Kluczowe dania na wynos:
- Zestawy akumulatorów litowo-jonowych to złożone zespoły obejmujące ogniwa, system zarządzania akumulatorem (BMS), elementy pasywne, obudowę i system zarządzania temperaturą. Zasilają szeroką gamę zastosowań, od elektroniki użytkowej po pojazdy elektryczne, i wymagają starannej inżynierii, aby zapewnić bezpieczeństwo, wydajność i niezawodność.
A akumulator litowo-jonowy Pack to zespół ogniw litowo-jonowych, systemu zarządzania baterią i różnych elementów pomocniczych, a wszystko to zawarte w obudowie. Zapewnia możliwość magazynowania energii i zasilania niezliczonej ilości urządzeń elektronicznych, pojazdów elektrycznych, sieciowych systemów magazynowania i innych zastosowań przemysłowych.
Podczas gdy ogniwa litowo-jonowe zapewniają podstawową pojemność elektryczną, inne zintegrowane komponenty są równie istotne, jeśli chodzi o zapewnienie bezpiecznej, wydajnej i niezawodnej funkcjonalności. W tym przewodniku przyjrzymy się bliżej technicznym aspektom każdego podstawowego elementu zestawu akumulatorów litowo-jonowych.
Przegląd kluczowych komponentów
Zestawy akumulatorów litowo-jonowych składają się z następujących głównych elementów:
- Ogniwa litowo-jonowe – Podstawowa jednostka elektrochemiczna zapewniająca zdolność magazynowania energii elektrycznej. Aby uzyskać pożądane napięcie i pojemność, łączy się wiele ogniw.
- System zarządzania baterią (BMS) – „Mózg” monitorujący stan komórki oraz kontrolujący bezpieczeństwo i wydajność.
- Elementy pasywne – Zapewnij strukturę, wzajemne połączenia, izolację i chłodzenie.
- Załącznik – Mieści i chroni wszystkie elementy wewnętrzne.
- System zarządzania ciepłem – Utrzymuje optymalną temperaturę ogniw do pracy.
- Dodatkowa elektronika – Dodano funkcje zwiększające funkcjonalność i integrację.
Następnie zbadamy każdy z tych komponentów bardziej szczegółowo pod względem technicznym.
Ogniwa litowo-jonowe: elektrochemiczne źródło energii
Ogniwa litowo-jonowe wykorzystują chemię interkalacji jonów litu do odwracalnego, elektrochemicznego magazynowania energii elektrycznej. Wewnątrz ogniwa dodatnio naładowane jony litu przemieszczają się pomiędzy anodą grafitową a katodą z litowanego tlenku metalu podczas ładowania i rozładowywania ogniwa. Elektrolit organiczny umożliwia transport jonów, a porowaty separator zapobiega kontaktowi elektrycznemu pomiędzy elektrodami.
Ogniwa są dostępne w różnych standardowych rozmiarach i obudowach:
- Cylindryczny (np. 18650, 21700, 4680): spiralnie nawinięte warstwy elektrody/separatora w cylindrycznej metalowej puszce. Wyższa gęstość mocy, ale niższa gęstość energii w porównaniu do ogniw woreczkowych. Typowe formaty:
- 18650 – Średnica 18 mm, wysokość 65 mm, typowa pojemność 1,5–3 Ah
- 21700 – Średnica 21 mm, wysokość 70 mm, pojemność do 5 Ah
- 4680 – Średnica 46 mm, wysokość 80 mm, pojemność 10-50 Ah
- Pryzmatyczny – naprzemienne warstwy katody, anody i separatora ułożone i złożone w pryzmatycznej aluminiowej obudowie. Maksymalizuje wolumetryczną gęstość energii, ale zmniejsza gęstość mocy. Typowe formaty:
- Pojemności 10Ah i 30Ah przy niskich współczynnikach C
- Wymiary około 100x200x10mm
- Kieszonka – elektrody i separator zamknięte w torebce z metalizowanego laminatu z tworzywa sztucznego. Znane również jako ogniwa polimerowe. Elastyczny i lekki. Ekonomiczna, ale mniej trwała obudowa. Typowe pojemności znamionowe od 1Ah do ponad 300Ah.
Ogniwa litowo-jonowe wykorzystują również inną chemię katod, co ma wpływ na napięcie, pojemność i bezpieczeństwo:
- Tlenek litu i kobaltu (LCO) – napięcie nominalne 3,6 V, duża gęstość energii, ale obawy dotyczące bezpieczeństwa w podwyższonych temperaturach
- Tlenek litowo-manganowy (LMO) – 3,7 V, bezpieczniejszy i dłuższy cykl życia, ale mniejsza pojemność
- Fosforan litowo-żelazowy (LFP) – 3,2 V, bardzo bezpieczne i trwałe, ale o niższej gęstości energii
- Tlenek kobaltu litowo-niklowo-manganowego (NMC) – 3,6/3,7 V, duża pojemność i gęstość energii, ale bardziej złożona produkcja
- Litowo-niklowo-kobaltowo-aluminiowy (NCA) – 3,6 V, duża pojemność i gęstość mocy, ale krótsza żywotność baterii
Wybierając ogniwa, inżynierowie oceniają parametry, takie jak napięcie nominalne, pojemność, współczynnik C, cykl życia, współczynnik kształtu, bezpieczeństwo, koszt i dostępność, aby spełnić wymagania aplikacji. Substancje chemiczne NMC i NCA o dużej wydajności stały się powszechne w zastosowaniach wymagających wysokiej wydajności.
System zarządzania baterią (BMS)
The system zarządzania baterią służy jako „mózg” kontrolujący ogólne działanie pakietu akumulatorów. BMS monitoruje stan ogniw, kontroluje mechanizmy bezpieczeństwa, równoważy ogniwa i zapewnia interfejsy komunikacyjne. Złożoność BMS zależy od wielkości opakowania i funkcjonalności. Mały konsumencki BMS może po prostu obejmować:
- Monitorowanie napięć i temperatur ogniw
- Zapobieganie przeładowaniu i nadmiernemu rozładowaniu
- Równoważenie napięć ogniw
Podczas gdy duży pakiet trakcji EV BMS zapewnia szeroką funkcjonalność:
- Wysoka dokładność monitorowania napięcia (±15 mV), prądu (±1-2%) i temperatury (±1°C) dla każdego ogniwa
- Aktywne równoważenie ogniw poprzez transformatory bocznikowe lub wielouzwojeniowe
- Sterowanie stycznikami i bezpiecznikami w celu izolacji galwanicznej
- Złożone algorytmy szacowania stanu naładowania i kondycji
- Zarządzanie temperaturą poprzez sterowanie systemem chłodzenia
- Szybkie wykrywanie usterek krytycznych – przerwa/zwarcie, nadmierna temperatura
- Setki wejść czujników i wyjść sterujących
- Interfejsy komunikacyjne pojazdu – CAN, LIN, FlexRay, Ethernet samochodowy
- Bezpieczne uwierzytelnianie, ochrona przed manipulacją, aktualizacje oprogramowania sprzętowego drogą bezprzewodową
- Szczegółowa rejestracja danych na potrzeby diagnostyki i liczenia cykli
źródło: Brama Badawcza
Sprzęt BMS składa się zazwyczaj z układów scalonych interfejsu czujników, przetworników ADC, mikrokontrolerów i obwodów zarządzania energią zamontowanych na płytce drukowanej. Izolacja wysokiego napięcia i solidne połączenia mają kluczowe znaczenie dla bezpieczeństwa i niezawodności.
Komponenty pasywne
Oprócz ogniw i BMS, akumulatory litowo-jonowe zawierają różne elementy pasywne:
- Szyny zbiorcze – zapewniają połączenia o niskiej rezystancji pomiędzy ogniwami i zaciskami. Wymagana duża wydajność prądowa – do 1000A w pakietach EV. Szyny zbiorcze miedziane lub aluminiowe mogą być gołe, platerowane lub powlekane. Konstrukcja szyny zbiorczej minimalizuje indukcyjność przy jednoczesnym zachowaniu izolacji.
- Materiał interfejsu termicznego – Stosowany pomiędzy ogniwami a ścianami obudowy lub kanałami chłodzącymi. Elastomery silikonowe, taśmy przewodzące ciepło i podkładki wypełniające szczeliny maksymalizują przenikanie ciepła. Materiały zmiennofazowe zapewniają wysoką pojemność cieplną.
- Kleje i taśmy – zapewniają izolację elektryczną i odporność na wibracje. Materiały obejmują poliuretan, kleje akrylowe i silikon. Powszechnie stosowane są dwustronne taśmy termoprzewodzące. Ścisła ocena palności UL94 V-0.
- Bezpieczniki i styczniki – chronią przed skutkami przetężenia. Umożliwiają także bezpieczną izolację elektryczną. Wymagane wysokie napięcie i prąd znamionowy. Bezpieczniki mogą być zintegrowane z BMS. Obwody wstępnego ładowania ograniczają prąd rozruchowy.
- Połączenia komórkowe – Połącz terminale komórkowe szeregowo. Musi obsługiwać dużą gęstość prądu. Stosowane jest zgrzewanie ultradźwiękowe, laserowe i oporowe.
Staranny dobór tych elementów pasywnych zapewnia integralność elektryczną, termiczną i mechaniczną pakietu akumulatorów w wymagających warunkach.
Obudowa zestawu akumulatorów
Obudowa lub obudowa zestawu akumulatorów zapewnia:
- Ochrona – Chroni komórki przed uszkodzeniami mechanicznymi, uderzeniami, kurzem i płynami. Umożliwia jedynie prawidłowe połączenia elektryczne. Zapewnia ocenę IP na podstawie aplikacji.
- Wsparcie strukturalne – Zapewnia wymaganą sztywność przy układaniu i montażu ogniw. Interfejsy z ramką aplikacyjną i wspornikami.
- Kanały chłodzące – Umożliwia przepływ powietrza lub cyrkulację cieczy chłodzącej pomiędzy ogniwami i systemem BMS. Może zawierać zintegrowane żebra chłodzące.
- Izolacja – Izoluje elektrycznie komponenty wysokiego napięcia, takie jak szyny zbiorcze i zaciski.
- Uszczelnienie środowiskowe – zapobiega wnikaniu wilgoci. Niezbędny w chemii litowo-jonowej.
Typowe materiały obudów obejmują metale takie jak aluminium, zapewniające doskonałe właściwości termiczne, oraz opracowane mieszanki tworzyw sztucznych, zapewniające mniejszą wagę i odporność na korozję. Metalizowane i wzmocnione włóknem węglowym tworzywa sztuczne zapewniają sztywność konstrukcyjną i ekranowanie.
Obudowy często są wyposażone w zdejmowane panele dostępowe umożliwiające serwisowanie oraz modułową konstrukcję pakietów zapewniającą elastyczność instalacji. Kleje strukturalne, uszczelki i membrany izolacyjne zapewniają bezpieczne zamontowanie i izolację komponentów.
System zarządzania temperaturą
Utrzymanie właściwej temperatury ogniw ma kluczowe znaczenie dla bezpiecznego i optymalnego działania akumulatorów litowo-jonowych. Chociaż ogniwa litowo-jonowe działają dobrze w temperaturze około 15–35°C, praca poza tym zakresem pogarsza wydajność i żywotność:
- Wydajność rozładowania spada poniżej temperatury zamarzania. Zwiększa się opór wewnętrzny.
- Powyżej ~50°C następuje szybki spadek pojemności i starzenie się.
- Powyżej ~60°C ryzyko niekontrolowanej temperatury wzrasta.
Zatem system zarządzania temperaturą musi chłodzić ogniwa podczas pracy i podgrzewać je, gdy są statyczne, w zimnych warunkach otoczenia. Typowe metody chłodzenia obejmują:
- Pasywne powietrze – Chłodzenie za pomocą żeber i kanałów. Stosowany w mniejszych opakowaniach o niższej mocy cieplnej.
- Wymuszone powietrze – Wentylatory osiowe lub odśrodkowe poprawiają przepływ powietrza i wymianę ciepła. Kanały optymalizują rozkład przepływu.
- Chłodzenie cieczą – W płaszczach, płytkach lub mikrokanałach krąży mieszanina wody i glikolu lub płyn dielektryczny. Bardzo skuteczny w przypadku pakietów dużej mocy >5kW.
- Materiały zmieniające fazę – Materiały woskopodobne pochłaniające ciepło podczas topienia. Stosowane w obudowach lub jako podkładki termiczne.
- Termoelektryczne – urządzenia Peltiera generują różnicę temperatur po włączeniu zasilania. Kompaktowe chłodzenie półprzewodnikowe.
Ogrzewanie ma również kluczowe znaczenie dla pracy w zimnym klimacie. Metody ogrzewania obejmują:
- Grzejniki elektryczne – Grzejniki oporowe przymocowane do obudowy pakietu.
- Pompy ciepła – Odwrotne urządzenia termoelektryczne lub kompaktowe pętle czynnika chłodniczego.
- Ciepło odpadowe – Wychwytywanie strat rezystancyjnych podczas ładowania i rozładowywania.
BMS monitoruje temperaturę ogniw i odpowiednio steruje chłodzeniem lub ogrzewaniem w oparciu o zastrzeżone algorytmy sterujące. Duże akumulatory mogą dzielić się na strefy termiczne z niezależną regulacją temperatury.
Dodatkowe komponenty
W zależności od kosztów, kształtu i wymagań aplikacji, akumulatory litowo-jonowe mogą zawierać dodatkowe elementy:
- Obwód budzenia – Budzi uśpiony BMS, gdy rozpoczyna się ładowanie/rozładowywanie. Poprawia prąd czuwania.
- Równoważenie komórek obwody – Aktywne równoważenie zapewnia większą precyzję niż samo równoważenie pasywne. Wymaga dodatkowej złożoności.
- Obwód wstępnego ładowania – Ogranicza prąd rozruchowy podczas podłączania pakietu. Wykorzystuje rezystory lub aktywne przełączanie. Chroni BMS i styczniki.
- Rumak – Wbudowana elektronika sterująca ładowaniem do szybkiego ładowania prądem stałym. Eliminuje potrzebę stosowania zewnętrznej ładowarki.
- Komunikacja – Oprócz podstawowego interfejsu BMS pakiety mogą zawierać moduły bezprzewodowe lub komunikację poprzez linię zasilania (PLC) do zdalnego sterowania i diagnostyki.
- Grzejniki – Zapewnij kontrolowane ogrzewanie podczas pracy w niskich temperaturach. Pomóż osiągnąć optymalną temperaturę ogniw.
- Przełączanie komórek – Włącza/wyłącza grupy ogniw w celu zarządzania temperaturą i równoważenia. Wymaga wielu dodanych przełączników i złożonej logiki sterowania.
- Diody stanu – Wizualnie wskaż użytkownikowi podstawowy stan pakietu – ładowanie, usterka, tryb gotowości itp.
Zastosowania akumulatorów litowo-jonowych
Teraz, gdy zbadaliśmy wewnętrzne komponenty, przyjrzyjmy się, w jaki sposób akumulatory litowo-jonowe są stosowane w głównych gałęziach przemysłu i zastosowaniach:
- Pojazdy elektryczne – zapewniają moc napędową pojazdom w pełni elektrycznym i hybrydowym. Wymagają bardzo dużej pojemności (50-100 kWh), gęstości mocy, bezpieczeństwa i żywotności. Złożone konstrukcje chłodzone cieczą.
- Elektronika użytkowa – telefony komórkowe, laptopy, elektronarzędzia i inne urządzenia przenośne. Skoncentruj się na kosztach, kompaktowych rozmiarach i lekkości. Chłodzone powietrzem etui lub ogniwa pryzmatyczne w plastikowych obudowach. Zakres pojemności 1-100 Wh.
- Przemysł lotniczy – używany w samolotach do awaryjnego zasilania i uruchamiania silników. Trwałe konstrukcje są odporne na wibracje. Bezpieczeństwo i niezawodność są tu najważniejsze.
- Magazynowanie stacjonarne – magazynowanie energii w sieci, zasilanie rezerwowe, systemy fotowoltaiczne/wiatrowe poza siecią. Skoncentruj się na niskich kosztach i długim cyklu życia. Chłodzone powietrzem/cieczą w stojakach lub pojemnikach.
- Wyroby medyczne – wszczepialne i nadające się do noszenia wyroby medyczne. Wymagane są bardzo kompaktowe, bezpieczne i trwałe akumulatory. Ultracienkie, elastyczne ogniwa o grubości do 100 mikronów.
Ten przegląd ilustruje szeroką gamę konstrukcji akumulatorów litowo-jonowych dostosowanych do spełnienia bardzo różnych wymagań aplikacji w różnych branżach.
Bezpieczeństwo baterii litowo-jonowych
Praca z akumulatorami litowo-jonowymi wymaga zachowania odpowiednich środków bezpieczeństwa. Chociaż ogólnie bezpieczne, jeśli są zaprojektowane i obsługiwane prawidłowo, wadliwe lub uszkodzone ogniwa mogą szybko się przegrzać i zapalić. Kluczowe ryzyka obejmują:
- Zewnętrzne zwarcie – szybko prowadzi do wysokiego prądu i ogrzewania.
- Wewnętrzne zwarcie – spowodowane uszkodzeniem komórek. Najbardziej niebezpieczny tryb awaryjny.
- Ucieczka termiczna – samonagrzewające się do momentu odpowietrzenia ogniwa lub spalenia. Może rozprzestrzeniać się między komórkami.
- Przeciążenie – napięcie ogniwa przekracza limity, powodując rozkład elektrolitu.
- Zmiażdżenie/uderzenie – miażdży separator powodując wewnętrzne zwarcie.
- Nieprawidłowy montaż – luźne elementy i punkty o wysokim oporze generują miejscowo ciepło.
BMS i inne obwody zabezpieczające zostały zaprojektowane tak, aby zminimalizować to ryzyko podczas normalnej pracy i usterek. Jednakże pracownicy powinni zachować środki ostrożności podczas transportu, instalowania, serwisowania lub utylizacji akumulatorów litowo-jonowych:
- Nosić odpowiednie środki ochrony indywidualnej – ochrona oczu, rękawice, odzież trudnopalna. Unikaj metalicznej biżuterii.
- Używaj izolowanych narzędzi przeznaczonych do użytku z akumulatorami pod napięciem.
- Unikaj zwierania zacisków lub szyn zbiorczych.
- Ściśle przestrzegać wysyłka i przepisy dotyczące postępowania z bateriami litowymi.
- Przed utylizacją rozładuj zużyte akumulatory, aby zaoszczędzić napięcie.
- Przechowywać i ładować na niepalnych powierzchniach, z dala od materiałów palnych.
- Na wypadek pożaru należy mieć pod ręką gaśnicę.
Podczas pracy z akumulatorami litowo-jonowymi niezbędne jest przestrzeganie wytycznych dotyczących najlepszych praktyk dotyczących bezpiecznego obchodzenia się z akumulatorami.
Wniosek
Zestawy akumulatorów litowo-jonowych składają się z wielu komponentów, w tym ogniw, elektroniki BMS, zarządzania ciepłem i konstrukcji obudowy. Projektując akumulatory, inżynierowie muszą zrównoważyć koszty, wydajność, bezpieczeństwo i możliwości produkcyjne.
Ciągłe udoskonalenia technologii umożliwią tworzenie bezpieczniejszych, tańszych, mniejszych i wydajniejszych pakietów litowo-jonowych. Aby zachować konkurencyjność, firmy muszą być na bieżąco z najnowszymi osiągnięciami.
Powiązane artykuły:
