Ključni zaključek:
- Litij-ionski akumulatorji so zapleteni sklopi, ki vključujejo celice, sistem za upravljanje baterije (BMS), pasivne komponente, ohišje in sistem za upravljanje toplote. Poganjajo široko paleto aplikacij, od zabavne elektronike do električnih vozil, in zahtevajo skrbno načrtovanje, da se zagotovi varnost, učinkovitost in zanesljivost.
A litij-ionska baterija paket je sklop litij-ionskih celic, sistema za upravljanje baterije in različnih podpornih komponent, vse v ohišju. Zagotavlja shranjevanje energije za ponovno polnjenje in napajanje za nešteto potrošniške elektronike, električnih vozil, omrežnih sistemov za shranjevanje in drugih industrijskih aplikacij.
Medtem ko litij-ionske celice zagotavljajo osnovno električno zmogljivost, so druge integrirane komponente enako ključne pri omogočanju varne, učinkovite in zanesljive funkcionalnosti. V tem priročniku si bomo podrobneje ogledali tehnične vidike vsake osnovne komponente litij-ionske baterije.
Pregled ključnih komponent
Litij-ionski akumulatorji vključujejo naslednje glavne komponente:
- Litij-ionske celice – Osnovna elektrokemična enota, ki zagotavlja zmogljivost za shranjevanje električne energije. Za dosego želene napetosti in zmogljivosti se kombinira več celic.
- Sistem za upravljanje baterije (BMS) – »Možgani« spremljajo stanje celice ter nadzorujejo varnost in delovanje.
- Pasivne komponente – Zagotovite strukturo, medsebojno povezavo, izolacijo in hlajenje.
- Ohišje – Hrani in ščiti vse notranje komponente.
- Sistem toplotnega upravljanja – Ohranja optimalno temperaturo celice za delovanje.
- Dodatna elektronika – Dodane funkcije za izboljšanje funkcionalnosti in integracije.
Nato bomo podrobneje raziskali vsako od teh komponent.
Litij-ionske celice: elektrokemični vir energije
Litij-ionske celice uporabljajo interkalacijsko kemijo litijevega iona za reverzibilno elektrokemično shranjevanje električne energije. V celici se pozitivno nabiti litijevi ioni premikajo med grafitno anodo in katodo iz litijskega kovinskega oksida, ko se celica polni in prazni. Organski elektrolit omogoča transport ionov, medtem ko porozni separator preprečuje električni stik med elektrodama.
Celice so na voljo v različnih standardnih velikostih in oblikah:
- Cilindrične (npr. 18650, 21700, 4680): spiralno navite plasti elektrod/ločevalnikov v valjasti kovinski posodi. Večja gostota moči, vendar nižja energijska gostota v primerjavi s celicami iz vrečk. Pogosti formati:
- 18650 – Premer 18 mm, višina 65 mm, tipična kapaciteta 1,5–3 Ah
- 21700 – Premer 21 mm, višina 70 mm, kapaciteta do 5 Ah
- 4680 – Premer 46 mm, višina 80 mm, kapaciteta 10-50 Ah
- Prizmatični – izmenične katodne, anodne in separatorske plasti, zložene in zložene v prizmatično aluminijasto ohišje. Poveča volumetrično gostoto energije, vendar nižjo gostoto moči. Pogosti formati:
- Zmogljivosti 10Ah in 30Ah pri nizkih stopnjah C
- Dimenzije okoli 100 x 200 x 10 mm
- Torbica – elektrode in separator zaprti v laminatni vrečki iz metalizirane plastike. Znane tudi kot polimerne celice. Prilagodljiv in lahek. Stroškovno učinkovito, a manj trpežno ohišje. Tipične ocene zmogljivosti od 1Ah do več kot 300Ah.
Litij-ionske celice uporabljajo tudi različne katodne kemije, ki vplivajo na napetost, zmogljivost in varnost:
- Litijev kobaltov oksid (LCO) – nazivna napetost 3,6 V, visoka energijska gostota, vendar pomisleki glede varnosti pri povišanih temperaturah
- Litijev manganov oksid (LMO) – 3,7 V, varnejša in daljša življenjska doba, vendar manjša zmogljivost
- Litijev železov fosfat (LFP) – 3,2 V, zelo varen in vzdržljiv, vendar z manjšo energijsko gostoto
- Litij nikelj mangan kobaltov oksid (NMC) – 3,6/3,7 V, visoka zmogljivost in energijska gostota, vendar bolj zapletena proizvodnja
- Litij nikelj kobalt aluminij (NCA) – 3,6 V, visoka zmogljivost in gostota moči, vendar krajša življenjska doba baterije
Pri izbiri celic inženirji ocenjujejo parametre, kot so nazivna napetost, zmogljivost, C-stopnja, življenjska doba, faktor oblike, varnost, stroški in razpoložljivost, da izpolnijo zahteve aplikacije. Visokozmogljive kemije NMC in NCA so postale običajne za visoko zmogljive aplikacije.
Sistem za upravljanje baterije (BMS)
The sistem za upravljanje baterije služi kot "možgani", ki nadzirajo celotno delovanje baterije. BMS spremlja stanje v celici, nadzoruje varnostne mehanizme, uravnava celice in zagotavlja komunikacijske vmesnike. Kompleksnost BMS je odvisna od velikosti paketa in funkcionalnosti. BMS za male potrošnike lahko vključuje samo:
- Spremljanje napetosti in temperature celic
- Preprečevanje prekomernega polnjenja in prekomernega praznjenja
- Izravnavanje napetosti celice
Medtem ko velik vlečni paket EV BMS zagotavlja obsežno funkcionalnost:
- Visoko natančno spremljanje napetosti (±15mV), toka (±1-2%) in temperature (±1°C) za vsako celico
- Aktivno uravnoteženje celic preko ranžirnih ali večnavitnih transformatorjev
- Krmilni kontaktorji in varovalke za električno izolacijo
- Kompleksni algoritmi za oceno stanja napolnjenosti in zdravja
- Toplotno upravljanje preko nadzora hladilnega sistema
- Hitro odkrivanje kritičnih napak – odprt/kratek stik, previsoka temperatura
- Na stotine senzorskih vhodov in krmilnih izhodov
- Komunikacijski vmesniki za vozila – CAN, LIN, FlexRay, avtomobilski Ethernet
- Varna avtentikacija, zaščita pred posegi, posodobitve vdelane programske opreme po zraku
- Podrobno beleženje podatkov za diagnostiko in štetje ciklov
vir: ResearchGate
Strojna oprema BMS je običajno sestavljena iz IC-jev senzorskega vmesnika, ADC-jev, mikrokrmilnikov in vezij za upravljanje porabe energije, nameščenih na tiskanem vezju. Visokonapetostna izolacija in robustne povezave so ključne za varnost in zanesljivost.
Pasivne komponente
Litij-ionski akumulatorji poleg celic in BMS vključujejo različne pasivne komponente:
- Bus palice – Zagotavljajo povezave z nizkim uporom med celicami in terminali. Zahtevana visoka tokovna zmogljivost – do 1000A v paketih EV. Bakrene ali aluminijaste vodilne palice so lahko gole, prevlečene ali prevlečene. Zasnova vodila zmanjšuje induktivnost, hkrati pa ohranja izolacijo.
- Material toplotnega vmesnika – Uporablja se med celicami in stenami ohišja ali hladilnimi kanali. Silikonski elastomeri, toplotno prevodni trakovi in blazinice za polnjenje vrzeli povečajo prenos toplote. Materiali s fazno spremembo ponujajo visoko toplotno kapacitivnost.
- Lepila in trakovi – zagotavljajo električno izolacijo in odpornost na vibracije. Materiali vključujejo poliuretan, akrilna lepila in silikon. Obojestranski toplotno prevodni trakovi so običajni. Stroga ocena vnetljivosti UL94 V-0.
- Varovalke in kontaktorji – Zaščita pred prekomernim tokom. Omogočite tudi varno električno izolacijo. Zahtevane so visoke napetosti in tokovne vrednosti. Varovalke so lahko integrirane v BMS. Tokokrogi pred polnjenjem omejujejo zagonski tok.
- Celične medsebojne povezave – povežite celične terminale v seriji. Prenašati mora visoko gostoto toka. Uporablja se ultrazvočno, lasersko in uporovno varjenje.
Skrbna izbira teh pasivnih komponent zagotavlja električno, toplotno in mehansko celovitost baterije v zahtevnih pogojih.
Ohišje paketa baterij
Ohišje ali ohišje baterije zagotavlja:
- Zaščita – Ščiti celice pred mehanskimi poškodbami, udarci, prahom, tekočinami. Omogoča le pravilne električne povezave. Zagotavlja oceno IP glede na aplikacijo.
- Strukturna podpora – Zagotavlja zahtevano togost za zlaganje in montažo celic. Vmesniki z okvirjem aplikacije in oklepaji.
- Hladilni kanali – Omogoča pretok zraka ali kroženje hladilne tekočine skozi celice in BMS. Lahko vključuje integrirana hladilna rebra.
- Izolacija – Električno izolira visokonapetostne komponente, kot so vodila in sponke.
- Tesnjenje okolja – preprečuje vdor vlage. Potreben za litij-ionske kemije.
Običajni materiali ohišij vključujejo kovine, kot je aluminij, za odlične toplotne lastnosti, in izdelane mešanice plastike za manjšo težo in odpornost proti koroziji. Metalizirana plastika in plastika, ojačana z ogljikovimi vlakni, zagotavlja strukturno togost in zaščito.
Ohišja imajo pogosto odstranljive dostopne plošče za servisiranje in modularne zasnove paketov za prilagodljivost namestitve. Strukturna lepila, tesnila in izolacijske membrane ohranjajo komponente varno nameščene in izolirane.
Sistem toplotnega upravljanja
Vzdrževanje ustreznih temperatur celic je ključnega pomena za varno in optimalno delovanje litij-ionskih baterij. Čeprav litij-ionske celice dobro delujejo okoli 15-35 °C, delovanje zunaj tega območja poslabša zmogljivost in življenjsko dobo:
- Zmogljivost praznjenja se zmanjša pod lediščem. Poveča se notranji upor.
- Nad ~50 °C pride do hitrega zmanjševanja zmogljivosti in staranja.
- Nad ~60 °C se nevarnost toplotnega uhajanja stopnjuje.
Tako mora sistem toplotnega upravljanja hladiti celice med delovanjem in jih ogrevati, ko so statične v hladnih okoljskih pogojih. Tipične metode hlajenja vključujejo:
- Pasivni zrak – Hlajenje preko reber in kanalov. Uporablja se v manjših pakiranjih z nižjo toplotno močjo.
- Prisilni zrak – Aksialni ali centrifugalni ventilatorji izboljšajo pretok zraka in prenos toplote. Kanali optimizirajo porazdelitev pretoka.
- Tekočinsko hlajenje – Plašči, plošče ali mikrokanali krožijo vodo/glikolno mešanico ali dielektrično tekočino. Zelo učinkovito za pakete z visoko močjo >5kW.
- Materiali za spremembo faze – Vosku podobni materiali, ki med taljenjem absorbirajo toploto. Uporablja se v ohišjih ali kot toplotne blazinice.
- Termoelektrični – Peltierjeve naprave ob napajanju ustvarjajo temperaturno razliko. Kompaktno polprevodniško hlajenje.
Ogrevanje je prav tako ključnega pomena za delovanje v hladnem podnebju. Metode ogrevanja vključujejo:
- Električni grelci – Uporovni grelniki, pritrjeni na ohišje paketa.
- Toplotne črpalke – Reverzne termoelektrične naprave ali kompaktne hladilne zanke.
- Odpadna toplota – Zajemanje uporovnih izgub pri polnjenju in praznjenju.
BMS spremlja temperaturo celic in ustrezno nadzoruje hlajenje ali ogrevanje na podlagi lastniških nadzornih algoritmov. Veliki paketi baterij se lahko razdelijo na toplotne cone z neodvisno regulacijo temperature.
Dodatne komponente
Odvisno od cene, faktorja oblike in aplikacijskih zahtev lahko paketi litij-ionskih baterij vključujejo dodatne komponente:
- Bujenje vezje – Prebudi speči BMS, ko se začne polnjenje/praznjenje. Izboljša tok v stanju pripravljenosti.
- Uravnoteženje celic vezja – Aktivno uravnoteženje zagotavlja večjo natančnost kot samo pasivno uravnoteženje. Zahteva dodatno kompleksnost.
- Vezje predpolnjenja – Omejuje zagonski tok pri povezovanju paketa. Uporablja upore ali aktivno preklapljanje. Ščiti BMS in kontaktorje.
- Polnilec – Vgrajena elektronika za nadzor polnjenja za hitro polnjenje z enosmernim tokom. Odpravlja potrebo po zunanjem polnilniku.
- Komunikacije – Poleg osnovnega vmesnika BMS lahko paketi vključujejo brezžične module ali Power Line Communication (PLC) za daljinsko upravljanje in diagnostiko.
- Grelniki – Zagotovite nadzorovano ogrevanje za delovanje v hladnem vremenu. Pomagajte doseči optimalno celično temperaturo.
- Preklapljanje celic – Vklopi/izklopi skupine celic za toplotno upravljanje in uravnoteženje. Zahteva veliko dodanih stikal in zapleteno krmilno logiko.
- LED diode stanja – Uporabniku vizualno prikaže status osnovnega paketa – polnjenje, napaka, stanje pripravljenosti itd.
Aplikacije litij-ionske baterije
Zdaj, ko smo raziskali notranje komponente, poglejmo, kako se litij-ionski akumulatorji uporabljajo v večjih industrijah in aplikacijah:
- Električna vozila – Zagotovite pogonsko moč popolnoma električnim in hibridnim vozilom. Zahteva zelo visoko zmogljivost (50-100kWh), gostoto moči, varnost in življenjsko dobo. Kompleksne izvedbe s tekočinskim hlajenjem.
- Potrošniška elektronika – mobilni telefoni, prenosni računalniki, električna orodja in druge prenosne naprave. Osredotočite se na stroške, kompaktno velikost in lahkost. Zračno hlajena vrečka ali prizmatične celice v plastičnih ohišjih. Razpon zmogljivosti 1-100 Wh.
- Letalstvo – uporablja se v letalih za napajanje v sili in za zagon motorjev. Trpežne zasnove so odporne na tresljaje. Varnost in zanesljivost sta kritični.
- Stacionarno shranjevanje – shranjevanje energije v omrežju, rezervno napajanje, sončni/vetrni sistemi zunaj omrežja. Osredotočite se na nizke stroške in dolgo življenjsko dobo. Zračno/tekočinsko hlajeno v stojalih ali posodah.
- Medicinski pripomočki – medicinski pripomočki za vsaditev in nošenje. Potrebne so zelo kompaktne, varne in vzdržljive baterije. Ultratanke fleksibilne celice do debeline 100 mikronov.
Ta pregled ponazarja široko paleto zasnov paketov litij-ionskih baterij, prilagojenih za izpolnjevanje zelo različnih aplikacijskih zahtev v panogah.
Varnost litij-ionske baterije
Delo z litij-ionskimi baterijami zahteva ustrezne varnostne ukrepe. Čeprav so okvarjene ali poškodovane celice na splošno varne, če so pravilno zasnovane in z njimi ravnamo, se lahko hitro pregrejejo in vnamejo. Ključna tveganja vključujejo:
- Zunanji kratek stik – hitro povzroči visok tok in segrevanje.
- Notranji kratek stik – ki jih povzroči poškodba celic. Najbolj nevaren način okvare.
- Toplotni beg – samosegrevanje, dokler se celica ne izprazni ali zgori. Lahko se razmnožuje med celicami.
- Previsoka cena – napetost celice nad mejami povzroči razgradnjo elektrolitov.
- Zdrobitev/udarec – zdrobi separator, kar omogoči notranji kratek stik.
- Nepravilna montaža – ohlapne komponente in točke visoke odpornosti ustvarjajo lokalno toploto.
BMS in druga zaščitna vezja so zasnovana tako, da zmanjšajo ta tveganja med normalnim delovanjem in napakami. Vendar morajo delavci pri transportu, nameščanju, servisiranju ali odstranjevanju paketov litij-ionskih baterij upoštevati varnostne ukrepe:
- Nosite ustrezno OZO – zaščita za oči, rokavice, ognjevarna oblačila. Izogibajte se kovinskemu nakitu.
- Uporabljajte izolirana orodja, označena za uporabo na baterijskih paketih pod napetostjo.
- Izogibajte se kratkemu stiku na terminalih ali vodilih.
- Strogo se držite pošiljanje in predpisi za ravnanje z litijevimi baterijami.
- Izpraznite izrabljene baterije, da prihranite napetost pred odlaganjem.
- Hraniti in polniti na nevnetljivih površinah stran od vnetljivih snovi.
- V primeru požara imejte pri roki gasilni aparat.
Upoštevanje smernic najboljše prakse za varno ravnanje je bistveno pri delu z litij-ionskimi baterijami.
Zaključek
Paketi litij-ionskih baterij imajo številne komponente, vključno s celicami, elektroniko BMS, upravljanjem toplote in zasnovo ohišja. Inženirji morajo pri načrtovanju baterijskih paketov uravnotežiti stroške, zmogljivost, varnost in možnost izdelave.
Nadaljnje izboljšave tehnologije bodo omogočile varnejše, cenejše, manjše in zmogljivejše litij-ionske pakete. Podjetja morajo biti na tekočem z najnovejšimi dosežki, da ostanejo konkurenčna.
Sorodni članki:
