Как да проектирате пакет литиева батерия (Ръководство стъпка-по-стъпка)

A пакет литиева батерияе много повече от просто свързани заедно клетки. Това е цялостна енергийна система, която комбинира електрохимия, машинно инженерство, термичен контрол, електрическа архитектура и управление на безопасността. Разбирането как е проектиран пакет от литиева батерия ще ви осигури по-добро разбиране на стандартите, управляващи производството на пакет от батерии. Това ръководство преминава през реалния процес, който следваме, когато клиент ни представи нов проект.

Стъпка 1: Дефинирайте изискванията и ограниченията на приложението

Всеки успешен пакет батерии започва сясни изисквания. Пропуснете тази стъпка и ще платите за нея по-късно при редизайн или повреди на място.

Трябва да заключите четири основни области:

• Изисквания за производителност: напрежение, капацитет, непрекъснат и пиков ток,цели за енергийна плътност
• Работна среда: температурен диапазон, нива на вибрации, влажност,IP рейтинг
• Очакван живот:брой циклипри конкретнидълбочина на изхвърляне
• Регулаторни изисквания: какви сертификати трябва да премине крайният продукт

Например, електрически инструмент може да изисква 10-15C изблици за кратки периоди, докато домашна система за съхранение на енергия дава приоритет на 3000+ цикъла при 80% DOD и ниска цена. Електрическият мотоциклет се нуждае от силна устойчивост на вибрации и водоустойчивост, каквито стационарният UPS не изисква.

Ние винаги изграждаме aматрица за проследимоств GEB. Той свързва всяко изискване с конкретно дизайнерско решение и метод за изпитване. Този документ става изключително полезен, когато сертифициращите органи започнат да задават въпроси.

Получаването на изискванията точно в началото спестява най-много време и пари.

Стъпка 2: Изберете оптимална клетъчна химия и формат

След като изискванията са ясни,избор на клеткарешава почти всичко, което следва.

Ето практическото сравнение, което използваме ежедневно:

След като изберете химия, решете форм-фактора:

• Цилиндрични клетки(18650, 21700, 4680) предлагат зряло производство, добра консистенция и здрава механична структура, но по-ниска плътност на опаковката.
• Призматични клеткидават по-добро оползотворяване на пространството и по-просто сглобяване на модула, въпреки че могат да се надуят и се нуждаят от по-здрави корпуси.
• Пауч клеткидоставят най-високотоенергийна плътности най-ниско тегло, но изискват най-внимателна външна опора и управление на подуването.

Използваме самоКлетки от степен Аот утвърдени производители. Последователността в капацитета и вътрешната съпротива са по-важни, отколкото повечето хора осъзнават. Дори малки разлики създават дисбаланс, който съкращава живота на опаковката и създава рискове за безопасността.

Избор на клеткане става въпрос за избор на "най-добрата" клетка. Става въпрос за избора на правилната клетка за вашия специфичен работен цикъл и целеви разходи.

Стъпка 3: Електрически дизайн на батерията

С избраните клетки трябва да ги превърнете в използваема платформа за напрежение и капацитет.

Серийно свързванеповишава напрежението:

V_total=V_cell × брой серии клетки

Паралелна връзкаувеличава капацитета и тока:

Ah_total=Ah_cell × брой паралелни низове

Обикновен пакет за съхранение на енергия от 48 V често използва конфигурация 13S или 16S в зависимост от прозореца на напрежението на инвертора. Приложенията с висока-мощност може да се нуждаят от 4P или 6P, за да поддържат тока на клетка в безопасни граници.

Методът на свързване има значение за надеждността. Ние избягваме директно запояване на клетки - топлината може да повреди вътрешните структури и да повиши вътрешното съпротивление с течение на времето.Точково заваряване на никелова лентаили лазерното заваряване на пластини дава много по-добри дългосрочни-резултати. За пътища с висок-ток преминаваме къммедни шинис множество точки на свързване за избягване на горещи точки.

Правилната изолация между линиите с високо-напрежение и ниско-напрежение намалява електромагнитните смущения и предотвратява проблемите с пълзене.

Електрическата архитектура трябва да доставя необходимата мощност, като същевременно поддържа ниско контактно съпротивление и балансирано споделяне на тока.

Стъпка 4: Интегрирайте системата за управление на батерията (BMS)

BMS е мозъкът и пазачът на глутницата.

Той трябва да следи напрежението, температурата и тока на клетките в реално време. Той изчислява SOC и SOH, извършва балансиране и активира защита при превишаване на ограниченията.

Ключовите решения включват:

• Пасивно балансиране(по-евтин) срещуактивно балансиране(по-ефективен за големи опаковки)
• Комуникационен протокол - CAN шина за автомобилни, RS485 или Bluetooth за стационарни системи
• Текущ рейтинг и брой поддържани серии клетки

Според нашия опит доброто BMS предотвратява 80% от потенциалните проблеми на място. Изберете такъв с резервни защитни вериги и бърза-отговор при късо съединение. За-системи с високо напрежение,мониторинг на изолациятае от съществено значение.

Никога не третирайте BMS като последваща мисъл. Тя трябва да бъде проектирана от самото начало.

Стъпка 5: Проектирайте системата за термично управление

Контролът на температурата често решава дали една опаковка издържа 5 или 15 години.

Литиевите клетки работят най-добре между 25 градуса и 40 градуса. Разликите по-големи от 5 градуса между клетките ускоряват стареенето. По време на бързо зареждане или силно разреждане генерирането на топлина може да достигне няколко вата на клетка.

Общи подходи:

• Въздушно охлаждане:прост и евтин, но с ограничен капацитет
• Течно охлаждане:отличен топлопренос, широко използван в електромобилите
• Материали за промяна на фазата (PCM):пасивен и добър за изглаждане на температурни пикове
• Хибридни системи:комбинирайте методи за екстремни условия

В студен климат добавяме PTC нагреватели или нагревателни филми, за да доведат клетките до работна температура преди зареждане.

Провеждаме термична симулация в началото на проекта. Помага ни да решим дали е достатъчно пасивно охлаждане или активнотечно охлажданее необходимо. Добрият топлинен дизайн предотвратява топлинното бягство и поддържа производителността постоянна през сезоните.

Стъпка 6: Механичен и структурен дизайн

Сега глутницата трябва да оцелее в-реални условия.

Решете рано дали да използвате aмодулен дизайнили атухлен{0}}стил пакет. Модулните конструкции са по-лесни за производство, тестване и ремонт. Тухлените пакети могат да постигнат по-високиенергийна плътностно затрудняват поддръжката.

Клетъчната фиксация е критична. Използваме пластмасови държачи за клетки за позициониране и разстояние, съчетани с внимателно нанесено горещо{1}}топящо се лепило или неутрален силикон за абсорбиране на вибрациите, без да блокира разсейването на топлината.

Материалите за корпуса обикновено се свеждат до алуминий заради съотношението му -към-тегло или стомана за по-ниска цена при стационарни приложения.IP67 уплътнение, вентилационните отвори за освобождаване на налягането и зоните на смачкване са стандартни в автомобилните-опаковки.

Механичният дизайн трябва да предпазва клетките от вибрации, удари и вода, като същевременно позволява обслужване, когато е необходимо.

Стъпка 7: Прототипиране, тестване и валидиране

Никой дизайн не е завършен, докато не бъде тестван.

Изграждаме три прототипни етапа:

• EVT:основна функционална проверка
• ДВТ:пълна производителност и тестване на околната среда
• PVT:единици за -предназначение за производство от окончателното оборудване

Ключовите тестове включват капацитет и ефективност при различни C-скорости, термично изображение под товар за намиране на горещи точки,тестване на жизнения цикъл, вибрации и удари и тестове за злоупотреба с безопасността (прекомерно зареждане, късо съединение, проникване на пирон).

Считаме пакет за достигнаткрай на животакогато капацитетът падне до 80% от първоначалната стойност при определените условия.

Цялостното валидиране улавя проблемите, преди те да достигнат до клиентите.

Стъпка 8: Сертифициране и стартиране на производството

И накрая, пакетът трябва да премине сертифициране за своите целеви пазари.

Общите изисквания включватUN38.3за доставка,UL 2580илиIEC 62619за безопасност и регионални стандарти като GB 38031 в Китай или UN ECE R100 в Европа.

От страна на производството прилагаме сортиране на клетки, автоматизирано заваряване, където е възможно, и край--тестване на линията. Проследимостта от входящите клетки до готовите опаковки е задължителна за автомобилни и високо-надеждни приложения.

Заключение

Проектиране на aпакет литиева батерияизисква балансиранепроизводителност, безопасност, цена и технологичност. Редът има значение:ясни изискванияпърво, послеизбор на клетка, електрическа архитектура, топлинни и механични системи, последвани от стриктно валидиране.

В GEB сме усъвършенствали този процес в продължение на много години и стотици проекти. Независимо дали имате нужда от малък персонализиран пакет за прототип или хиляди единици за серийно производство, основите остават същите.

Ако работите върху проект за литиева батерия и искате опитна поддръжка от определянето на изискванията до масовото производство, не се колебайте да се свържете с нашия инженерен екип. Щастливи сме да прегледаме вашите спецификации и да споделим какво е работило добре в подобни приложения.