Nyckel takeaway:
- Litiumjonbatteripaket är komplexa sammansättningar som inkluderar celler, ett batterihanteringssystem (BMS), passiva komponenter, ett hölje och ett värmehanteringssystem. De driver ett brett spektrum av applikationer, från hemelektronik till elfordon, och kräver noggrann ingenjörskonst för att säkerställa säkerhet, effektivitet och tillförlitlighet.
A litium jon batteri pack är en sammansättning av litiumjonceller, ett batterihanteringssystem och olika stödjande komponenter som alla finns i ett hölje. Den tillhandahåller laddningsbar energilagring och kraft för otaliga hemelektronik, elfordon, nätlagringssystem och andra industriella tillämpningar.
Medan litiumjonceller tillhandahåller den grundläggande elektriska kapaciteten, är de andra integrerade komponenterna lika viktiga för att möjliggöra säker, effektiv och pålitlig funktionalitet. I den här guiden tar vi en närmare titt på de tekniska aspekterna av varje kärnlitiumjonbatterikomponent.
Översikt över nyckelkomponenter
Litiumjonbatterier innehåller följande huvudkomponenter:
- Litiumjonceller – Den grundläggande elektrokemiska enheten som tillhandahåller elektrisk lagringskapacitet. Flera celler kombineras för att uppnå önskad spänning och kapacitet.
- Batterihanteringssystem (BMS) – "Hjärnan" övervakar cellförhållanden och kontrollerar säkerhet och prestanda.
- Passiva komponenter – Tillhandahålla struktur, sammankoppling, isolering och kyla.
- Inhägnad – Inrymmer och skyddar alla inre komponenter.
- Termiskt ledningssystem – Upprätthåller optimal celltemperatur för drift.
- Ytterligare elektronik – Tillagda funktioner som förbättrar funktionalitet och integration.
Därefter kommer vi att utforska var och en av dessa komponenter i mer teknisk detalj.
Litiumjonceller: Den elektrokemiska kraftkällan
Litiumjonceller använder litiumjoninterkaleringskemi för att reversibelt lagra elektrisk energi elektrokemiskt. Inuti cellen pendlar positivt laddade litiumjoner mellan en grafitanod och litiummetalloxidkatod när cellen laddas och urladdas. En organisk elektrolyt tillåter jontransport medan en porös separator förhindrar elektrisk kontakt mellan elektroderna.
Celler finns i olika standardstorlekar och formfaktorer:
- Cylindriska (t.ex. 18650, 21700, 4680): spirallindade elektrod-/separatorskikt i en cylindrisk metallburk. Högre effekttäthet men lägre energitäthet jämfört med påsceller. Vanliga format:
- 18650 – 18 mm diameter, 65 mm höjd, typisk kapacitet på 1,5–3 Ah
- 21700 – 21 mm diameter, 70 mm höjd, upp till 5 Ah kapacitet
- 4680 – 46mm diameter, 80mm höjd, 10-50Ah kapacitet
- Prismatisk – alternerande katod-, anod- och separatorskikt staplade och vikta till ett prismatiskt aluminiumhölje. Maximerar volymetrisk energitäthet men lägre effekttäthet. Vanliga format:
- 10Ah och 30Ah kapaciteter vid låga C-hastigheter
- Mått ca 100 x 200 x 10 mm
- Påse – elektroder och separator förseglade i en metalliserad plastlaminatpåse. Även känd som polymerceller. Flexibel och lätt. Kostnadseffektivt men mindre hållbart hölje. Typiska kapacitetsklasser från 1Ah till över 300Ah.
Litiumjonceller använder också olika katodkemi, vilket påverkar spänning, kapacitet och säkerhet:
- Litiumkoboltoxid (LCO) – 3,6V nominell spänning, hög energitäthet men säkerhetsproblem vid förhöjda temperaturer
- Litiummanganoxid (LMO) – 3,7V, säkrare och längre livslängd men lägre kapacitet
- Litiumjärnfosfat (LFP) – 3,2V, mycket säker och hållbar men lägre energitäthet
- Litiumnickel mangan koboltoxid (NMC) – 3,6/3,7V, hög kapacitet och energitäthet men mer komplex tillverkning
- Litium nickel kobolt aluminium (NCA) – 3,6V, hög kapacitet och effekttäthet men kortare batteritid
Vid val av celler utvärderar ingenjörer parametrar som nominell spänning, kapacitet, C-hastighet, cykellivslängd, formfaktor, säkerhet, kostnad och tillgänglighet för att uppfylla applikationskraven. NMC- och NCA-kemi med hög kapacitet har blivit vanliga för högpresterande applikationer.
Batterihanteringssystem (BMS)
De batterihanteringssystem fungerar som "hjärnan" som kontrollerar den övergripande driften av batteripaketet. BMS övervakar cellförhållanden, kontrollerar säkerhetsmekanismer, balanserar celler och tillhandahåller kommunikationsgränssnitt. BMS:s komplexitet beror på förpackningsstorlek och funktionalitet. BMS för småkonsumenter kan bara innehålla:
- Övervakning av cellspänningar och temperaturer
- Förhindrar överladdning och överladdning
- Balanserar cellspänningar
Medan stora EV-traktionspaket BMS tillhandahåller omfattande funktionalitet:
- Övervakning av hög noggrannhet av spänning (±15mV), ström (±1-2%) och temperatur (±1°C) för varje cell
- Aktiv cellbalansering via shuntande eller flerlindade transformatorer
- Styr kontaktorer och säkringar för elektrisk isolering
- Komplexa laddnings- och hälsouppskattningsalgoritmer
- Termisk hantering via kylsystemstyrning
- Detektering av kritiska fel i hög hastighet – öppen/kortslutning, övertemperatur
- Hundratals sensoringångar och kontrollutgångar
- Kommunikationsgränssnitt för fordon – CAN, LIN, FlexRay, Automotive Ethernet
- Säker autentisering, manipuleringsskydd, firmwareuppdateringar trådlöst
- Detaljerad dataloggning för diagnostik och cykelräkning
källa: ResearchGate
BMS-hårdvaran består vanligtvis av sensorgränssnitts-IC, ADC, mikrokontroller och strömhanteringskretsar monterade på ett tryckt kretskort. Högspänningsisolering och robusta anslutningar är avgörande för säkerhet och tillförlitlighet.
Passiva komponenter
Förutom celler och BMS innehåller litiumjonbatteripaket olika passiva komponenter:
- Samlingsskenor – Ger lågresistansanslutningar mellan celler och plintar. Hög strömkapacitet krävs – upp till 1000A i EV-paket. Koppar- eller aluminiumskenor kan vara nakna, pläterade eller belagda. Samlingsskenas design minimerar induktansen samtidigt som isoleringen bibehålls.
- Termiskt gränssnittsmaterial – Används mellan celler och höljesväggar eller kylkanaler. Silikonelastomerer, värmeledande tejper och fyllnadsdynor maximerar värmeöverföringen. Fasväxlingsmaterial erbjuder hög termisk kapacitans.
- Lim och tejp – Ger elektrisk isolering och vibrationsmotstånd. Materialen inkluderar polyuretan, akryllim och silikon. Dubbelsidiga värmeledande tejper är vanliga. Strikt UL94 V-0 brandfarlighetsklassificering.
- Säkringar och kontaktorer – Skydda mot överströmsfel. Tillåt även säker elektrisk isolering. Hög spänning och strömklass krävs. Säkringar kan integreras i BMS. Förladdningskretsar begränsar startströmmen.
- Cellsammankopplingar – Sammanfoga cellterminaler i serie. Måste klara hög strömtäthet. Ultraljuds-, laser- och motståndssvetsning används.
Noggrant val av dessa passiva komponenter säkerställer elektrisk, termisk och mekanisk integritet hos batteripaketet under krävande förhållanden.
Batterihölje
Batteripaketets hölje eller hölje ger:
- Skydd – Skyddar celler från mekanisk misshandel, stötar, damm, vätskor. Tillåter endast korrekta elektriska anslutningar. Ger IP-klassificering baserat på applikation.
- Strukturellt stöd – Ger erforderlig styvhet för cellstapling och montering. Gränssnitt med applikationsram och konsoler.
- Kylkanaler – Tillåter luftflöde eller flytande kylvätska att cirkulera över celler och BMS. Kan innehålla integrerade kylflänsar.
- Isolering – Elektriskt isolerar högspänningskomponenter som samlingsskenor och terminaler.
- Miljötätning – Förhindrar inträngning av fukt. Nödvändigt för litiumjonkemi.
Vanliga kapslingsmaterial inkluderar metaller som aluminium för utmärkta termiska egenskaper och konstruerade plastblandningar för lägre vikt och korrosionsbeständighet. Metalliserad och kolfiberförstärkt plast ger strukturell styvhet och skärmning.
Kapslingar har ofta avtagbara åtkomstpaneler för service och modulära paketdesigner för installationsflexibilitet. Strukturella lim, packningar och isolerande membran håller komponenter säkert monterade och isolerade.
Termiskt ledningssystem
Att upprätthålla rätt celltemperatur är avgörande för säker och optimal prestanda hos litiumjonbatterier. Även om litiumjonceller fungerar bra runt 15-35°C, försämrar drift utanför detta intervall prestanda och livslängd:
- Utsläppskapaciteten minskar under fryspunkten. Det inre motståndet ökar.
- Över ~50°C försvinner och åldras snabb kapacitet.
- Över ~60°C eskalerar risken för termisk rusning.
Det termiska ledningssystemet måste alltså kyla celler under drift och värma dem när de är statiska i kalla omgivningsförhållanden. Typiska kylningsmetoder inkluderar:
- Passiv luft – Kylning via fenor och kanaler. Används i mindre förpackningar med lägre värmeeffekt.
- Tvångsluft – Axiella eller centrifugalfläktar förbättrar luftflödet och värmeöverföringen. Kanaler optimerar flödesfördelningen.
- Vätskekylning – Jackor, plattor eller mikrokanaler cirkulerar en vatten/glykolblandning eller dielektrisk vätska. Mycket effektivt för kraftpaket >5kW.
- Fasbytesmaterial – Vaxliknande material absorberar värme när de smälter. Används i kapslingar eller som termiska dynor.
- Termoelektrisk – Peltier-enheter genererar en temperaturskillnad när de drivs. Kompakt solid-state kylning.
Uppvärmning är också avgörande för drift i kallt klimat. Uppvärmningsmetoder inkluderar:
- Elektriska värmare – Resistiva värmare fästa på förpackningens hölje.
- Värmepumpar – Omvända termoelektriska enheter eller kompakta köldmedieslingor.
- Spillvärme – Fångar resistiva förluster från laddning och urladdning.
BMS övervakar celltemperaturer och styr kyla eller uppvärmning i enlighet med detta baserat på proprietära kontrollalgoritmer. Stora batteripaket kan delas in i termiska zoner med oberoende temperaturreglering.
Ytterligare komponenter
Beroende på kostnad, formfaktor och applikationskrav kan litiumjonbatteripaket innehålla ytterligare komponenter:
- Väckningskrets – Vaknar sovande BMS när laddning/urladdning börjar. Förbättrar standbyström.
- Cellbalansering kretsar – Aktiv balansering ger mer precision än enbart passiv balansering. Kräver extra komplexitet.
- Förladdningskrets – Begränsar startström vid anslutning av pack. Använder motstånd eller aktiv omkoppling. Skyddar BMS och kontaktorer.
- Laddare – Inbyggd laddningskontrollelektronik för DC-snabbladdning. Tar bort behovet av en extern laddare.
- Kommunikationer – Utöver ett grundläggande BMS-gränssnitt kan paketen innehålla trådlösa moduler eller Power Line Communication (PLC) för fjärrkontroll och diagnostik.
- Värmare – Ge kontrollerad uppvärmning för drift i kallt väder. Hjälp till att uppnå optimal celltemperatur.
- Cellbyte – Slår på/stänger av grupper av celler för termisk hantering och balansering. Kräver många extra switchar och komplex styrlogik.
- Statuslysdioder – Visuellt indikera grundläggande förpackningsstatus för användaren – laddning, fel, standby mm.
Applikationer för litiumjonbatterier
Nu när vi har utforskat de interna komponenterna, låt oss undersöka hur litiumjonbatterier används i stora industrier och applikationer:
- Elfordon – Ge framdrivningskraft till helt eldrivna fordon och hybridfordon. Kräver mycket hög kapacitet (50-100kWh), effekttäthet, säkerhet och livslängd. Komplexa vätskekylda mönster.
- Konsumentelektronik – Mobiltelefoner, bärbara datorer, elverktyg och andra bärbara enheter. Fokus på kostnad, kompakt storlek och lättvikt. Luftkyld påse eller prismatiska celler i plasthöljen. Kapacitetsområde 1-100Wh.
- Aerospace – Används i flygplan för nödkraft och för att starta motorer. Hållbar design tål vibrationer. Säkerhet och tillförlitlighet är avgörande.
- Stationär lagring – Energilagring i nätet, reservkraft, off-grid sol-/vindsystem. Fokusera på låg kostnad, lång livslängd. Luft/vätska kyld i ställ eller behållare.
- Medicinsk utrustning – Implanterbar och bärbar medicinsk utrustning. Mycket kompakta, säkra och hållbara batterier krävs. Ultratunna flexibla celler ner till 100 mikron tjocka.
Den här översikten illustrerar det breda utbudet av litiumjonbatteripaket som är skräddarsydda för att möta mycket olika applikationskrav inom olika branscher.
Säkerhet för litiumjonbatterier
Att arbeta med litiumjonbatterier kräver lämpliga säkerhetsåtgärder. Även om de är generellt säkra om de utformas och hanteras korrekt, kan defekta eller skadade celler snabbt överhettas och antändas. Viktiga risker inkluderar:
- Extern kortslutning – leder snabbt till hög ström och uppvärmning.
- Intern kortslutning – orsakad av cellskador. Det farligaste felläget.
- Termisk flykt – självuppvärmning tills cellen ventileras eller bränns. Kan föröka sig mellan celler.
- Överpris – cellspänning över gränserna orsakar elektrolytnedbrytning.
- Krossa/stöta – krossar separator som tillåter intern kortslutning.
- Felaktig montering – lösa komponenter och höga motståndspunkter genererar lokal värme.
BMS och andra skyddskretsar är utformade för att minimera dessa risker under normal drift och fel. Arbetstagare bör dock vidta försiktighetsåtgärder vid transport, installation, service eller kassering av litiumjonbatterier:
- Bär lämplig PPE – ögonskydd, handskar, flamsäkra kläder. Undvik metallsmycken.
- Använd isolerade verktyg märkta för användning på strömförande batteripaket.
- Undvik kortslutning av plintar eller samlingsskenor.
- Strikt följa frakt och hanteringsbestämmelser för litiumbatterier.
- Ladda ur förbrukade batterier för att spara spänning innan de kasseras.
- Förvara och ladda på obrännbara ytor borta från brännbart material.
- Ha en brandsläckare till hands i händelse av brand.
Det är viktigt att följa riktlinjerna för bästa praxis för säker hantering när du arbetar med litiumjonbatterier.
Slutsats
Litiumjonbatterier har många komponenter, inklusive celler, BMS-elektronik, termisk hantering och höljesdesign. Ingenjörer måste balansera kostnad, prestanda, säkerhet och tillverkningsbarhet när de designar batteripaket.
Fortsatta tekniska förbättringar kommer att möjliggöra säkrare, billigare, mindre och kraftfullare litiumjonpaket. Företag måste hålla sig uppdaterade om de senaste framstegen för att förbli konkurrenskraftiga.
Relaterade artiklar:
