Nøkkel takeaway:
- Litium-ion-batteripakker er komplekse enheter som inkluderer celler, et batteriledelsessystem (BMS), passive komponenter, en kabinett og et termisk styringssystem. De driver et stort utvalg av applikasjoner, fra forbrukerelektronikk til elektriske kjøretøyer, og krever nøye prosjektering for å sikre sikkerhet, effektivitet og pålitelighet.
EN litium-ion-batteri Pack er en samling av litium-ion-celler, et batteriledelsessystem og forskjellige støttekomponenter som alle er inneholdt i en kabinett. Det gir oppladbar energilagring og strøm for utallige forbrukerelektronikk, elektriske kjøretøyer, nettlagringssystemer og andre industrielle applikasjoner.
Mens litium-ion-celler gir den grunnleggende elektriske kapasiteten, er de andre integrerte komponentene like kritiske for å muliggjøre sikker, effektiv og pålitelig funksjonalitet. I denne guiden vil vi se nærmere på de tekniske aspektene ved hver kjernelitium-ion batteripakke-komponent.
Nøkkelkomponenter oversikt
Litium-ion batteripakker inkluderer følgende hovedkomponenter:
- Litium-ion-celler – Den grunnleggende elektrokjemiske enheten som gir elektrisk lagringskapasitet. Flere celler kombineres for å oppnå ønsket spenning og kapasitet.
- Batteristyringssystem (BMS) – "Hjerne" som overvåker celleforholdene og kontrollerer sikkerhet og ytelse.
- Passive komponenter – Gi struktur, sammenkobling, isolasjon og kjøling.
- Innkapsling – Hus og beskytter alle interne komponenter.
- Termisk styringssystem – Opprettholder optimale celletemperaturer for drift.
- Ytterligere elektronikk – Lagt til funksjoner som forbedrer funksjonalitet og integrasjon.
Deretter skal vi utforske hver av disse komponentene i større tekniske detaljer.
Litium-ion-celler: Den elektrokjemiske strømkilden
Litium-ion-celler bruker litiumion-interkalasjonskjemi for å reversibelt lagre elektrisk energi elektrokjemisk. Innenfor cellen, positivt ladet litiumioner som skyttelt mellom en grafittanode og litiert metalloksydkatode som celle lades og slipper ut. En organisk elektrolytt tillater ionetransport mens en porøs separator forhindrer elektrisk kontakt mellom elektroder.
Celler kommer i forskjellige standardstørrelser og formfaktorer:
- Sylindrisk (f.eks. 18650, 21700, 4680): Spiralt sårelektrode/separatorlag i en sylindrisk metallboks. Høyere effekttetthet, men lavere energitetthet sammenlignet med posceller. Vanlige formater:
- 18650 – 18 mm diameter, 65 mm høyde, typisk kapasitet på 1,5–3aH
- 21700 – 21mm diameter, 70 mm høyde, opptil 5AH kapasitet
- 4680 – 46 mm diameter, 80 mm høyde, 10-50AH kapasitet
- Prismatisk – Vekslende katode-, anode- og separatorlag stablet og brettet inn i et prismatisk aluminiumshus. Maksimerer volumetrisk energitetthet, men lavere strømtetthet. Vanlige formater:
- 10Ah og 30AH kapasiteter ved lave C-rater
- Dimensjoner rundt 100 x 200 x 10mm
- Pose – Elektroder og separator forseglet i en metallisert laminatpose. Også kjent som polymerceller. Fleksibel og lett. Kostnadseffektivt, men mindre holdbart foringsrør. Typiske kapasitetsvurderinger fra 1AH til over 300AH.
Litium-ion-celler bruker også forskjellige katodekjemi, og påvirker spenning, kapasitet og sikkerhet:
- Litium koboltoksyd (LCO) - 3,6V nominell spenning, høy energitetthet, men sikkerhetsproblemer ved forhøyede temperaturer
- Litium manganoksid (LMO) - 3,7V, tryggere og lengre sykluslevetid, men lavere kapasitet
- Litiumjernfosfat (LFP) – 3.2V, veldig trygg og holdbar, men lavere energitetthet
- Litium nikkel mangan koboltoksyd (NMC) – 3.6/3.7V, høy kapasitet og energitetthet, men mer kompleks produksjon
- Litiumnikkel koboltaluminium (NCA) - 3,6V, høy kapasitet og strømtetthet, men kortere batterilevetid
Når du velger celler, evaluerer ingeniører parametere som nominell spenning, kapasitet, C-rate, syklus levetid, formfaktor, sikkerhet, kostnad og tilgjengelighet for å oppfylle applikasjonskrav. NMC og NCA -kjemikalier med høy kapasitet har blitt vanlig for applikasjoner med høy ytelse.
Batteristyringssystem (BMS)
De Batteriadministrasjonssystem fungerer som "hjernen" som kontrollerer den generelle driften av batteripakken. BMS overvåker celleforhold, kontrollerer sikkerhetsmekanismer, balanserer celler og gir kommunikasjonsgrensesnitt. Kompleksiteten til BMS avhenger av pakkestørrelse og funksjonalitet. Små forbruker BMS kan bare inkludere:
- Overvåking av cellespenninger og temperaturer
- Forhindrer overladning og overutladning
- Balanserende cellespenninger
Mens stor EV -trekkpakke gir BMS omfattende funksjonalitet:
- Høy nøyaktighetsovervåking av spenning (± 15 mV), strøm (± 1-2%) og temperatur (± 1 ° C) for hver celle
- Aktiv cellebalansering via shunting eller multi-winding transformatorer
- Kontrollerende kontaktorer og sikringer for elektrisk isolasjon
- Kompleks tilstand av ladning og helseestimeringsalgoritmer
- Termisk styring via kjølesystemkontroll
- Høyhastighet kritisk feildeteksjon – Åpen/kortslutning, overtemperatur
- Hundrevis av sensorinnganger og kontrollutganger
- Kjøretøyskommunikasjonsgrensesnitt – Can, Lin, Flexray, Automotive Ethernet
- Sikker autentisering, tuklingsbeskyttelse, firmwareoppdateringer over luften
- Detaljert datalogging for diagnostikk og telling av syklus
kilde: ResearchGate
BMS -maskinvaren består typisk av sensorgrensesnitt -IC -er, ADC -er, mikrokontrollere og strømstyringskretser montert på et trykt kretskort. Høyspenningsisolasjon og robuste forbindelser er kritiske for sikkerhet og pålitelighet.
Passive komponenter
I tillegg til celler og BMS, inkluderer litium-ion-batteripakker forskjellige passive komponenter:
- Bussstenger - gir lave motstandsforbindelser mellom celler og terminaler. Høy strømkapasitet påkrevd – Opptil 1000A i EV -pakker. Kobber- eller aluminiumsbussbarer kan være nakne, belagt eller belagt. Busstangdesign minimerer induktansen mens den opprettholder isolasjon.
- Termisk grensesnittmateriale – Brukes mellom celler og innkapslingsvegger eller kjølekanaler. Silikonelastomerer, termisk ledende bånd og fyllingsputer maksimerer varmeoverføring. Faseendringsmaterialer gir høy termisk kapasitans.
- Lim og bånd - gir elektrisk isolasjon og vibrasjonsmotstand. Materialer inkluderer polyuretan, akryllim og silikon. Dobbeltsidig termisk ledende bånd er vanlige. Streng UL94 V-0 brennbarhetsvurdering.
- Sikring og kontaktorer - Beskytt mot overstrømsfeil. Tillat også sikker elektrisk isolasjon. Høyspenning og strømvurderinger kreves. Sikring kan integreres i BMS. Forhåndsavgiftskretser begrenser strøm.
- Cell -sammenkoblinger - Bli med på celleterminaler i serie. Må håndtere høy strømtetthet. Ultralyd-, laser- og motstandssveising brukt.
Nøye valg av disse passive komponentene sikrer elektrisk, termisk og mekanisk integritet av batteripakken under krevende forhold.
Batteripakkeinnkapsling
Batteripakkeinnkapslingen eller huset gir:
- Beskyttelse – Beskytter celler mot mekanisk misbruk, påvirkning, støv, væsker. Tillater bare riktige elektriske tilkoblinger. Gir IP -rangering basert på applikasjon.
- Strukturell støtte – Gir nødvendig stivhet for celle stabling og montering. Grensesnitt med applikasjonsramme og parentes.
- Kjølekanaler – Tillater luftstrøm eller flytende kjølevæskesirkulasjon over celler og BMS. Kan omfatte integrerte kjølefinner.
- Isolasjon – Elektrisk isolerer høyspenningskomponenter som bussstenger og terminaler.
- Miljøforsegling - forhindrer fuktighetsinngrep. Nødvendig for litium-ion kjemikalier.
Vanlige kabinettmaterialer inkluderer metaller som aluminium for utmerkede termiske egenskaper, og konstruerte plastblandinger for lettere vekt og korrosjonsmotstand. Metallisert og karbonfiberarmert plast gir strukturell stivhet og skjerming.
Kabinetter har ofte flyttbare tilgangspaneler for service og modulære pakkedesign for installasjonsfleksibilitet. Strukturelle lim, pakninger og isolerende membraner holder komponenter sikkert montert og isolert.
Termisk styringssystem
Å opprettholde riktige celletemperaturer er avgjørende for sikker og optimal ytelse av litium-ion-batteripakker. Selv om litium-ion-celler presterer godt rundt 15-35 ° C, nedbryter operasjonen utenfor dette området ytelse og levetid:
- Utladningskapasiteten avtar under frysing. Intern motstand øker.
- Over ~ 50 ° C Rask kapasitet Fade og aldring oppstår.
- Over ~ 60 ° C -risiko for termisk løp eskalerer.
Dermed må det termiske styringssystemet avkjøle celler under drift og varme dem opp når de er statiske under kalde omgivelsesforhold. Typiske kjølemetoder inkluderer:
- Passiv luft – Kjøling via finner og kanaler. Brukes i mindre pakker med lavere varmeutgang.
- Tvang luft – Aksial- eller sentrifugalvifter forbedrer luftstrømningshastigheten og varmeoverføringen. Kanaler optimaliserer strømningsfordelingen.
- Flytende kjøling – Jakker, tallerkener eller mikrokanaler Sirkulasjon En vann/glykolblanding eller dielektrisk væske. Veldig effektiv for høye kraftpakker >5kw.
- Faseendringsmaterialer – Voklignende materialer som absorberer varmen mens de smelter. Brukes i kabinetter eller som termiske pads.
- Termoelektrisk - Peltier -enheter genererer en temperaturdifferensial når den er drevet. Kompakt solid-state kjøling.
Oppvarming er også kritisk for kaldt klimaoperasjon. Oppvarmingsmetoder inkluderer:
- Elektriske varmeovner – Resistive ovner festet til pakkekabinett.
- Varmepumper – Omvendt termoelektriske enheter eller kompakte kjølemediumsløyfer.
- Avfallsvarme – Fange opp motstandstap fra lading og utskrivning.
BMS overvåker celletemperaturer og kontrollerer kjøling eller oppvarming deretter basert på proprietære kontrollalgoritmer. Store batteripakker kan dele seg i termiske soner med uavhengig temperaturregulering.
Ytterligere komponenter
Avhengig av kostnads-, skjemafaktor og applikasjonskrav, kan litium-ion-batteripakker inneholde flere komponenter:
- Vekker krets – Vekker å sove BMS når lading/utslipp begynner. Forbedrer standby -strøm.
- Cellebalansering kretsløp – Aktiv balansering gir mer presisjon enn passiv balansering alene. Krever ekstra kompleksitet.
- Precharge Circuit – Begrenser for å koble strøm når du kobler til pakke. Bruker motstander eller aktiv bytte. Beskytter BMS og kontaktorer.
- Lader – Ombord ladingskontrollelektronikk for DC hurtiglading. Fjerner behovet for en ekstern lader.
- Kommunikasjon – Utover et grunnleggende BMS -grensesnitt, kan pakker inkludere trådløse moduler eller Power Line Communication (PLC) for fjernkontroll og diagnostikk.
- Varmeovner – Gi kontrollert oppvarming for drift av kaldt vær. Bidra til å oppnå optimale celletemperaturer.
- Cellebytte – Bytter grupper av celler av/på for termisk styring og balansering. Krever mange ekstra brytere og kompleks kontrolllogikk.
- Status LED -er – Angi visuelt grunnleggende pakkestatus til brukeren – Lading, feil, beredskap etc.
Litium-ion batteripakke-applikasjoner
Nå som vi har undersøkt de interne komponentene, la oss undersøke hvordan litium-ion-batteripakker brukes i store bransjer og applikasjoner:
- Elektriske kjøretøyer - gir fremdriftskraft til full elektriske og hybridbiler. Krever veldig høy kapasitet (50-100kWh), krafttetthet, sikkerhet og syklus levetid. Komplekse flytende avkjølte design.
- Forbrukerelektronikk - Mobiltelefoner, bærbare datamaskiner, elektroverktøy og andre bærbare enheter. Fokuser på kostnader, kompakt størrelse og lett. Luftkjølt pose eller prismatiske celler i plastkapslinger. 1-100Wh kapasitetsområde.
- Luftfart - brukt i fly til nødkraft og for å starte motorer. Holdbare design tåler vibrasjon. Sikkerhet og pålitelighet er kritisk.
- Stasjonær lagring-Lagring av nettet energi, sikkerhetskopiering, sol-/vindsystemer utenfor nettet. Fokuser på lave kostnader, lang syklusliv. Luft/væske avkjølt i stativer eller containere.
- Medisinsk utstyr - implanterbare og bærbare medisinske utstyr. Veldig kompakte, trygge og holdbare batterier er påkrevd. Ultratin fleksible celler ned til 100 mikron tykke.
Denne oversikten illustrerer det brede spekteret av litium-ion batteripakke-design skreddersydd for å oppfylle enormt forskjellige applikasjonskrav på tvers av bransjer.
Litium-ion batterisikkerhet
Å jobbe med litium-ion batteripakker krever riktige sikkerhetsforholdsregler. Selv om det er generelt trygt hvis de er designet og håndtert riktig, kan mangelfulle eller skadede celler raskt overopphetes og antenne. Nøkkelrisiko inkluderer:
- Ekstern kortslutning – fører raskt til høy strøm og oppvarming.
- Intern kortslutning – forårsaket av celleskader. Farligste feilmodus.
- Termisk løp – Selvoppvarming til celleventiler eller brenner. Kan forplante seg mellom celler.
- Overlading – Cellespenning over grenser forårsaker nedbrytning av elektrolytt.
- Knus/påvirkning – Knuser separator som tillater intern kortslutning.
- Feil montering – Løse komponenter og høye motstandspunkter genererer lokalisert varme.
BMS og andre beskyttelseskretser er designet for å minimere disse risikoene under normal drift og feil. Imidlertid bør arbeidstakere ta forholdsregler når de transporterer, installerer, betjener eller disponerer litium-ion-batteripakker:
- Bruk passende PPE – Øyebeskyttelse, hansker, flammebestandige klær. Unngå metalliske smykker.
- Bruk isolerte verktøy merket for bruk på live batteripakker.
- Unngå kortslutningsterminaler eller bussstenger.
- Holder strengt til frakt og håndtere forskrifter for litiumbatterier.
- Utslipp brukte batterier for å spare spenning før avhending.
- Lagre og lade på ikke -brennbare overflater bort fra brennbare.
- Ha en slukker for hånden i tilfelle en brannsituasjon.
Å følge retningslinjer for beste praksis for sikker håndtering er avgjørende når du jobber med litium-ion-batteripakker.
Konklusjon
Litium-ion-batteripakker har mange komponenter, inkludert celler, BMS-elektronikk, termisk styring og kabinettdesign. Ingeniører må balansere kostnader, ytelse, sikkerhet og produserbarhet når du designer batteripakker.
Fortsatte teknologiforbedringer vil muliggjøre tryggere, billigere, mindre og kraftigere litium-ion-pakker. Bedrifter må holde seg oppdatert om de siste fremskrittene for å forbli konkurransedyktige.
Relaterte artikler:
