Onderdelen van lithium-ionbatterijpakketten: een complete gids voor OEM-kopers

A lithium-ion batterijpakket is meer dan een groep cellen. Het is een technisch systeem dat elektrochemische cellen, een batterijbeheersysteem, elektrische verbindingen, beveiligingsapparatuur, een behuizing, thermisch beheer, connectoren en communicatiehardware combineert.

Elk onderdeel heeft invloed op de veiligheid, de bruikbare capaciteit, de levensduur, de maakbaarheid en de kosten van het pakket. Bij een OEM-project leidt het eerst selecteren van cellen en het behandelen van de andere onderdelen als add-ons vaak tot herontwerpen, vertragingen of prestatieproblemen.

In deze handleiding worden de belangrijkste componenten van het lithium-ionbatterijpak uitgelegd, wat ze allemaal doen en welke informatie u moet verstrekken als u een op maat gemaakt batterijpakket aanvraagt.

Wat zijn de belangrijkste componenten van een lithium-ionbatterijpak?

De meeste op maat gemaakte lithium-ionbatterijpakketten bevatten de volgende componentgroepen:

• Lithium-ioncellen: Elektrische energie opslaan en vrijgeven.
• Batterijbeheersysteem: Bewaakt de cellen en regelt de bescherming, balancering en communicatie.
• Busbars en verbindingen: Voer stroom tussen cellen en pack-terminals.
• Zekeringen, schakelaars en voorlaadcircuits: Controleer en isoleer de elektrische stroom tijdens normaal bedrijf en bij storingen.
• Behuizing en mechanische steunen: Bescherm en positioneer de interne componenten.
• Thermisch beheer: Houdt de celtemperatuur binnen het beoogde bedrijfsbereik.
• Bedrading, connectoren, sensoren en communicatie-interfaces: Sluit het pakket aan op de apparatuur, oplader, omvormer of besturingssysteem.

De exacte combinatie varieert afhankelijk van de spanning, stroom, afmetingen, gebruiksomgeving, toepassing en productiehoeveelheid.

Lithium-ioncellen: de energieopslagkern

De cel is de elektrochemische basiseenheid van een batterijpakket. Cellen zijn verbonden in serie om de spanning te verhogen en parallel om de capaciteit en het stroomvermogen te vergroten.

Celselectie begint meestal met vijf vragen:

1. Welke nominale spanning en energie heeft de apparatuur nodig?
2. Wat zijn de continue en piekontladingsstromen?
3. Hoeveel ruimte en gewicht is er beschikbaar?
4. Welke temperaturen zal de batterij ervaren?
5. Welke cycluslevensduur-, veiligheids- en certificeringseisen zijn van toepassing?

Celformaten

Lithium-ioncellen zijn algemeen verkrijgbaar in cilindrische, prismatische en buidelformaten. Elk formaat handelt anders op het gebied van inkoop, verpakkingsdichtheid en mechanische ondersteuning:

• Cilindrische cellen (bijv. 18650, 21700, 4680): Gebruik een metalen blik en zijn verkrijgbaar in gestandaardiseerde maten. Ze kunnen de inkoop en vervanging vereenvoudigen, maar voor een pakket zijn mogelijk meer verbindingen en mechanische celhouders nodig.
• Prismatische cellen: Gebruik een stijve rechthoekige behuizing en maak efficiënt gebruik van de ruimte in de behuizing. Ze worden vaak gebruikt in grotere energieopslag- en industriële pakketten.
• Zakcellen: Gebruik een flexibele gelamineerde behuizing en zorg voor een goede verpakkingsflexibiliteit. Ze vereisen zorgvuldige compressie, mechanische ondersteuning en bescherming tegen vocht en schokken.

Batterijbeheersysteem (BMS)

Het batterijbeheersysteem is de controle- en beschermingslaag van een lithium-ionbatterijpakket. Het bewaakt de cel- en pakketcondities, neemt beveiligingsbeslissingen en communiceert de batterijstatus naar de apparatuur of oplader.

Afhankelijk van het pakket kan een BMS het volgende bieden:

• Bewaking van de celspanning
• Pakstroommeting
• Bewaking van cel- en packtemperatuur
• Bescherming tegen overbelasting en overontlading
• Overstroom- en kortsluitbeveiliging
• Passieve of actieve celbalancering
• Inschatting van de laadtoestand en de gezondheidstoestand
• Laad- en ontlaadcontrole
• CAN, RS485, UART of andere communicatie-interfaces
• Storingsregistratie en servicediagnostiek

Het BMS moet overeenkomen met de celchemie, het aantal cellen, de laadspanning, de stroomlimieten, het temperatuurbereik, de oplader en het communicatieprotocol. Een BMS dat is ontworpen voor een bepaalde chemie- of spanningsconfiguratie mag niet worden hergebruikt in een ander pakket zonder technische beoordeling.

Wat feitelijk een goed gebouwbeheersysteem onderscheidt van een zwak gebouwbeheersysteem

De meeste BMS-datasheets vermelden dezelfde functieset, dus de lijst met functies alleen zegt niet veel over de kwaliteit. De verschillen die er toe doen, verschijnen meestal op component- en testniveau en niet in de kopnummers van het specificatieblad:

• Componentselectie: Het MOSFET-merk (bijvoorbeeld gevestigde leveranciers zoals AOS of Infineon versus niet-gespecificeerde generieke onderdelen) en de tolerantie van de detectieweerstand beïnvloeden de beschermingsnauwkeurigheid op de lange termijn en de thermische betrouwbaarheid bij herhaalde cycli.
• Geverifieerde testen: Gedocumenteerde testrapporten over kortsluitingsonderbrekingen en validatie van de levensduur van de cyclus bij hoge temperaturen geven aan dat de beschermingsdrempels daadwerkelijk zijn bevestigd onder foutomstandigheden, en niet alleen op papier zijn gespecificeerd.
• Beschermingsarchitectuur: De aanwezigheid van een secundair, onafhankelijk beveiligingspad naast het primaire BMS, en of de balancering actief of passief is, beïnvloedt hoe het pakket zich gedraagt ​​als de primaire controller uitvalt of achterblijft.

Vraag bij het beoordelen van het gebouwbeheersysteem van een fabrikant naar de materiaallijst voor de belangrijkste beschermingscomponenten en eventuele beschikbare testrapporten, in plaats van alleen op de lijst met kenmerken te vertrouwen.

Voor meer details, zie onze handleiding voorbatterijbeheersystemen.

Busbars, verbindingen en passieve componenten

Interconnects transporteren stroom tussen cellen en de externe terminals. Ze moeten worden gedimensioneerd voor de verwachte stroom, temperatuurstijging, mechanische spanning en productiemethode.

Busbaren

Busbars zijn meestal gemaakt van koper, aluminium of geplateerd metaal. Hun doorsnede, lengte, aansluitmethode en isolatie beïnvloeden de weerstand, warmteontwikkeling, spanningsval en elektromagnetisch gedrag.

Celverbindingen

Cilindrische cellen kunnen nikkelstrips, koperen componenten of gelaste rails gebruiken. Prismatische cellen en buidelcellen kunnen gebruik maken van geschroefde, gelaste of gelamineerde verbindingen. Weerstandslassen, laserlassen en ultrasoon lassen worden geselecteerd op basis van de celterminals, stroom, productievolume en kwaliteitseisen.

Zekeringen, schakelaars en voorlaadcircuits

Zekeringen bieden bescherming tegen overmatige stroom. Met schakelaars kan het pakket de belasting of de lader onder gedefinieerde omstandigheden loskoppelen. Een voorlaadcircuit kan de inschakelstroom beperken wanneer de accu is aangesloten op apparatuur met grote ingangscondensatoren.

Deze onderdelen moeten worden geselecteerd als onderdeel van de elektrische architectuur en mogen niet worden toegevoegd nadat de celindeling is voltooid.

Batterijbehuizing en mechanisch ontwerp

De behuizing beschermt de cellen en elektronica tegen stoten, trillingen, stof, vocht en onbedoeld contact. Het biedt ook de montage-interface tussen de batterij en de apparatuur van de klant.

Een pakketbehuizing moet mogelijk het volgende bieden:

• Structurele ondersteuning voor cellen en interne componenten
• Elektrische isolatie rond klemmen en rails
• Montagepunten en servicetoegang
• Bescherming tegen het binnendringen van stof en water
• Weerstand tegen trillingen, schokken en stoten
• Ruimte voor connectoren, sensoren, zekeringen en het GBS
• Een gedefinieerd thermisch pad van de cellen naar de koelstructuur

Aluminium kan een goede thermische geleidbaarheid en structurele sterkte bieden. Speciaal ontworpen kunststoffen kunnen het gewicht verminderen en complexe vormen ondersteunen. Het beste materiaal hangt af van de vereiste sterkte, warmteafvoer, corrosieweerstand, IP-waarde, kosten en productieproces.

Componenten voor thermisch beheer

De celtemperatuur heeft invloed op het vermogen, het laadgedrag, de efficiëntie, veroudering en veiligheid. Thermisch beheer is daarom onderdeel van de batterijarchitectuur en niet een cosmetisch kenmerk van de behuizing.

Afhankelijk van de warmtebelasting en de gebruiksomgeving kan een pakket het volgende gebruiken:

• Natuurlijke convectie en geleidende warmteverspreiding
• Geforceerde luchtkoeling met ventilatoren en kanalen
• Thermische pads of gatenvullers
• Vloeistofkoelplaten of -kanalen
• Resistieve verwarming voor opladen bij koud weer
• Temperatuursensoren aangesloten op het GBS

Bij het ontwerp moet rekening worden gehouden met de ontlaadstroom, de laadstroom, de omgevingstemperatuur, de installatieluchtstroom en het toegestane celtemperatuurbereik in het slechtste geval. Een GBS kan temperatuuromstandigheden detecteren, maar kan niet compenseren voor een behuizing die niet voldoende warmte kan verwijderen of toevoegen.

Bedrading, connectoren en communicatie-interfaces

Bedrading en connectoren bepalen hoe de batterij wordt aangesloten op de lader, omvormer, motorcontroller of hostapparatuur. Ze hebben ook invloed op de montagetijd, het onderhoudsgemak, de waterbestendigheid en de elektrische veiligheid.

Wanneer u deze componenten specificeert, definieer dan:

• Continue en piekstroom
• Spanningsclassificatie en isolatievereisten
• Connectortype en paringscyclusvereiste
• Kabellengte, meter, buigradius en routing
• Bescherming tegen binnendringing en afdichting tegen omgevingsinvloeden
• Communicatieprotocol, baudsnelheid, berichtformaat en beëindiging

CAN en RS485 zijn gebruikelijke keuzes voor industriële en voertuiggerelateerde batterijsystemen. De communicatie-interface moet samen met het apparatuurprotocol worden gedefinieerd en niet alleen worden geselecteerd omdat dit gebruikelijk is in de branche.

Test- en kwaliteitscontrolecomponenten

Testen maakt deel uit van het ontwerp van het batterijpakket. Een betrouwbare fabrikant moet definiëren hoe cellen, subassemblages en voltooide pakketten worden geïnspecteerd en getest.

Typische controles kunnen zijn:

• Controles van binnenkomende celcapaciteit, spanning en interne weerstand
• Celmatching en consistentiecontroles
• Lassterkte- en elektrische weerstandscontroles
• Isolatie- en hoogspanningstests, indien van toepassing
• BMS-beveiliging en communicatietests
• Prestatietests voor opladen en ontladen
• Temperatuursensor- en thermische beschermingstests
• Trillings-, val-, afdichtings- of omgevingstests indien vereist

Certificerings- en transportvereisten zijn afhankelijk van de toepassings- en bestemmingsmarkt. Veel voorkomende referenties zijn onder meerEN 38.3 voor transport en UL- of IEC-normen voor productveiligheid. Ze moeten vroegtijdig worden geïdentificeerd omdat ze de celselectie, het ontwerp van de behuizing, de etikettering, de documentatie en de productietests kunnen beïnvloeden.

Hoe werken deze componenten samen?

De componenten zijn onderling afhankelijk. Voor het verhogen van de ontlaadstroom kunnen bijvoorbeeld grotere cellen, dikkere rails, connectoren met een hoger vermogen, een andere zekering, meer thermisch beheer en een GBS met een hogere stroomsterkte nodig zijn.

Het verkleinen van de behuizingsgrootte kan een ander celformaat, een strakker thermisch ontwerp, aangepaste connectoren en een herzien assemblageproces vereisen. Het toevoegen van CAN-communicatie kan invloed hebben op het BMS, de kabelboom, de firmware, het testen en de integratie van apparatuur.

Dit is de reden waarom een op maat gemaakt accupakket moet worden ontworpen als een compleet systeem in plaats van samengesteld uit een lijst van niet-gerelateerde onderdelen.

Toepassingen en veiligheidsoverwegingen

Dezelfde kerncomponenten komen voor in zeer verschillende toepassingen, van elektrische voertuigen en e-mobiliteit tot consumentenelektronica, stationaire energieopslag en medische apparatuur, maar de ontwerpprioriteiten verschuiven bij elke toepassing. Een EV-pakket is gebouwd rond een hoge stroomsterkte en een lange levensduur met vloeistofkoeling, terwijl een consumentenelektronicapakket is gebouwd rond lage kosten en een compact formaat met eenvoudigere luchtkoeling.

Voor alle toepassingen moeten dezelfde foutmodi worden ontworpen tegen: externe en interne kortsluiting, thermische overbelasting, overbelasting en mechanische schade zoals verbrijzeling of stoten. Het GBS, de zekeringen, de contactors en de behuizing werken samen om deze risico's te verminderen, maar kunnen de correcte celselectie en het mechanische ontwerp van meet af aan niet volledig vervangen. Zie onze gids opthermische vluchteling voor een nadere blik op deze faalmodus.

Wat moeten OEM-kopers aan een batterijfabrikant geven?

Een fabrikant kan de juiste componenten efficiënter aanbevelen als de initiële specificatie het volgende omvat:

• Nominale spanning en spanningslimieten
• Vereiste capaciteit of looptijd
• Continue en piekontlaadstroom
• Laadspanning, stroom en type lader
• Maximale afmetingen en gewicht
• Connector-, kabel- en montagevereisten
• Bedrijfs-, oplaad- en opslagtemperaturen
• Communicatieprotocol en gegevensvereisten
• Bescherming tegen binnendringing, trillingen en milieuvereisten
• Levensduur, certificering, prototype, MOQ en productiedoelstellingen

Voor leveranciersevaluatie, zie onze gids ophoe u de beste fabrikant van lithiumbatterijen kiest.

Veelgestelde vragen

Should I select the cells or the BMS first?

Definieer eerst de elektrische vereisten (spanning, capaciteit, stroom en temperatuurbereik) en selecteer vervolgens de celchemie en het formaat. Het GBS wordt gekozen of ontworpen om te passen bij de celconfiguratie, en niet andersom. Het selecteren van een GBS voordat de cellen voltooid zijn, dwingt vaak tot een herontwerp.

Wat is een typische MOQ voor een op maat gemaakt lithium-ionbatterijpak?

MOQ is afhankelijk van celformaat, behuizingstools en BMS-aanpassing. Batterijpakketten opgebouwd uit standaardcellen en een configureerbaar BMS kunnen soms beginnen met lage prototypehoeveelheden, terwijl pakketten die aangepaste gereedschappen of een volledig op maat gemaakt BMS vereisen doorgaans een hogere productieverplichting vereisen. Deel uw doelvolume vroeg, zodat de fabrikant de juiste aanpak kan aanbevelen.

Kan een bestaand gebouwbeheersysteem worden hergebruikt met een andere celchemie of spanning?

Niet zonder technische beoordeling. Een BMS is geconfigureerd voor een specifieke celchemie, celtelling, spanningsvenster en stroombereik. Hergebruik van een gebouwbeheersysteem buiten de ontworpen parameters kan onnauwkeurige beveiligingsdrempels of onbetrouwbare balancering veroorzaken.

Welke certificeringen heeft een op maat gemaakt accupakket nodig?

Vereisten zijn afhankelijk van de toepassing en de bestemmingsmarkt. Veel voorkomende referenties zijn UN 38.3 voor transport en UL- of IEC-normen voor productveiligheid. Certificeringsbehoeften moeten worden gedefinieerd voordat de celselectie en het ontwerp van de behuizing worden afgerond, omdat beide de testresultaten kunnen beïnvloeden.

Hoe lang duurt het voordat ik een offerte voor een accupakket op maat ontvang?

Een fabrikant kan doorgaans binnen 1 tot 2 werkdagen een eerste aanbeveling doen zodra de spanning, capaciteit, stroom, afmetingen, gebruiksomgeving en productievolume bekend zijn.

Conclusie

De componenten van het lithium-ionbatterijpakket werken als één systeem. Cellen leveren de energie, het BMS bestuurt en beschermt het pakket, verbindingen voeren stroom, de behuizing biedt mechanische bescherming, thermische componenten beheren de warmte en connectoren en communicatie-interfaces integreren de batterij met de apparatuur.

De beste componentselectie hangt af van de toepassing en niet alleen van één specificatie. Een succesvol ontwerp balanceert spanning, capaciteit, stroom, grootte, veiligheid, levensduur, maakbaarheid, certificering en totale eigendomskosten.

Als u een op maat gemaakt lithium-ionbatterijpak ontwikkelt, deel dan uw elektrische, mechanische, milieu- en productievereisten. Onze ingenieurs kunnen u een praktische componentarchitectuur aanbevelen en binnen 1-2 werkdagen een eerste oplossing bieden.