4680): Spiraalvormig gewikkelde elektrode/separatorlagen in een cilindrisch metaal blikje. Hogere vermogensdichtheid maar lagere energiedichtheid in vergelijking met zakcellen. Veel voorkomende formaten:
- 18650 – 18 mm diameter, 65 mm hoogte, typische capaciteit van 1,5-3a
- 21700 – 21 mm diameter, 70 mm hoogte, tot 5AH -capaciteit
- 4680 – 46 mm diameter, 80 mm hoogte, 10-50Ah capaciteit
- Prismatisch – Afwisselende kathode, anode en separatorlagen gestapeld en gevouwen in een prismatische aluminium behuizing. Maximaliseert de volumetrische energiedichtheid maar lagere vermogensdichtheid. Veel voorkomende formaten:
- 10AH- en 30AH-capaciteiten bij lage C-rates
- Afmetingen ongeveer 100 x 200 x 10 mm
- Zakje – Elektroden en scheider afgesloten in een gemetalliseerd plastic laminaatzak. Ook bekend als polymeercellen. Flexibel en lichtgewicht. Kosteneffectieve maar minder duurzame behuizing. Typische capaciteitsbeoordelingen van 1AH tot meer dan 300Ah.
Lithium-ioncellen maken ook gebruik van verschillende kathodechemie, die spanning, capaciteit en veiligheid beïnvloeden:
- Lithium Cobalt Oxide (LCO) - 3,6 V nominale spanning, hoge energiedichtheid maar veiligheidsproblemen bij verhoogde temperaturen
- Lithium Mangaanoxide (LMO) - 3.7V, veiliger en langere cyclus levensduur maar lagere capaciteit
- Lithium ijzerfosfaat (LFP) – 3.2V, zeer veilige en duurzame maar lagere energiedichtheid
- Lithium nikkel Manganese kobaltoxide (NMC) – 3.6/3.7V, hoge capaciteit en energiedichtheid maar complexere productie
- Lithium nikkel kobaltaluminium (NCA) - 3,6 V, hoge capaciteit en vermogensdichtheid maar kortere batterijduur
Bij het selecteren van cellen evalueren ingenieurs parameters zoals nominale spanning, capaciteit, C-rate, cycle-levensduur, vormfactor, veiligheid, kosten en beschikbaarheid om aan de toepassingsvereisten te voldoen. NMC en NCA -chemie met hoge capaciteit zijn gebruikelijk geworden voor toepassingen met hoge prestaties.
Batterijbeheersysteem (BMS)
De Batterijbeheersysteem Dient als de "hersenen" die de algehele werking van het batterijpakket regelt. De BMS -celomstandigheden bewaakt, regelt veiligheidsmechanismen, evenwicht en biedt communicatie -interfaces. De complexiteit van het BMS hangt af van de packgrootte en -functionaliteit. Kleine consumentenbms kunnen gewoon zijn:
- Celspanningen en temperaturen bewaken
- Het voorkomen van overbelasting en te ontslag
- Celspanningen in evenwicht brengen
Terwijl grote EV Traction Pack BMS uitgebreide functionaliteit biedt:
- Hoge nauwkeurigheidsbewaking van spanning (± 15 mV), stroom (± 1-2%) en temperatuur (± 1 ° C) voor elke cel
- Actieve celbalancering via Shunting of Multi-Winding Transformers
- Contactoren en zekeringen regelen voor elektrische isolatie
- Complexe toestand van lading en gezondheidsschatting algoritmen
- Thermisch beheer via koelsysteemregeling
- Hoge snelheid kritieke foutdetectie – Open/kortsluiting, overtemperatuur
- Honderden sensorinvoer en besturingsuitgangen
- Voertuigcommunicatie -interfaces – Kan, lin, flexray, automotive ethernet
- Veilige authenticatie, saboteringsbescherming, firmware -updates over de lucht
- Gedetailleerde gegevensregistratie voor diagnostiek en cyclus tellen
bron: Onderzoek
De BMS -hardware bestaat meestal uit sensorinterface IC's, ADC's, microcontrollers en stroombeheercircuits gemonteerd op een gedrukte printplaat. Hoge spanningsisolatie en robuuste verbindingen zijn van cruciaal belang voor veiligheid en betrouwbaarheid.
Passieve componenten
Naast cellen en de BMS omvatten lithium-ionbatterijpakketten verschillende passieve componenten:
- Busbalken - bieden lage weerstandsverbindingen tussen cellen en terminals. Hoge stroomcapaciteit vereist – Tot 1000A in EV -pakketten. Koper- of aluminium busbalken kunnen kaal, geplateerd of gecoat zijn. Busbarontwerp minimaliseert inductantie met behoud van isolatie.
- Thermisch interfacemateriaal – Gebruikt tussen cellen en behuizing wanden of koelkanalen. Siliconenelastomeren, thermisch geleidende tapes en spleetvulkussens maximaliseren warmteoverdracht. Faseveranderingsmaterialen bieden een hoge thermische capaciteit.
- Lijmen en banden - zorg voor elektrische isolatie en trillingsweerstand. Materialen omvatten polyurethaan, acryllijmen en siliconen. Dubbelzijdige thermisch geleidende banden zijn gebruikelijk. Strikte UL94 V-0-brandbaarheidsclassificatie.
- Zoningen en contactoren - Bescherm tegen overstroomfouten. Laat ook veilige elektrische isolatie toe. Hoge spanning en stroombeoordelingen vereist. Zoningen kunnen worden geïntegreerd in BMS. Pre-lading circuits beperken de stroomstroom.
- Cel -interconnects - sluit aan celterminals in serie. Moet omgaan met hoge stroomdichtheid. Ultrasone, laser en weerstandslassen gebruikt.
Zorgvuldige selectie van deze passieve componenten zorgt voor elektrische, thermische en mechanische integriteit van het batterij onder veeleisende omstandigheden.
Batterijbehuizing
De behuizing of behuizing van de batterij biedt:
- Bescherming – Schuilt cellen tegen mechanisch misbruik, impact, stof, vloeistoffen. Maakt alleen de juiste elektrische verbindingen mogelijk. Biedt IP -beoordeling op basis van de toepassing.
- Structurele ondersteuning – Biedt de vereiste stijfheid voor celstapelen en montage. Interfaces met applicatiekader en beugels.
- Koelkanalen – Maakt luchtstroom of vloeibare koelvloeistofcirculatie over cellen en BMS mogelijk. Kan geïntegreerde koelvinnen omvatten.
- Isolatie – Elektrisch isoleert hoogspanningscomponenten zoals busbalken en terminals.
- Milieuafdichting - Voorkomt de ingang van het vocht. Nodig voor lithium-ionchemie.
Gemeenschappelijke behuizingsmaterialen omvatten metalen zoals aluminium voor uitstekende thermische eigenschappen en gemanipuleerde plastic mengsels voor lichter gewicht en corrosieweerstand. Getalliseerde en koolstofvezelversterkte kunststoffen bieden structurele stijfheid en afscherming.
Behuizingen hebben vaak verwijderbare toegangspanelen voor onderhouds- en modulaire pakketontwerpen voor installatieflexibiliteit. Structurele lijmen, pakkingen en isolerende membranen houden componenten veilig gemonteerd en geïsoleerd.
Thermisch beheersysteem
Het handhaven van de juiste celtemperaturen is cruciaal voor veilige en optimale prestaties van lithium-ionbatterijpakketten. Hoewel lithium-ioncellen goed presteren rond 15-35 ° C, verslechtert de werking buiten dit bereik de prestaties en de levensduur:
- Afvoercapaciteit neemt af onder het vriespunt. Interne weerstand neemt toe.
- Boven ~ 50 ° C snelle capaciteit vervagen en veroudering treden op.
- Boven ~ 60 ° C escaleert het risico op thermische wegloper.
Het thermische beheersysteem moet dus cellen afkoelen tijdens de werking en ze verwarmen wanneer statisch in koude omgevingscondities. Typische koelmethoden zijn onder meer:
- Passieve lucht – Koeling via vinnen en kanalen. Gebruikt in kleinere pakketten met een lagere warmte -uitgang.
- Gedwongen lucht – Axiale of centrifugale ventilatoren verbeteren de luchtstroomsnelheid en warmteoverdracht. Kanalen optimaliseren de stroomverdeling.
- Vloeibare koeling – Jassen, platen of microkanalen circulatie een water/glycolmix of diëlektrische vloeistof. Zeer effectief voor high power packs >5 kW.
- Faseveranderingsmaterialen – Waxachtige materialen die warmte absorberen terwijl ze smelten. Gebruikt in behuizingen of als thermische pads.
- Thermo -elektrische - Peltier -apparaten genereren een temperatuurverschil wanneer aangedreven. Compacte koeling vaste toestand.
Verwarming is ook van cruciaal belang voor de werking van het koude klimaat. Verwarmingsmethoden zijn onder meer:
- Elektrische kachel – Weerstandsverwarmers bevestigd aan een pakbehuizing.
- Warmtepompen – Omgekeerde thermo -elektrische apparaten of compacte koelmiddellussen.
- Verwarming – Weerstandsverliezen vastleggen door opladen en ontladen.
De BMS bewaakt de celtemperatuur en regelt de koeling of verwarming dienovereenkomstig op basis van eigen besturingsalgoritmen. Grote batterijpakketten kunnen zich verdelen in thermische zones met onafhankelijke temperatuurregeling.
Extra componenten
Afhankelijk van de kosten-, vormfactor- en applicatie-eisen, kunnen lithium-ionbatterijpakketten extra componenten bevatten:
- Wake-upcircuit – Maakt slapende BMS wanneer lading/ontlading begint. Verbetert de standby -stroom.
- Celbalancering circuits – Actief balanceren biedt meer precisie dan alleen passief balanceren. Vereist extra complexiteit.
- Precharge circuit – Limieten versterkingsstroom bij het aansluiten van het pakket. Gebruikt weerstanden of actief schakelen. Beschermt BMS en contactoren.
- Oplader – Board oplaadbesturingselektronica voor DC snel opladen. Verwijdert de behoefte aan een externe oplader.
- Communicatie – Naast een basis BMS -interface kunnen pakketten draadloze modules of Power Line Communication (PLC) omvatten voor afstandsbediening en diagnostiek.
- Kachel – Zorg voor gecontroleerde verwarming voor de werking van koud weer. Help optimale celtemperaturen te bereiken.
- Celschakeling – Schakelt groepen cellen aan/uit voor thermisch beheer en evenwicht. Vereist veel toegevoegde schakelaars en complexe besturingslogica.
- Status LED's – Geef visueel de basisstatus aan de gebruiker aan – Opladen, fout, stand -by etc.
Lithium-ion batterijpakket toepassingen
Nu we de interne componenten hebben onderzocht, laten we onderzoeken hoe lithium-ionbatterijen worden toegepast in grote industrieën en toepassingen:
- Elektrische voertuigen - zorg voor voortstuwingsvermogen aan volledig elektrische en hybride voertuigen. Vereisen zeer hoge capaciteit (50-100 kWh), vermogensdichtheid, veiligheid en fietsleven. Complexe vloeistofgekoelde ontwerpen.
- Consumentenelektronica - Mobiele telefoons, laptops, elektrische tools en andere draagbare apparaten. Focus op kosten, compacte grootte en lichtgewicht. Luchtgekoelde zak of prismatische cellen in plastic behuizingen. 1-100wh capaciteitsbereik.
- Aerospace - gebruikt in vliegtuigen voor noodstroom en om motoren te starten. Duurzame ontwerpen zijn bestand tegen trillingen. Veiligheid en betrouwbaarheid zijn van cruciaal belang.
- Stationaire opslag-Opslag van raster-energie, back-upvermogen, off-grid zonne-/windsystemen. Focus op lage kosten, lange cyclevenleven. Lucht/vloeistof gekoeld in rekken of containers.
- Medische hulpmiddelen - Implanteerbare en draagbare medische hulpmiddelen. Zeer compacte, veilige en duurzame batterijen zijn vereist. Ultradunne flexibele cellen tot 100 micron dik.
Dit overzicht illustreert het brede scala aan lithium-ion batterij-ontwerpen op maat om te voldoen aan enorm verschillende applicatie-eisen in verschillende industrieën.
Lithium-ion batterijveiligheid
Werken met lithium-ionbatterijpakketten vereist de juiste veiligheidsmaatregelen. Hoewel het over het algemeen veilig is, indien ontworpen en correct behandeld, kunnen defecte of beschadigde cellen snel oververhit raken en ontbranden. Belangrijke risico's zijn onder meer:
- Externe kortsluiting – leidt snel tot hoge stroom en verwarming.
- Interne kortsluiting – veroorzaakt door celschade. De meest gevaarlijke faalmodus.
- Thermische wegloper – Zelfverwarming tot celopeningen of brandwonden. Kan zich verspreiden tussen cellen.
- Overladen – Celspanning over limieten veroorzaakt elektrolytafbraak.
- Crush/Impact – Cruses Separator waardoor interne kortsluiting mogelijk is.
- Onjuiste montage – Losse componenten en hoge weerstandspunten genereren gelokaliseerde warmte.
De BMS en andere beschermingscircuits zijn ontworpen om deze risico's tijdens normale werking en fouten te minimaliseren. Werknemers moeten echter voorzorgsmaatregelen nemen bij het transporteren, installeren, onderhouden of verwijderen van lithium-ionbatterijen:
- Draag passende PPE – Oogbescherming, handschoenen, vlambestendige kleding. Vermijd metalen sieraden.
- Gebruik geïsoleerde tools gemarkeerd voor gebruik op live batterijpakketten.
- Vermijd kortsluiting terminals of busstaven.
- Strikt houden aan verzending en hanteringsvoorschriften voor lithiumbatterijen.
- Uitgevoerde batterijen om spanning te besparen vóór verwijdering.
- Bewaar en laden op niet -ontvlambare oppervlakken weg van brandbare schulden.
- Heb een blusser bij de hand in geval van een brandgeval.
De richtlijnen voor best practices voor veilige hantering zijn essentieel bij het werken met lithium-ionbatterijpakketten.
Conclusie
Lithium-ionbatterijpakketten hebben veel componenten, waaronder cellen, BMS-elektronica, thermisch beheer en het ontwerp van de behuizing. Ingenieurs moeten kosten, prestaties, veiligheid en productie in evenwicht brengen bij het ontwerpen van batterijen.
Aanhoudende technologische verbeteringen zullen veiliger, goedkoper, kleinere en krachtigere lithium-ionpakketten mogelijk maken. Bedrijven moeten op de hoogte blijven van de nieuwste vooruitgang om concurrerend te blijven.
Gerelateerde artikelen:
