Компоненты литий-ионного аккумуляторного блока: полное руководство для OEM-покупателей

А литий-ионный аккумулятор это больше, чем группа клеток. Это инженерная система, которая сочетает в себе электрохимические элементы, систему управления батареями, электрические соединения, защитные устройства, корпус, систему управления температурным режимом, разъемы и коммуникационное оборудование.

Каждый компонент влияет на безопасность упаковки, ее полезную емкость, срок службы, технологичность и стоимость. В OEM-проекте выбор ячеек в первую очередь и рассмотрение остальных частей как надстроек часто приводит к перепроектированию, задержкам или проблемам с производительностью.

В этом руководстве описаны основные компоненты литий-ионного аккумуляторного блока, назначение каждого из них и какую информацию следует предоставить при заказе специального аккумуляторного блока.

Каковы основные компоненты литий-ионного аккумулятора?

Большинство специализированных литий-ионных аккумуляторов содержат следующие группы компонентов:

• Литий-ионные элементы: Храните и высвобождайте электрическую энергию.
• Система управления аккумулятором: Контролирует ячейки и контролирует защиту, балансировку и связь.
• Шины и межсоединения: Проведите ток между элементами и клеммами блока.
• Предохранители, контакторы и цепи предварительной зарядки: Контролируйте и изолируйте электропитание во время нормальной работы и неисправностей.
• Корпус и механические опоры: Защитите и расположите внутренние компоненты.
• Управление температурой: Поддерживает температуру ячейки в заданном рабочем диапазоне.
• Проводка, разъемы, датчики и интерфейсы связи: Подключите аккумулятор к оборудованию, зарядному устройству, инвертору или системе управления.

Точная комбинация зависит от напряжения батареи, тока, размеров, условий эксплуатации, применения и объема производства.

Литий-ионные элементы: ядро ​​накопителя энергии

Ячейка — это основная электрохимическая единица аккумуляторной батареи. Ячейки соединены в серии увеличить напряжение и параллельно увеличить мощность и токовую мощность.

Выбор ячейки обычно начинается с пяти вопросов:

1. Какое номинальное напряжение и энергия требуются оборудованию?
2. Каковы непрерывный и пиковый токи разряда?
3. Сколько места и веса доступно?
4. Какие температуры будет выдерживать аккумулятор?
5. Какие требования к сроку службы, безопасности и сертификации применяются?

Форматы ячеек

Литий-ионные элементы обычно доступны в цилиндрическом, призматическом и пакетном форматах. В каждом формате по-разному учитываются источники поставок, плотность упаковки и механическая поддержка:

• Цилиндрические ячейки (например, 18650, 21700, 4680): Используйте металлическую банку, она доступна в стандартных размерах. Они могут упростить поиск и замену, но для комплекта может потребоваться больше межсоединений и механических держателей ячеек.
• Призматические клетки: Используйте жесткий прямоугольный корпус, чтобы эффективно использовать пространство шкафа. Они часто используются в более крупных энергоаккумулирующих и промышленных устройствах.
• Мешочные клетки: Используйте гибкий ламинированный корпус, который обеспечит хорошую гибкость упаковки. Они требуют тщательного сжатия, механической поддержки и защиты от влаги и ударов.

Система управления батареями (BMS)

Система управления аккумулятором — это уровень управления и защиты литий-ионного аккумуляторного блока. Он контролирует состояние элементов и аккумуляторов, принимает решения по защите и сообщает о состоянии аккумулятора оборудованию или зарядному устройству.

В зависимости от комплектации BMS может обеспечивать:

• Мониторинг напряжения ячейки
• Измерение тока упаковки
• Мониторинг температуры ячеек и упаковки
• Защита от перезаряда и чрезмерного разряда
• Защита от перегрузки по току и короткого замыкания
• Пассивная или активная балансировка ячеек
• Оценка заряда и состояния здоровья
• Контроль заряда и разряда
• CAN, RS485, UART или другие интерфейсы связи.
• Регистрация неисправностей и сервисная диагностика

BMS должна соответствовать химическому составу элементов, количеству элементов, напряжению заряда, ограничениям тока, температурному диапазону, зарядному устройству и протоколу связи. BMS, разработанную для одного химического состава или конфигурации напряжения, не следует повторно использовать в другой упаковке без технической проверки.

Что на самом деле отличает хорошую BMS от слабой

В большинстве технических описаний BMS указан один и тот же набор функций, поэтому сам по себе список функций мало что говорит о качестве. Важные различия обычно проявляются на уровне компонентов и тестов, а не в номерах заголовков спецификаций:

• Выбор компонентов: Марка MOSFET (например, признанные поставщики, такие как AOS или Infineon, по сравнению с неуказанными универсальными деталями) и допуск сенсорного резистора влияют на долговременную точность защиты и тепловую надежность при повторяющихся циклических циклах.
• Проверенное тестирование: Документированные отчеты об испытаниях на прерывание короткого замыкания и проверка срока службы при высоких температурах показывают, что пороговые значения защиты действительно были подтверждены в условиях неисправности, а не просто указаны на бумаге.
• Архитектура защиты: Наличие вторичного независимого пути защиты в дополнение к основному BMS, а также то, является ли балансировка активной или пассивной, влияет на поведение пакета в случае сбоя или зависания основного контроллера.

При оценке BMS производителя попросите спецификацию ключевых компонентов защиты и любые доступные отчеты об испытаниях, а не полагайтесь только на список функций.

Более подробную информацию можно найти в нашем руководстве посистемы управления батареями.

Шины, межсоединения и пассивные компоненты

Межсоединения передают ток между ячейками и внешними клеммами. Их размеры должны быть рассчитаны с учетом ожидаемого тока, повышения температуры, механического напряжения и метода изготовления.

Шинопроводы

Шины обычно изготавливаются из меди, алюминия или металла с покрытием. Их поперечное сечение, длина, способ подключения и изоляция влияют на сопротивление, выделение тепла, падение напряжения и электромагнитное поведение.

Сотовые межсоединения

В цилиндрических ячейках могут использоваться никелевые полосы, медные компоненты или сварные шины. В призматических и пакетных элементах могут использоваться болтовые, сварные или ламинированные межсоединения. Контактная сварка, лазерная сварка и ультразвуковая сварка выбираются в соответствии с клеммами ячейки, силой тока, объемом производства и требованиями к качеству.

Предохранители, контакторы и цепи предварительной зарядки

Предохранители обеспечивают защиту от чрезмерного тока. Контакторы позволяют блоку отключать нагрузку или зарядное устройство при определенных условиях. Схема предварительной зарядки может ограничить пусковой ток, когда батарея подключена к оборудованию с большими входными конденсаторами.

Эти детали следует выбирать как часть электрической архитектуры, а не добавлять после завершения компоновки ячейки.

Корпус аккумуляторной батареи и механическая конструкция

Корпус защищает элементы и электронику от ударов, вибрации, пыли, влаги и случайного контакта. Он также обеспечивает монтажный интерфейс между аккумулятором и оборудованием заказчика.

В корпусе упаковки может потребоваться наличие:

• Структурная поддержка ячеек и внутренних компонентов
• Электрическая изоляция вокруг клемм и шин.
• Точки крепления и доступ для обслуживания
• Защита от попадания пыли и воды
• Устойчивость к вибрации, ударам и ударам
• Место для разъемов, датчиков, предохранителей и BMS
• Определенный тепловой путь от ячеек к охлаждающей конструкции

Алюминий может обеспечить хорошую теплопроводность и прочность конструкции. Специальные пластмассы позволяют снизить вес и поддерживать сложные формы. Выбор лучшего материала зависит от требуемой прочности, теплоотдачи, коррозионной стойкости, степени IP, стоимости и производственного процесса.

Компоненты терморегулирования

Температура элемента влияет на выходную мощность, поведение при зарядке, эффективность, старение и безопасность. Таким образом, управление температурным режимом является частью архитектуры батареи, а не косметической функцией корпуса.

В зависимости от тепловой нагрузки и условий эксплуатации в упаковке могут использоваться:

• Естественная конвекция и кондуктивное распространение тепла.
• Принудительное воздушное охлаждение с вентиляторами и воздуховодами
• Термопрокладки или заполнители зазоров
• Пластины или каналы жидкостного охлаждения
• Резистивный нагрев для зарядки в холодную погоду.
• Датчики температуры, подключенные к BMS

При проектировании следует учитывать наихудший ток разряда, зарядный ток, температуру окружающей среды, поток воздуха при установке и допустимый диапазон температур элемента. BMS может определять температурные условия, но не может компенсировать ситуацию, когда корпус не может отвести или добавить достаточно тепла.

Проводка, разъемы и коммуникационные интерфейсы

Проводка и разъемы определяют способ подключения аккумулятора к зарядному устройству, инвертору, контроллеру двигателя или главному оборудованию. Они также влияют на время сборки, удобство эксплуатации, водонепроницаемость и электробезопасность.

При указании этих компонентов определите:

• Непрерывный и пиковый ток
• Номинальное напряжение и требования к изоляции
• Тип разъема и требования к циклу сопряжения
• Длина кабеля, сечение, радиус изгиба и прокладка
• Защита от проникновения и экологическая герметизация
• Протокол связи, скорость передачи данных, формат сообщения и завершение

CAN и RS485 являются распространенным выбором для промышленных и автомобильных аккумуляторных систем. Интерфейс связи следует определять вместе с протоколом оборудования, а не выбирать только потому, что он распространен в отрасли.

Компоненты тестирования и контроля качества

Тестирование является частью конструкции аккумуляторной батареи. Надежный производитель должен определить, как будут проверяться и тестироваться элементы, узлы и готовые упаковки.

Типичные проверки могут включать в себя:

• Проверка емкости, напряжения и внутреннего сопротивления входящих ячеек
• Проверка соответствия и согласованности ячеек
• Проверка прочности сварных швов и электросопротивления
• Испытания изоляции и высокое напряжение, где это применимо.
• Тесты защиты и связи BMS
• Тесты производительности зарядки и разрядки
• Испытания датчиков температуры и термозащиты
• При необходимости испытания на вибрацию, падение, герметичность или воздействие окружающей среды.

Требования к сертификации и транспортировке зависят от области применения и рынка назначения. Общие ссылки включают в себяИ 38,3 для транспортировки и стандарты UL или IEC по безопасности продукции. Их следует выявлять как можно раньше, поскольку они могут повлиять на выбор элементов, конструкцию корпуса, маркировку, документацию и производственные испытания.

Как эти компоненты работают вместе?

Компоненты взаимозависимы. Например, для увеличения тока разряда могут потребоваться элементы большего размера, более толстые шины, разъемы с более высоким номиналом, другой предохранитель, более эффективное управление температурой и BMS с более высоким номинальным током.

Уменьшение размера корпуса может потребовать другого формата ячеек, более жесткой тепловой конструкции, нестандартных разъемов и пересмотренного процесса сборки. Добавление связи CAN может повлиять на BMS, жгут проводов, встроенное ПО, тестирование и интеграцию оборудования.

Вот почему индивидуальный аккумулятор должна быть спроектирована как целостная система, а не собрана из списка несвязанных частей.

Применение и соображения безопасности

Одни и те же основные компоненты используются в самых разных приложениях: от электромобилей и электронной мобильности до бытовой электроники, стационарных накопителей энергии и медицинских устройств, но приоритеты проектирования меняются с каждым из них. Блок электромобилей рассчитан на большой ток и длительный срок службы с жидкостным охлаждением, а блок бытовой электроники основан на низкой стоимости и компактных размерах с более простым воздушным охлаждением.

Во всех приложениях необходимо предусмотреть одни и те же режимы отказа: внешние и внутренние короткие замыкания, тепловой разгон, перезаряд и механические повреждения, такие как раздавливание или удар. BMS, предохранители, контакторы и корпус работают вместе, чтобы снизить эти риски, но они не могут полностью заменить правильный выбор элемента и механическую конструкцию с самого начала. Смотрите наше руководство потермический побег для более детального рассмотрения этого режима отказа.

Что должны предоставить OEM-покупатели производителю аккумуляторов?

Производитель может более эффективно рекомендовать правильные компоненты, если первоначальная спецификация включает в себя:

• Номинальное напряжение и пределы напряжения
• Требуемая мощность или время работы
• Непрерывный и пиковый ток разряда
• Зарядное напряжение, ток и тип зарядного устройства
• Максимальные габариты и вес
• Требования к разъему, кабелю и монтажу
• Температура эксплуатации, зарядки и хранения
• Протокол связи и требования к данным
• Требования к защите от проникновения, вибрации и окружающей среды
• Срок службы, сертификация, прототип, минимальный заказ и производственные цели

Для оценки поставщиков см. наше руководство покак выбрать лучшего производителя литиевых батарей.

Часто задаваемые вопросы

Should I select the cells or the BMS first?

Сначала определите электрические требования (напряжение, емкость, ток и температурный диапазон), затем выберите химический состав и формат ячейки. BMS выбирается или проектируется в соответствии с конфигурацией ячейки, а не наоборот. Выбор BMS до того, как ячейки будут окончательно определены, часто требует перепроектирования.

Каков типичный минимальный заказ для индивидуального литий-ионного аккумулятора?

Минимальный заказ зависит от формата ячейки, оснащения корпуса и настройки BMS. Аккумуляторные блоки, изготовленные из стандартных элементов и настраиваемой BMS, иногда могут начинаться с небольших партий прототипов, в то время как блоки, требующие специального инструмента или полностью индивидуальной BMS, обычно требуют более высоких производственных затрат. Поделитесь своим целевым объемом заранее, чтобы производитель мог порекомендовать правильный подход.

Можно ли повторно использовать существующую конструкцию BMS с другим химическим составом или напряжением?

Не обошлось и без инженерной экспертизы. BMS настроена на определенный химический состав ячеек, количество ячеек, окно напряжения и диапазон тока. Повторное использование BMS за пределами ее расчетных параметров может привести к неточным пороговым значениям защиты или ненадежной балансировке.

Какие сертификаты нужны индивидуальному аккумуляторному блоку?

Требования зависят от области применения и рынка назначения. Общие ссылки включают UN 38.3 для транспортировки и стандарты UL или IEC по безопасности продукции. Потребности в сертификации следует определить до завершения выбора ячейки и конструкции корпуса, поскольку и то, и другое может повлиять на результаты испытаний.

Сколько времени занимает получение индивидуального предложения по аккумуляторной батарее?

Обычно производитель может предоставить первоначальную рекомендацию в течение 1–2 рабочих дней после предоставления данных о напряжении, мощности, токе, размерах, условиях эксплуатации и объеме производства.

Заключение

Компоненты литий-ионного аккумуляторного блока работают как одна система. Элементы обеспечивают энергию, BMS контролирует и защищает аккумулятор, межсоединения проводят ток, корпус обеспечивает механическую защиту, тепловые компоненты управляют нагревом, а разъемы и интерфейсы связи интегрируют батарею с оборудованием.

Лучший выбор компонентов зависит от применения, а не только от одной спецификации. Успешная конструкция балансирует напряжение, емкость, ток, размер, безопасность, срок службы, технологичность, сертификацию и общую стоимость владения.

Если вы разрабатываете индивидуальный литий-ионный аккумулятор, поделитесь своими электрическими, механическими, экологическими и производственными требованиями. Наши инженеры могут порекомендовать практичную архитектуру компонентов и предоставить первоначальное решение в течение 1-2 рабочих дней.