Cheie la pachet:
- Pachetele de baterii litiu-ion sunt ansambluri complexe care includ celule, un sistem de management al bateriei (BMS), componente pasive, o carcasă și un sistem de management termic. Acestea alimentează o gamă largă de aplicații, de la electronice de larg consum până la vehicule electrice și necesită o inginerie atentă pentru a asigura siguranță, eficiență și fiabilitate.
O baterie litiu-ion pachetul este un ansamblu de celule litiu-ion, un sistem de gestionare a bateriei și diverse componente de sprijin, toate conținute într-o carcasă. Oferă stocare reîncărcabilă a energiei și energie pentru nenumărate electronice de larg consum, vehicule electrice, sisteme de stocare în rețea și alte aplicații industriale.
În timp ce celulele litiu-ion oferă capacitatea electrică de bază, celelalte componente integrate sunt la fel de critice pentru a permite funcționalitate sigură, eficientă și fiabilă. În acest ghid, vom arunca o privire mai atentă asupra aspectelor tehnice ale fiecărei componente de bază a acumulatorului litiu-ion.
Prezentare generală a componentelor cheie
Pachetele de baterii litiu-ion includ următoarele componente principale:
- Celule litiu-ion – Unitatea electrochimică de bază care asigură capacitatea de stocare a energiei electrice. Mai multe celule sunt combinate pentru a obține tensiunea și capacitatea dorite.
- Sistem de management al bateriei (BMS) – „Creierul” monitorizează starea celulelor și controlează siguranța și performanța.
- Componente pasive – Asigurați structură, interconectare, izolație și răcire.
- Incinta – Adăpostește și protejează toate componentele interne.
- Sistem de management termic – Menține temperaturile optime ale celulei pentru funcționare.
- Electronice suplimentare – Caracteristici adăugate care îmbunătățesc funcționalitatea și integrarea.
În continuare, vom explora fiecare dintre aceste componente în mai multe detalii tehnice.
Celule litiu-ion: sursa de energie electrochimică
Celulele litiu-ion utilizează chimia de intercalare a ionilor de litiu pentru a stoca reversibil energia electrică electrochimic. În interiorul celulei, ionii de litiu încărcați pozitiv se deplasează între un anod de grafit și un catod de oxid de metal litiat pe măsură ce celula se încarcă și se descarcă. Un electrolit organic permite transportul ionilor, în timp ce un separator poros previne contactul electric între electrozi.
Celulele vin în diferite dimensiuni standard și factori de formă:
- Cilindrică (de exemplu, 18650, 21700, 4680): straturi de electrod/separator înfășurate spiralat într-un recipient metalic cilindric. Densitate de putere mai mare, dar densitate de energie mai mică în comparație cu celulele cu pungă. Formate comune:
- 18650 – 18 mm diametru, 65 mm înălțime, capacitate tipică de 1,5–3 Ah
- 21700 – 21 mm diametru, 70 mm înălțime, capacitate de până la 5 Ah
- 4680 – 46mm diametru, 80mm inaltime, capacitate 10-50Ah
- Prismatic – straturi alternante de catod, anod și separator stivuite și pliate într-o carcasă prismatică din aluminiu. Maximizează densitatea de energie volumetrică, dar o densitate de putere mai mică. Formate comune:
- Capacități de 10 Ah și 30 Ah la rate C scăzute
- Dimensiuni aproximativ 100 x 200 x 10 mm
- Pungă – electrozi și separator sigilate într-o pungă metalizată din plastic laminat. Cunoscut și ca celule polimerice. Flexibil și ușor. Carcasă rentabilă, dar mai puțin durabilă. Capacitate obișnuită de la 1 Ah la peste 300 Ah.
Celulele litiu-ion utilizează, de asemenea, diferite chimie catodice, care afectează tensiunea, capacitatea și siguranța:
- Oxid de litiu cobalt (LCO) – tensiune nominală de 3,6 V, densitate mare de energie, dar probleme de siguranță la temperaturi ridicate
- Oxid de litiu mangan (LMO) – 3,7 V, ciclu de viață mai sigur și mai lung, dar capacitate mai mică
- Fosfat de fier de litiu (LFP) – 3,2 V, foarte sigur și durabil, dar cu densitate energetică mai mică
- Litiu nichel mangan cobalt oxid (NMC) – 3.6/3.7V, capacitate mare și densitate energetică, dar producție mai complexă
- Litiu nichel cobalt aluminiu (NCA) – 3,6 V, capacitate mare și densitate de putere, dar o durată de viață mai scurtă a bateriei
Atunci când selectează celulele, inginerii evaluează parametri precum tensiunea nominală, capacitatea, rata C, ciclul de viață, factorul de formă, siguranța, costul și disponibilitatea pentru a îndeplini cerințele aplicației. Chimiile NMC și NCA de mare capacitate au devenit comune pentru aplicațiile de înaltă performanță.
Sistem de management al bateriei (BMS)
The sistem de management al bateriei servește drept „creier” care controlează funcționarea generală a acumulatorului. BMS monitorizează starea celulelor, controlează mecanismele de siguranță, echilibrează celulele și oferă interfețe de comunicare. Complexitatea BMS depinde de dimensiunea pachetului și de funcționalitate. BMS pentru consumatori mici poate include doar:
- Monitorizarea tensiunilor și temperaturilor celulei
- Prevenirea supraîncărcării și supradescărcării
- Echilibrarea tensiunilor celulelor
În timp ce pachetul mare de tracțiune EV BMS oferă funcționalități extinse:
- Monitorizare de mare precizie a tensiunii (±15mV), curentului (±1-2%) și temperaturii (±1°C) pentru fiecare celulă
- Echilibrare activă a celulelor prin transformatoare de manevră sau multi-înfășurare
- Controlul contactoarelor și siguranțelor pentru izolarea electrică
- Algoritmi complexi de estimare a stării de încărcare și a stării de sănătate
- Managementul termic prin controlul sistemului de răcire
- Viteză mare de detectare a erorilor critice – circuit deschis/scurt, supratemperatura
- Sute de intrări ale senzorilor și ieșiri de control
- Interfețe de comunicare pentru vehicule – CAN, LIN, FlexRay, Automotive Ethernet
- Autentificare securizată, protecție împotriva modificărilor, actualizări de firmware prin aer
- Înregistrare detaliată a datelor pentru diagnosticare și numărare a ciclurilor
sursă: ResearchGate
Hardware-ul BMS constă de obicei din circuite integrate de interfață pentru senzori, ADC-uri, microcontrolere și circuite de gestionare a alimentării montate pe o placă de circuit imprimat. Izolarea de înaltă tensiune și conexiunile robuste sunt esențiale pentru siguranță și fiabilitate.
Componente pasive
Pe lângă celule și BMS, pachetele de baterii litiu-ion includ diverse componente pasive:
- Bare colectoare – Furnizează conexiuni cu rezistență scăzută între celule și terminale. Este necesară o capacitate mare de curent – până la 1000 A în pachete EV. Barele colectoare din cupru sau aluminiu pot fi goale, placate sau acoperite. Designul barei de distribuție minimizează inductanța menținând în același timp izolarea.
- Material de interfață termică – Folosit între celule și pereții incintei sau canalele de răcire. Elastomerii siliconici, benzile conductoare termic și plăcuțele de umplere a golurilor maximizează transferul de căldură. Materialele cu schimbare de fază oferă o capacitate termică ridicată.
- Adezivi și benzi – Oferă izolație electrică și rezistență la vibrații. Materialele includ poliuretan, adezivi acrilici și silicon. Benzile cu două fețe conductoare termic sunt comune. Evaluare strictă de inflamabilitate UL94 V-0.
- Siguranțe și contactori – Protejați împotriva defecțiunilor de supracurent. De asemenea, permiteți izolarea electrică în siguranță. Sunt necesare valori de înaltă tensiune și curent. Siguranțele pot fi integrate în BMS. Circuitele de preîncărcare limitează curentul de pornire.
- Interconexiuni celulare – Uniți bornele celulei în serie. Trebuie să se ocupe de o densitate mare de curent. Se utilizează sudare cu ultrasunete, laser și rezistență.
Selectarea atentă a acestor componente pasive asigură integritatea electrică, termică și mecanică a acumulatorului în condiții solicitante.
Carcasa pachetului de baterii
Carcasa sau carcasa pachetului de baterii oferă:
- Protecţie – Protejează celulele de abuz mecanic, impact, praf, fluide. Permite numai conexiuni electrice adecvate. Oferă rating IP în funcție de aplicație.
- Suport structural – Oferă rigiditatea necesară pentru stivuirea și montarea celulelor. Interfețe cu cadrul de aplicare și paranteze.
- Canale de răcire – Permite fluxul de aer sau circulația lichidului de răcire prin celule și BMS. Poate include aripioare de răcire integrate.
- Izolare – Izolează electric componentele de înaltă tensiune, cum ar fi barele și terminalele.
- Etanșare ecologică – Previne pătrunderea umezelii. Necesar pentru chimiile litiu-ion.
Materialele comune ale carcasei includ metale precum aluminiul pentru proprietăți termice excelente și amestecuri de plastic proiectat pentru o greutate mai ușoară și rezistență la coroziune. Materialele plastice metalizate și armate cu fibră de carbon asigură rigiditate structurală și ecranare.
Carcasele au adesea panouri de acces detașabile pentru întreținere și design de pachete modulare pentru flexibilitate de instalare. Adezivii structurali, garniturile și membranele izolante mențin componentele montate și izolate în siguranță.
Sistem de management termic
Menținerea temperaturii adecvate a celulelor este esențială pentru performanța sigură și optimă a pachetelor de baterii litiu-ion. Deși celulele cu litiu-ion funcționează bine în jurul valorii de 15-35°C, funcționarea în afara acestui interval degradează performanța și durata de viață:
- Capacitatea de descărcare scade sub punctul de îngheț. Rezistența internă crește.
- Peste ~50°C, capacitatea rapidă se estompează și apar îmbătrânirea.
- Peste ~60°C riscul de evadare termică crește.
Astfel, sistemul de management termic trebuie să răcească celulele în timpul funcționării și să le încălzească atunci când sunt statice în condiții de mediu rece. Metodele tipice de răcire includ:
- Aer pasiv – Răcire prin aripioare și canale. Folosit în pachete mai mici cu putere termică mai mică.
- Aer forțat – Ventilatoarele axiale sau centrifugale îmbunătățesc debitul de aer și transferul de căldură. Conductele optimizează distribuția fluxului.
- Răcire cu lichid – Jachete, plăci sau microcanale circulă un amestec apă/glicol sau fluid dielectric. Foarte eficient pentru pachetele de putere mare >5kW.
- Materiale de schimbare de fază – Materiale asemănătoare ceară care absorb căldura pe măsură ce se topesc. Folosit în carcase sau ca plăcuțe termice.
- Termoelectrice – Dispozitivele Peltier generează o diferență de temperatură atunci când sunt alimentate. Răcire compactă în stare solidă.
Încălzirea este, de asemenea, esențială pentru funcționarea în climă rece. Metodele de încălzire includ:
- Incalzitoare electrice – Încălzitoare rezistive atașate la carcasa pachetului.
- Pompe de căldură – Dispozitive termoelectrice inverse sau bucle compacte de agent frigorific.
- Căldura irosită – Captarea pierderilor rezistive de la încărcare și descărcare.
BMS monitorizează temperatura celulelor și controlează răcirea sau încălzirea în consecință pe baza algoritmilor de control proprietari. Bateriile mari se pot împărți în zone termice cu reglare independentă a temperaturii.
Componente suplimentare
În funcție de cost, factor de formă și cerințe ale aplicației, pachetele de baterii litiu-ion pot include componente suplimentare:
- Circuit de trezire – Trezește BMS adormit când începe încărcarea/descărcarea. Îmbunătățește curentul de așteptare.
- Echilibrarea celulelor circuite – Echilibrarea activă oferă mai multă precizie decât echilibrarea pasivă singură. Necesită complexitate suplimentară.
- Circuit de preîncărcare – Limitează curentul de pornire la conectarea pachetului. Folosește rezistențe sau comutare activă. Protejează BMS și contactori.
- Încărcător – Electronică de control al încărcării la bord pentru încărcare rapidă DC. Îndepărtează necesitatea unui încărcător extern.
- Comunicatii – Dincolo de o interfață BMS de bază, pachetele pot include module wireless sau Power Line Communication (PLC) pentru control și diagnosticare de la distanță.
- Încălzitoare – Asigurați încălzire controlată pentru funcționarea pe vreme rece. Ajută la atingerea temperaturii optime a celulelor.
- Comutarea celulelor – Pornește/oprește grupurile de celule pentru gestionarea și echilibrarea termică. Necesită multe comutatoare adăugate și o logică de control complexă.
- LED-uri de stare – Indicați vizual utilizatorului starea pachetului de bază – încărcare, defecțiune, standby etc.
Aplicații ale pachetului de baterii litiu-ion
Acum că am explorat componentele interne, haideți să examinăm modul în care pachetele de baterii litiu-ion sunt aplicate în industriile și aplicațiile majore:
- Vehicule electrice – Oferă putere de propulsie vehiculelor complet electrice și hibride. Necesită capacitate foarte mare (50-100 kWh), densitate de putere, siguranță și durată de viață. Modele complexe răcite cu lichid.
- Electronice de larg consum – telefoane mobile, laptopuri, scule electrice și alte dispozitive portabile. Concentrați-vă pe cost, dimensiuni compacte și greutate redusă. Pungă răcită cu aer sau celule prismatice în carcase din plastic. Gama de capacitate 1-100Wh.
- Aerospațial – Folosit în aeronave pentru alimentarea de urgență și pentru pornirea motoarelor. Modelele durabile rezistă la vibrații. Siguranța și fiabilitatea sunt esențiale.
- Stocare staționară – Stocarea energiei în rețea, energie de rezervă, sisteme solare/eoliene în afara rețelei. Concentrați-vă pe costuri reduse, ciclu lung de viață. Aer/lichid răcit în rafturi sau containere.
- Dispozitive medicale – Dispozitive medicale implantabile și purtabile. Sunt necesare baterii foarte compacte, sigure și durabile. Celule flexibile ultrasubțiri de până la 100 de microni grosime.
Această prezentare de ansamblu ilustrează gama largă de modele de pachete de baterii litiu-ion, adaptate pentru a satisface cerințe foarte diferite de aplicații în diferite industrii.
Siguranța bateriei cu litiu-ion
Lucrul cu acumulatori litiu-ion necesită măsuri de siguranță adecvate. Deși în general sunt sigure dacă sunt proiectate și manipulate corect, celulele defecte sau deteriorate se pot supraîncălzi și se pot aprinde rapid. Riscurile cheie includ:
- Scurtcircuit extern – duce rapid la curent ridicat și încălzire.
- Scurtcircuit intern – cauzate de deteriorarea celulelor. Cel mai periculos mod de eroare.
- Fuga termică – autoîncălzire până când celula se găsește sau arde. Se poate propaga între celule.
- Supraîncărcare – tensiunea celulei peste limite provoacă defalcarea electroliților.
- Zdrobire/impact – separator de zdrobiri care permite scurtcircuit intern.
- Asamblare incorectă – componentele libere și punctele de rezistență ridicată generează căldură localizată.
BMS și alte circuite de protecție sunt proiectate pentru a minimiza aceste riscuri în timpul funcționării normale și a defecțiunilor. Cu toate acestea, lucrătorii ar trebui să ia măsuri de precauție atunci când transportă, instalează, întrețin sau aruncă acumulatori litiu-ion:
- Purtați EIP adecvat – protecția ochilor, mănuși, îmbrăcăminte rezistentă la flacără. Evitați bijuteriile metalice.
- Utilizați unelte izolate marcate pentru utilizarea pe bateriile sub tensiune.
- Evitați scurtcircuitarea bornelor sau a barelor de distribuție.
- Respectați cu strictețe Transport și reglementări de manipulare pentru bateriile cu litiu.
- Descărcați bateriile uzate pentru a economisi tensiune înainte de aruncare.
- Depozitați și încărcați pe suprafețe neinflamabile, departe de combustibili.
- Aveți la îndemână un stingător în caz de urgență de incendiu.
Respectarea recomandărilor de bune practici pentru manipularea în siguranță este esențială atunci când lucrați cu acumulatori litiu-ion.
Concluzie
Pachetele de baterii litiu-ion au multe componente, inclusiv celule, electronice BMS, management termic și design de carcasă. Inginerii trebuie să echilibreze costul, performanța, siguranța și capacitatea de fabricație atunci când proiectează pachetele de baterii.
Îmbunătățirile continue ale tehnologiei vor permite pachete cu litiu-ion mai sigure, mai ieftine, mai mici și mai puternice. Companiile trebuie să fie la curent cu cele mai recente progrese pentru a rămâne competitive.
Articole înrudite:
