Ключевой вывод:
- Литий-ионные аккумуляторные батареи представляют собой сложные сборки, включающие элементы, систему управления аккумулятором (BMS), пассивные компоненты, корпус и систему управления температурным режимом. Они питают широкий спектр приложений, от бытовой электроники до электромобилей, и требуют тщательного проектирования для обеспечения безопасности, эффективности и надежности.
А литий-ионный аккумулятор Pack представляет собой сборку литий-ионных элементов, системы управления батареями и различных вспомогательных компонентов, содержащихся в корпусе. Он обеспечивает перезаряжаемое хранилище энергии и питание для бесчисленного количества бытовой электроники, электромобилей, сетевых систем хранения и других промышленных применений.
Хотя литий-ионные элементы обеспечивают базовую электрическую мощность, другие интегрированные компоненты не менее важны для обеспечения безопасной, эффективной и надежной работы. В этом руководстве мы более подробно рассмотрим технические аспекты каждого основного компонента литий-ионного аккумуляторного блока.
Обзор ключевых компонентов
Литий-ионные аккумуляторные батареи включают в себя следующие основные компоненты:
- Литий-ионные элементы – Базовый электрохимический блок, обеспечивающий накопление электроэнергии. Несколько ячеек объединяются для достижения желаемого напряжения и емкости.
- Система управления батареями (BMS) – «Мозг» контролирует состояние клеток и контролирует безопасность и производительность.
- Пассивные компоненты – Обеспечьте структуру, взаимосвязь, изоляцию и охлаждение.
- Корпус – Удерживает и защищает все внутренние компоненты.
- Система терморегулирования – Поддерживает оптимальную температуру ячейки для работы.
- Дополнительная электроника – Добавлены функции, расширяющие функциональность и интеграцию.
Далее мы рассмотрим каждый из этих компонентов более подробно с технической точки зрения.
Литий-ионные элементы: электрохимический источник энергии
Литий-ионные элементы используют химию интеркаляции ионов лития для обратимого хранения электрической энергии электрохимическим способом. Внутри элемента положительно заряженные ионы лития перемещаются между графитовым анодом и катодом из литированного оксида металла, когда элемент заряжается и разряжается. Органический электролит обеспечивает перенос ионов, а пористый сепаратор предотвращает электрический контакт между электродами.
Ячейки бывают различных типоразмеров и форм-факторов:
- Цилиндрическая форма (например, 18650, 21700, 4680): спирально намотанные слои электрода/сепаратора в цилиндрическом металлическом корпусе. Более высокая плотность мощности, но меньшая плотность энергии по сравнению с пакетными элементами. Общие форматы:
- 18650 – Диаметр 18 мм, высота 65 мм, типичная емкость 1,5–3 Ач.
- 21700 – Диаметр 21 мм, высота 70 мм, емкость до 5 Ач.
- 4680 – Диаметр 46 мм, высота 80 мм, емкость 10–50 Ач.
- Призматический – чередующиеся катодный, анодный и сепараторный слои уложены друг на друга и сложены в призматический алюминиевый корпус. Максимизирует объемную плотность энергии, но снижает плотность мощности. Общие форматы:
- Емкость 10 Ач и 30 Ач при низких значениях тока C
- Размеры около 100 х 200 х 10 мм.
- Мешочек – Электроды и сепаратор запечатаны в ламинированный пакет из металлизированного пластика. Также известны как полимерные ячейки. Гибкий и легкий. Экономичный, но менее прочный корпус. Типичная емкость от 1 Ач до более 300 Ач.
В литий-ионных элементах также используются катоды разного химического состава, что влияет на напряжение, емкость и безопасность:
- Оксид лития-кобальта (LCO) — номинальное напряжение 3,6 В, высокая плотность энергии, но проблемы безопасности при повышенных температурах.
- Оксид лития-марганца (LMO) – 3,7 В, более безопасный и длительный срок службы, но меньшая емкость
- Литий-железо-фосфат (ЛФП) – 3,2 В, очень безопасный и долговечный, но более низкая плотность энергии
- Оксид лития, никеля, марганца, кобальта (NMC) – 3,6/3,7 В, высокая мощность и плотность энергии, но более сложное производство
- Литий-никель-кобальт-алюминий (NCA) – 3,6 В, высокая емкость и удельная мощность, но более короткий срок службы батареи
При выборе элементов инженеры оценивают такие параметры, как номинальное напряжение, емкость, коэффициент C, срок службы, форм-фактор, безопасность, стоимость и доступность, чтобы удовлетворить требованиям приложения. Высокопроизводительные химические вещества NMC и NCA стали обычным явлением для высокопроизводительных приложений.
Система управления батареями (BMS)
The система управления аккумулятором служит «мозгом», контролирующим общую работу аккумуляторной батареи. BMS контролирует состояние ячеек, управляет механизмами безопасности, балансирует ячейки и обеспечивает интерфейсы связи. Сложность BMS зависит от размера упаковки и функциональности. Небольшая потребительская BMS может включать в себя:
- Мониторинг напряжения и температуры элементов
- Предотвращение перезаряда и чрезмерного разряда
- Балансировка напряжений ячеек
В то время как большой тяговый пакет EV BMS обеспечивает обширную функциональность:
- Высокоточный контроль напряжения (±15 мВ), тока (±1-2%) и температуры (±1°C) для каждой ячейки.
- Активная балансировка ячеек с помощью шунтирующих или многообмоточных трансформаторов.
- Управление контакторами и предохранителями для электрической изоляции
- Сложные алгоритмы оценки заряда и работоспособности
- Управление температурой посредством управления системой охлаждения
- Высокоскоростное обнаружение критических неисправностей – обрыв/короткое замыкание, перегрев
- Сотни входов датчиков и выходов управления
- Интерфейсы связи автомобиля – CAN, LIN, FlexRay, автомобильный Ethernet
- Безопасная аутентификация, защита от несанкционированного доступа, обновления прошивки по беспроводной сети
- Подробная регистрация данных для диагностики и подсчета циклов.
источник: ИсследованияГейт
Аппаратное обеспечение BMS обычно состоит из интегральных схем интерфейса датчиков, АЦП, микроконтроллеров и схем управления питанием, установленных на печатной плате. Изоляция высокого напряжения и прочные соединения имеют решающее значение для безопасности и надежности.
Пассивные компоненты
Помимо элементов и BMS, литий-ионные аккумуляторные батареи включают в себя различные пассивные компоненты:
- Шины – обеспечивают соединения с низким сопротивлением между ячейками и клеммами. Требуется высокая токовая мощность – до 1000А в упаковках EV. Медные или алюминиевые шины могут быть голыми, гальваническими или с покрытием. Конструкция шины минимизирует индуктивность при сохранении изоляции.
- Материал термоинтерфейса – Используется между ячейками и стенками корпуса или охлаждающими каналами. Силиконовые эластомеры, теплопроводящие ленты и прокладки для заполнения зазоров максимизируют теплопередачу. Материалы с фазовым переходом обладают высокой теплоемкостью.
- Клеи и ленты – обеспечивают электрическую изоляцию и виброустойчивость. Материалы включают полиуретан, акриловые клеи и силикон. Широко распространены двусторонние теплопроводящие ленты. Строгий класс воспламеняемости UL94 V-0.
- Предохранители и контакторы – защищают от перегрузок по току. Также обеспечьте безопасную электрическую изоляцию. Требуются высокие значения напряжения и тока. Предохранители могут быть интегрированы в BMS. Цепи предварительной зарядки ограничивают пусковой ток.
- Соединения ячеек – последовательно соединяйте терминалы ячеек. Должен выдерживать высокую плотность тока. Используются ультразвуковая, лазерная и контактная сварка.
Тщательный выбор этих пассивных компонентов обеспечивает электрическую, тепловую и механическую целостность аккумуляторной батареи в сложных условиях.
Корпус аккумуляторной батареи
Корпус или корпус аккумуляторной батареи обеспечивает:
- Защита – Защищает клетки от механического воздействия, ударов, пыли, жидкостей. Разрешены только правильные электрические соединения. Обеспечивает рейтинг IP в зависимости от приложения.
- Структурная поддержка – Обеспечивает необходимую жесткость для укладки и монтажа ячеек. Интерфейсы с рамкой приложения и кронштейнами.
- Каналы охлаждения – Обеспечивает циркуляцию воздушного потока или жидкого хладагента между ячейками и BMS. Может включать встроенные охлаждающие ребра.
- Изоляция – Электрически изолирует компоненты высокого напряжения, такие как шины и клеммы.
- Экологическая герметизация – предотвращает проникновение влаги. Необходим для литий-ионной химии.
Обычные материалы корпуса включают такие металлы, как алюминий, обладающие превосходными тепловыми свойствами, а также специальные смеси пластиков, обеспечивающие меньший вес и устойчивость к коррозии. Металлизированный пластик и пластик, армированный углеродным волокном, обеспечивают структурную жесткость и защиту.
Корпуса часто оснащены съемными панелями доступа для обслуживания и модульной конструкцией, обеспечивающей гибкость установки. Структурные клеи, прокладки и изолирующие мембраны обеспечивают надежную установку и изоляцию компонентов.
Система терморегулирования
Поддержание надлежащей температуры элементов имеет решающее значение для безопасной и оптимальной работы литий-ионных аккумуляторов. Хотя литий-ионные элементы хорошо работают при температуре 15–35°C, работа за пределами этого диапазона снижает производительность и срок службы:
- Разрядная емкость снижается при температуре ниже нуля. Внутреннее сопротивление возрастает.
- При температуре выше ~50°C происходит быстрое снижение емкости и старение.
- При температуре выше ~60°C возрастает риск температурного разгона.
Таким образом, система терморегулирования должна охлаждать элементы во время работы и нагревать их в статическом состоянии в холодных условиях окружающей среды. Типичные методы охлаждения включают в себя:
- Пассивный воздух – Охлаждение через ребра и каналы. Используется в упаковках меньшего размера с меньшей теплопроизводительностью.
- Принудительная вентиляция – Осевые или центробежные вентиляторы улучшают скорость воздушного потока и теплопередачу. Воздуховоды оптимизируют распределение потока.
- Жидкостное охлаждение – Рубашки, пластины или микроканалы циркулируют смесь воды и гликоля или диэлектрическую жидкость. Очень эффективен для аккумуляторов большой мощности. >5кВт.
- Материалы с фазовым переходом – Воскоподобные материалы поглощают тепло при плавлении. Используется в корпусах или в качестве термопрокладок.
- Термоэлектрические – устройства Пельтье при включении генерируют разницу температур. Компактное твердотельное охлаждение.
Отопление также имеет решающее значение для эксплуатации в холодном климате. К методам обогрева относятся:
- Электрические обогреватели – Резистивные нагреватели, прикрепленные к корпусу упаковки.
- Тепловые насосы – Реверсивные термоэлектрические устройства или компактные контуры хладагента.
- Отходящее тепло – Регистрация резистивных потерь при зарядке и разрядке.
BMS контролирует температуру ячеек и соответственно управляет охлаждением или нагревом на основе запатентованных алгоритмов управления. Большие аккумуляторные блоки можно разделить на тепловые зоны с независимым регулированием температуры.
Дополнительные компоненты
В зависимости от стоимости, форм-фактора и требований применения литий-ионные аккумуляторные батареи могут включать дополнительные компоненты:
- Схема пробуждения – Пробуждает спящую BMS, когда начинается заряд/разряд. Улучшает ток в режиме ожидания.
- Балансировка ячеек схемы – Активная балансировка обеспечивает большую точность, чем пассивная балансировка. Требует дополнительной сложности.
- Схема предварительной зарядки – Ограничивает пусковой ток при подключении блока. Используются резисторы или активное переключение. Защищает BMS и контакторы.
- Зарядное устройство – Встроенная электроника управления зарядкой для быстрой зарядки постоянным током. Устраняет необходимость во внешнем зарядном устройстве.
- Коммуникации – Помимо базового интерфейса BMS, пакеты могут включать беспроводные модули или Power Line Communication (PLC) для дистанционного управления и диагностики.
- Обогреватели – Обеспечьте контролируемый нагрев для работы в холодную погоду. Помогите достичь оптимальной температуры клеток.
- Переключение ячеек – Включает/выключает группы ячеек для управления температурным режимом и балансировки. Требуется множество дополнительных переключателей и сложная логика управления.
- Светодиоды состояния – Визуально указать пользователю статус базового пакета – зарядка, неисправность, режим ожидания и т. д.
Применение литий-ионных аккумуляторов
Теперь, когда мы изучили внутренние компоненты, давайте рассмотрим, как литий-ионные аккумуляторные батареи применяются в основных отраслях и приложениях:
- Электромобили. Обеспечивают тягу полностью электрическим и гибридным автомобилям. Требуют очень высокой мощности (50–100 кВтч), плотности мощности, безопасности и срока службы. Сложные конструкции с жидкостным охлаждением.
- Бытовая электроника – мобильные телефоны, ноутбуки, электроинструменты и другие портативные устройства. Сосредоточьтесь на стоимости, компактном размере и легком весе. Пакет с воздушным охлаждением или призматические ячейки в пластиковых корпусах. Диапазон мощности 1-100 Втч.
- Аэрокосмическая промышленность - используется в самолетах для аварийного питания и запуска двигателей. Прочная конструкция выдерживает вибрацию. Безопасность и надежность имеют решающее значение.
- Стационарное хранилище – сетевое хранилище энергии, резервное питание, автономные солнечные/ветровые системы. Сосредоточьтесь на низкой стоимости и длительном сроке службы. Воздушно-жидкостное охлаждение в стойках или контейнерах.
- Медицинские устройства – имплантируемые и носимые медицинские устройства. Требуются очень компактные, безопасные и долговечные аккумуляторы. Ультратонкие гибкие клетки толщиной до 100 микрон.
Этот обзор иллюстрирует широкий спектр конструкций литий-ионных аккумуляторов, адаптированных для удовлетворения самых разных требований в разных отраслях.
Безопасность литий-ионного аккумулятора
Работа с литий-ионными аккумуляторами требует соблюдения надлежащих мер безопасности. Хотя в целом они безопасны при правильной конструкции и обращении, дефектные или поврежденные элементы могут быстро перегреться и воспламениться. Ключевые риски включают в себя:
- Внешнее короткое замыкание – быстро приводит к сильному току и нагреву.
- Внутреннее короткое замыкание – вызванное повреждением клеток. Самый опасный режим отказа.
- Тепловой побег – самонагревание до тех пор, пока ячейка не выйдет наружу или не сгорит. Может распространяться между клетками.
- Завышение цены – Превышение напряжения элемента приводит к пробою электролита.
- Раздавливание/воздействие – разбивает сепаратор, вызывая внутреннее короткое замыкание.
- Неправильная сборка – незакрепленные компоненты и точки с высоким сопротивлением генерируют локальное тепло.
BMS и другие схемы защиты спроектированы таким образом, чтобы минимизировать эти риски во время нормальной работы и сбоев. Однако работникам следует принимать меры предосторожности при транспортировке, установке, обслуживании или утилизации литий-ионных аккумуляторов:
- Носите соответствующие средства индивидуальной защиты. – средства защиты глаз, перчатки, огнестойкая одежда. Избегайте металлических украшений.
- Используйте изолированные инструменты, предназначенные для использования с аккумуляторными блоками под напряжением.
- Избегайте короткого замыкания клемм или шин.
- Строго соблюдать перевозки и правила обращения с литиевыми батареями.
- Перед утилизацией разрядите использованные батареи для сохранения напряжения.
- Храните и заряжайте на негорючих поверхностях вдали от горючих материалов.
- Имейте под рукой огнетушитель на случай возникновения пожара.
При работе с литий-ионными аккумуляторами важно следовать рекомендациям по безопасному обращению.
Заключение
Литий-ионные аккумуляторные батареи состоят из множества компонентов, включая элементы, электронику BMS, управление температурным режимом и конструкцию корпуса. При разработке аккумуляторных блоков инженеры должны сбалансировать стоимость, производительность, безопасность и технологичность.
Дальнейшее совершенствование технологий позволит сделать литий-ионные аккумуляторы более безопасными, дешевыми, меньшими по размеру и более мощными. Компании должны быть в курсе последних достижений, чтобы оставаться конкурентоспособными.
Статьи по Теме:
