วิธีเอาชนะความท้าทายในการออกแบบในชุดแบตเตอรี่แบบกำหนดเอง

ความต้องการสำหรับกะทัดรัดและมีประสิทธิภาพสูง ชุดแบตเตอรี่ ได้เพิ่มขึ้นในอุตสาหกรรมต่าง ๆ เช่นเทคโนโลยีที่สวมใส่ได้อุปกรณ์การแพทย์โดรนและเซ็นเซอร์ IoT แอพพลิเคชั่นเหล่านี้ต้องการแหล่งพลังงานที่มีน้ำหนักเบาที่ให้พลังงานที่เชื่อถือได้และอดทนต่อความเครียดทางกายภาพอย่างปลอดภัย

อย่างไรก็ตามการลดขนาดของแบตเตอรี่โดยไม่ต้องเสียสละประสิทธิภาพหรือความปลอดภัยทำให้เกิดความท้าทายทางวิศวกรรมที่สำคัญ บทความนี้ตรวจสอบความท้าทายเหล่านี้และเสนอกลยุทธ์ในการจัดการกับพวกเขา

แบตเตอรี่ขนาดกะทัดรัดคืออะไร?

ชุดแบตเตอรี่ขนาดกะทัดรัดเป็นระบบจัดเก็บพลังงานแบบกำหนดเองที่ออกแบบมาสำหรับอุปกรณ์ที่ จำกัด พื้นที่โดยไม่ต้องเสียสละพลังงาน ซึ่งแตกต่างจากแบตเตอรี่มาตรฐานแพ็คเหล่านี้ตรงตามขนาดที่เฉพาะเจาะจงน้ำหนักและข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพ พวกเขามักใช้ลิเธียมไอออนขั้นสูง (Li-ion) หรือเซลล์ลิเธียม-โพลีเมอร์ (LIPO) เพื่อเพิ่มขีดความสามารถในพื้นที่น้อยที่สุด

ตัวอย่างเช่นเครื่องช่วยฟังอาจใช้แพ็ค Li-ion ขนาดเหรียญในขณะที่เสียงพึมพำสามารถใช้การกำหนดค่า Lipo ที่บางเฉียบ การออกแบบของพวกเขาจัดลำดับความสำคัญประสิทธิภาพความทนทานและการปรับตัวให้เข้ากับสภาพแวดล้อมที่หลากหลาย

ความท้าทายในการออกแบบทั่วไปสำหรับแบตเตอรี่ขนาดกะทัดรัด

เมื่อออกแบบชุดแบตเตอรี่ปัจจัยสำคัญสามประการคือสิ่งจำเป็น: ประสิทธิภาพความสมบูรณ์ของโครงสร้างและความปลอดภัย แง่มุมเหล่านี้ท้าทายชุดแบตเตอรี่ขนาดกะทัดรัดเนื่องจากขนาดเล็กและวัสดุที่ จำกัด

ผลงาน

ความท้าทายหลักคือการปรับสมดุล ความหนาแน่นของพลังงาน ด้วยการส่งมอบพลังงาน แบตเตอรี่ขนาดเล็กเก็บพลังงานน้อยกว่า จำกัด รันไทม์ อัตราการคายประจุสูงในโดรนหรือเครื่องมือไฟฟ้าอาจทำให้เกิดความร้อนสูงเกินไปและแรงดันไฟฟ้าลดลงลดประสิทธิภาพ

วิศวกรจะต้องพิจารณาด้วย วงจรชีวิตเนื่องจากการชาร์จและการปลดปล่อยบ่อยครั้งสามารถลดแบตเตอรี่ขนาดกะทัดรัดได้เร็วขึ้นเนื่องจากระยะห่างที่แน่นหนาและความเครียดจากความร้อน

ความสมบูรณ์ของโครงสร้าง

การออกแบบขนาดกะทัดรัดมักเสียสละความทนทานเชิงกล ปลอกบางหรือ PCB ที่ยืดหยุ่นสามารถโค้งงอหรือแตกภายใต้การสั่นสะเทือนการกระแทกหรือการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ

ในเครื่องแต่งตัวแบบงอซ้ำอาจทำให้การเชื่อมต่อภายในอ่อนแอลง นักออกแบบจะต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าอุปกรณ์ทนต่อความเครียดทางกายภาพโดยไม่เพิ่มจำนวนมาก

ความปลอดภัย

ความเสี่ยงด้านความปลอดภัยเพิ่มขึ้นในการออกแบบขนาดกะทัดรัด ระยะห่างที่แน่นหนาอาจทำให้เกิดการหลบหนีความร้อนซึ่งเซลล์ความร้อนสูงเกินไปหนึ่งตัวทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่

แบตเตอรี่ลิเธียมอาจบวมรั่วหรือติดไฟหากมีการจัดการที่ผิดพลาด มาตรฐานความปลอดภัยที่เข้มงวดเช่น และ 38.3, การทดสอบอย่างเข้มงวดสำหรับการลัดวงจรการชาร์จและอุณหภูมิสูง

การเอาชนะความท้าทายในการออกแบบแบตเตอรี่ขนาดกะทัดรัด

นี่คือเคล็ดลับในการเอาชนะความท้าทายในการออกแบบแบตเตอรี่ขนาดกะทัดรัด

เพิ่มความจุเซลล์แบตเตอรี่และแรงดันไฟฟ้า

• Chemistries ขั้นสูง: ใช้เซลล์ li-ion silicon-anode สำหรับความจุสูงกว่ากราไฟท์ขั้วบวก 20-30% แบตเตอรี่โซลิดสเตตที่เกิดขึ้นใหม่ให้ความหนาแน่นและความเสถียรของพลังงานมากยิ่งขึ้น
• การจัดเรียงเซลล์ที่ดีที่สุด: รวมเซลล์ เป็นอนุกรมหรือขนาน เพื่อเพิ่มแรงดันไฟฟ้าหรือกำลังการผลิต การซ้อนกัน เซลล์ปริซึม ประหยัดพื้นที่ในแนวตั้งในขณะที่มั่นใจว่าเอาต์พุตสูง
• การจัดการพลังงาน: รวมอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และซอฟต์แวร์ที่ใช้พลังงานต่ำเช่นโหมดสลีปในอุปกรณ์ IoT เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงาน

เพิ่มความปลอดภัย

• ระบบการจัดการแบตเตอรี่อัจฉริยะ (BMS): ใช้ บีเอ็มเอส เพื่อตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าของเซลล์อุณหภูมิและสถานะการชาร์จ BMS ที่สอบเทียบจะป้องกันการชาร์จมากเกินไปปรับสมดุลเซลล์และเริ่มการปิดตัวในระหว่างความผิดพลาด
• การจัดการความร้อน: ใช้โพลีเมอร์เปลี่ยนเฟสหรือชั้นกราฟีนสำหรับการกระจายความร้อน ในการใช้งานที่สำคัญตัวคั่นเซรามิกสามารถลดความเสี่ยงในการเผาไหม้ได้
• การทดสอบการปฏิบัติตามกฎระเบียบ: ตรวจสอบการออกแบบที่มีการรับรองความปลอดภัยและจำลองสถานการณ์ความเครียดเช่นการทดสอบบดและการสัมผัสระดับความสูง

ให้ความสมบูรณ์ของโครงสร้าง

• วัสดุที่แข็งแกร่ง: ใช้อลูมิเนียมเกรดการบินและอวกาศหรือโพลีเมอร์ที่ทนทานเช่น Peek สำหรับการดูดซับแรงกระแทก
• การออกแบบแบบแยกส่วน: แบ่งแพ็คออกเป็นโมดูลขนาดเล็กเพื่อกระจายความเครียดคล้ายกับการปลูกถ่ายทางการแพทย์ที่ใช้โมดูลที่ปิดผนึกเพื่อป้องกันการเข้าสู่ความชื้น
• การผลิตขั้นสูง: ใช้การเชื่อมด้วยเลเซอร์และการพิมพ์ 3 มิติเพื่อการเชื่อมต่อที่แม่นยำและแข็งแกร่งระหว่างเซลล์และ ส่วนประกอบ, ลดคะแนนความล้มเหลว

บทสรุป

การออกแบบชุดแบตเตอรี่แบบกำหนดเองที่กำหนดเองเกี่ยวข้องกับการปรับสมดุลประสิทธิภาพความปลอดภัยและความทนทาน นักเคมีขั้นสูงเช่นเซลล์ซิลิกอน-อะโนดหรือโซลิดสเตตสมาร์ท BMS และวัสดุที่มีประสิทธิภาพช่วยวิศวกรจัดการกับความท้าทายขนาดเล็ก

ในขณะที่อุตสาหกรรมค้นหาอุปกรณ์ขนาดเล็กนวัตกรรมในเทคโนโลยีแบตเตอรี่และการทดสอบอย่างเข้มงวดจะเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพา การทำงานร่วมกันระหว่างวิทยาศาสตร์วัสดุอิเล็กทรอนิกส์และวิศวกรรมเครื่องกลจะผลักดันความก้าวหน้าในสาขานี้