Производители аккумуляторов Более пяти десятилетий мы занимаемся разработкой индивидуальных проектов для критически важных OEM-устройств. Их опыт берёт начало в 1965 году. Индивидуальные аккумуляторные батареи должны соответствовать пяти ключевым требованиям: форме, ёмкости, зарядному току, температуре и напряжению. Эти требования усложняют процесс проектирования.
Аккумуляторные батареи, изготовленные на заказ, играют важнейшую роль в оборонной, аэрокосмической, медицинской и промышленной сферах применения. Разработка этих специализированных решений занимает от 4 до 12 недель. Результаты оправдывают ожидание: они обеспечивают более длительное время работы, более высокую эффективность и повышенную надежность. Срок службы таких батарей составляет от 2 до 5 лет или от 300 до 500 циклов зарядки. Они позволяют максимально эффективно использовать доступное пространство и обеспечивают оптимальную работу в устройствах сложной формы.
В этой статье рассматриваются технические детали проектирования аккумуляторных батарей сложной формы на заказ. Мы рассмотрим основные параметры, методы производства и протоколы испытаний.
Основные параметры проектирования для сложных форм аккумуляторов
Проектирование аккумуляторных батарей для сложных форм начинается с трёх основных параметров, определяющих их эффективность и безопасность. Эти параметры являются основой для создания надёжных решений по электропитанию, которые легко вписываются в сложные формы.
Расчет требований к плотности мощности
Плотность мощности показывает, насколько быстро аккумулятор может отдавать или получать энергию на единицу объёма, измеряемую в ваттах на килограмм (Вт/кг). Литий-ионные аккумуляторы обладают довольно высокой мощностью: их плотность мощности варьируется от 150-220 Втч / кг[1]Это делает их идеальными для применений, требующих быстрой подачи энергии. Напряжение аккумуляторных батарей определяется разностью химических потенциалов между катодом и анодом, а также диапазоном электрохимического потенциала электролита. [1].
Размер и распределение частиц существенно влияют на производительность аккумулятора. Чем меньше частицы, тем меньше ионам Li+ приходится преодолевать большие расстояния и меньше сталкиваются с диффузионными барьерами. [1]. Тем не менее, здесь есть подвох: чем меньше частицы, тем больше площадь поверхности, что может привести к дополнительным побочным реакциям и тепловым проблемам. [1].
Управление тепловым режимом в конструкциях со сложной геометрией
Управление теплом становится критически важным при проектировании индивидуальных аккумуляторных батарей. Инженеры могут изучать охлаждение аккумуляторов с помощью аналитических решателей или инструментов для обработки числовых данных, таких как программы для автоматизированного проектирования (CAE) и вычислительной гидродинамики (CFD). [1]. лучше всего подходит для больших аккумуляторных батарей, поскольку лучше проводит тепло Технология жидкостного охлаждения[2].
Система терморегулирования аккумуляторных батарей (BTMS) поддерживает температуру в безопасном состоянии благодаря:
- Активные методы охлаждения, требующие дополнительного оборудования
- Пассивное охлаждение, обеспечивающее более простую настройку и лучшие результаты охлаждения [2]
Материалы с фазовым переходом (PCM) жизненно важны для пассивных систем охлаждения. Они поглощают тепло аккумулятора в определённых точках перехода, не потребляя при этом дополнительную энергию. [2]. Последние достижения сосредоточены на смешанных ПКМ, которые используют такие материалы, как вспененный графит и металлическая пена, чтобы сделать их прочнее и лучше проводить тепло. [2].
Анализ структурной целостности
Испытания на структурную целостность гарантируют надёжность аккумуляторных батарей при различных механических нагрузках. Испытания на трёхточечный изгиб помогают оценить различные конфигурации аккумуляторных батарей, а модели конечных элементов показывают, как распределяются напряжения и где могут возникнуть короткие замыкания. [3]Складная конструкция и корпус-мешок делают аккумуляторы гораздо прочнее — в 14 и 30 раз прочнее, если быть точным. [3].
Современные корпуса оснащены датчиками, которые отслеживают состояние аккумулятора и обеспечивают механическую поддержку, особенно в динамических условиях. [3]Эти корпуса должны выдерживать частоты выше 300 Гц во время полного испытания на вибрацию. [3]. В процессе проектирования также учитывается, что произойдёт, когда аккумулятор подвергнется максимальной нагрузке при торможении, резких поворотах и вертикальных ударах. [3].
Для литий-ионных аккумуляторов требуется платформа проектирования, объединяющая множество дисциплин. Эти системы сочетают в себе определённую архитектуру, электрические схемы, элементы управления, датчики и системы управления. [1]. Кроме того, новые методы проектирования чаще сочетают аккумуляторы с конструктивными элементами. Подходы Cell-To-Pack (CTP) и Cell-To-Chassis (CTC) отражают эту тенденцию и помогают снизить производственные затраты. [1].
Расширенные методы конфигурирования ячеек
Конструкция аккумуляторной батареи сложной формы требует правильной конфигурации ячеек. Расположение ячеек влияет на производительность, безопасность и эффективность использования пространства в конечном проекте.
Параллельное и последовательное расположение криволинейных поверхностей
Конкретные требования к напряжению и мощности определяют, использовать ли последовательную или параллельную конфигурацию на криволинейных поверхностях. Последовательное соединение работает как цепь: положительные клеммы соединяются с отрицательными, увеличивая выходное напряжение. [4]Параллельное соединение позволяет поддерживать постоянное напряжение, но увеличивает общую ёмкость за счёт соединения положительных и отрицательных клемм. [4].
Давайте рассмотрим реальный пример. Два аккумулятора 12 В ёмкостью 100 А·ч, соединённых последовательно, дают напряжение 24 В при ёмкости 100 А·ч. Если соединить эти же аккумуляторы параллельно, то напряжение составит 12 В, но ёмкость увеличится вдвое — до 200 А·ч. [5]. Это дает разработчикам возможность подбирать мощность питания под потребности своих устройств.
Последовательное расположение дает очевидные преимущества для сложных форм:
- Более высокое выходное напряжение в меньшем пространстве
- Требуется меньший размер проводника
- Лучшая эффективность подачи энергии [4]
Последовательные схемы имеют свои недостатки. Один неисправный элемент может вывести из строя всю систему. В некоторых новых батареях используются твердотельные ключи, которые могут обходить неисправные элементы. [4].
Оптимизация расстояния между ячейками
Правильное расстояние между ячейками существенно влияет на теплоотдачу и прочность конструкции. Исследования показывают, что разумное расстояние между ячейками может сократить максимальную разницу температур более чем на 60%[6]Инженеры используют компьютерное моделирование жидкости, чтобы найти оптимальные схемы размещения, которые обеспечивают лучшее охлаждение и при этом не занимают слишком много места.
Расстояние между ячейками должно учитывать несколько факторов:
- Потребности в отводе тепла
- Структурная поддержка
- Место для охлаждающего или отопительного оборудования [7]
Новое исследование показывает, что неравномерные зазоры между ячейками позволяют поддерживать более равномерную температуру, чем при равном расстоянии. [6]. Процесс учитывает различные скорости воздушного потока, чтобы гарантировать эффективное охлаждение в любых условиях. [6].
Изогнутые поверхности требуют особого внимания к пространству. Дизайнерам необходимо сбалансировать:
- Эффективность охлаждения
- Физическая стабильность
- Использование космоса
- Место для датчиков [8]
Современное производство, особенно 3D-печать и дизайн, вдохновленный природой, позволяют точно контролировать расстояние между ячейками в сложных формах. [8]Эти методы помогают лучше использовать пространство на изогнутых поверхностях. строить сложенные ячейки[8].
Правильное расположение ячеек зависит от сохранения компонентов сухими, расположения электродов и контроля давления. [9]. При сборке необходимо размещать все детали с допуском 1-2 мм с каждой стороны. [9].
Методы изготовления индивидуальных аккумуляторных батарей
Производство нестандартные аккумуляторные батареи Требуются точные инженерные решения и передовые методы автоматизации. Современные методы производства сочетают в себе технологии 3D-печати, автоматизированные системы сборки и строгий контроль качества. Эти методы гарантируют надёжную работу и безопасность аккумуляторов.
Проектирование корпусов, напечатанных на 3D-принтере
Технология 3D-печати позволяет создавать архитектуру с высоким соотношением сторон геометрически сложные корпуса аккумуляторных батарей[10]Этот метод обеспечивает лучшую приспособляемость формы и регулируемые размеры, что приводит к повышению поверхностной плотности энергии. [10]Конструкция корпуса защищает элементы аккумулятора от воздействия окружающей среды, таких как перепады температуры, влажность и попадание воды. [11].
Для этого процесса необходимы подробные 3D-модели, которые учитывают:
- Внутренние опорные структуры
- Интеграция системы охлаждения
- Оптимизация размещения ячеек
- Точки доступа для обслуживания
Автоматизированные системы размещения ячеек
Роботизированные сборочные линии с передовыми системами технического зрения размещают компоненты с высокой точностью. Эти системы сортируют, укладывают и сваривают ячейки с неизменной точностью. [12]Механизмы, управляемые компьютером, обеспечивают... Они используют калибровочное программное обеспечение для исправления неточностей кадра. точное позиционирование в пределах 10-20 микрометров[13].
Процесс автоматизации включает в себя следующие ключевые элементы:
- Высокоскоростные линейные двигатели для пятиосевого позиционирования
- Производственные среды с контролируемой температурой
- Интегрированное программное обеспечение для анализа зрения для проверки качества
- Автоматизированные системы размещения датчиков
Контрольные точки контроля качества
Контроль качества осуществляется на всех этапах производства, от проверки материалов до окончательной проверки аккумулятора. Тестирование элементов питания позволяет проверить их состояние, ёмкость, скорость зарядки и устойчивость к механическим нагрузкам. [14]Испытательные стенды проводят повторяющиеся циклы, включающие испытания на заряд-разряд и термический анализ. [12].
Процесс производства включает три отдельных этапа контроля качества. [15]:
- Входной контроль качества (ВКК)
- Проверка ёмкости ячеек и профилей напряжения
- Проверка компонентов, включая пластины, фольгу и сепараторы
- Анализ дефектов печатной платы
- Внутрипроизводственный контроль качества (IPQC)
- Статистическое отслеживание контроля процесса
- Проверка ячеек и пакетов на каждом этапе сборки
- Непрерывные аудиты процессов
- Контроль качества конечного продукта (КККП)
- Проверка размеров на соответствие спецификациям
- Рентгенологическое исследование внутренних соединений
- Функциональное тестирование при различных условиях нагрузки
Современные системы контроля качества используют алгоритмы искусственного интеллекта для анализа изображений и данных с датчиков. Эти алгоритмы выявляют аномалии и позволяют быстро вносить исправления. [12]Производители отслеживают ключевые показатели эффективности с помощью статистического анализа, обеспечивая строгий контроль процесса. [15].
Интеграция BMS для нестандартных форм
Интеграция систем управления аккумуляторными батареями (BMS) создаёт особые сложности при работе с аккумуляторными блоками нестандартной формы. Инженерам необходимо уделять особое внимание размещению датчиков и стратегиям мониторинга температуры. Производительность BMS напрямую влияет на срок службы аккумуляторов, их работу и безопасность в сложных конфигурациях.
Стратегия размещения датчиков
Размещение датчиков на неровных поверхностях требует системного подхода, учитывающего физические ограничения и точность измерений. Исследования показывают, что размещение датчиков под меньшим углом падения света даёт лучшие результаты. [2]Стратегия размещения имеет две основные цели:
- Сведение неопределенности единичного исходного положения к минимуму
- Сочетание снижения неопределенности с позиционированием на основе дальности
Для правильной работы датчики должны располагаться на расстоянии нескольких сантиметров друг от друга, учитывая их размер. [2]. Это пространство между датчиками, называемое защитной зоной, будет обеспечивать точные данные без помех со стороны датчиков друг друга.
Расширенные алгоритмы размещения используют многоцелевую меметическую оптимизацию для балансировки:
- Качество измерений на основе углов падения акустического сигнала
- Информация из различных настроек датчиков
- Физические пределы неровных поверхностей
Мониторинг распределения тепла
Мониторинг температуры играет важнейшую роль в интеграции BMS и напрямую влияет на производительность и безопасность аккумулятора. Исследования показывают, что сердцевина аккумулятора примерно на 2°C теплее, чем внешние секции. В более крупных модулях эта разница может достигать десятков градусов. [16].
Система терморегулирования работает как с активными, так и с пассивными технологиями:
Активные компоненты:
- Вентиляторы и насосы, которым требуется внешнее питание
- Регулировки температуры по мере их возникновения
- Лучший контроль тепловых условий
Пассивные элементы:
- Радиаторы и трубы, работающие без питания
- Материалы, которые хорошо проводят тепло
- Охлаждение естественным потоком воздуха
Современные конструкции BMS включают в себя сложные функции мониторинга [18]:
- Актуальная оценка состояния заряда (SOC)
- Отслеживание характеристик состояния здоровья (SOH)
- Текущая оценка импеданса
- Мониторинг производительности
Система адаптируется к медленным и быстрым изменениям температуры, поскольку большинство исследований посвящено только постоянным температурам. [18]Вот почему современные системы управления зданием (BMS) теперь оснащены многоуровневыми протоколами безопасности и резервными схемами защиты. [19].
Контроль распределения тепла осуществляется с помощью точных сетей датчиков, отслеживающих тепловые режимы по всему аккумулятору. Структура желеобразного рулона каждого элемента имеет разную теплопроводность в разных направлениях, причём в радиальном направлении она меньше. [16]Это означает, что датчики должны быть размещены стратегически для точного картирования температур.
Система мониторинга поддерживает температуру на оптимальном уровне, поскольку её изменения могут существенно повлиять на производительность. Система BMS непрерывно анализирует данные, чтобы выявлять ранние признаки теплового разгона и принимать превентивные меры. [19].
Протоколы тестирования и проверки
Строгие протоколы испытаний помогают аккумуляторным батареям, изготовленным на заказ, соответствовать стандартам безопасности и производительности в различных условиях эксплуатации. Эти процедуры проверки проверяют механическую прочность, термостойкость и соответствие международным нормам.
Вибрационные испытания изделий сложной геометрии
Играет решающую роль в проверке аккумуляторных батарей нестандартной формы. Испытания охватывают вибрации как с фиксированной частотой, так и с переменной частотой, имитирующие условия реального транспортного средства. Анализ случайных вибраций[20]Измерения спектральной плотности мощности помогают оценить распределение энергии в диапазонах частот. Среднеквадратические значения ускорения остаются в заданных пределах. [20].
Современные платформы для испытаний на вибрацию характеризуются:
- Генераторы сигналов, вырабатывающие сигналы развертки
- Усилители мощности, приводящие в действие механические вибраторы
- Высокоскоростные сборщики данных, регистрирующие измерения ускорения
- Лазерные доплеровские виброметры, отслеживающие движения поверхности [3]
Исследования показывают, что устойчивость к механической вибрации сильно влияет на внутреннюю структуру аккумулятора. Компьютерная томография восемнадцати различных типов аккумуляторов 18650 показывает структурные изменения после случайных вибрационных нагрузок. [3].
Оценка термоциклирования
Для оценки работы аккумулятора при экстремальных перепадах температур необходимы испытания на термоциклирование. Стандартные протоколы определяют следующие температурные диапазоны:
- IEC 62133: от 75°C до 20°C и до -20°C с 30-минутными переходами [21]
- UL 2054: от 70°C до -40°C с 30-минутными переходами [21]
- UL 1642: от 70°C до 20°C и до -40°C с 30-минутными переходами [21]
Современные системы терморегулирования поддерживают разницу температур между ячейками аккумулятора в пределах 3 градусов. [22]Оптимизированные воздухозаборные отверстия помогают предотвратить проблемы с распределением температуры, вызванные разным расстоянием между батареями и вентиляторами охлаждения. [22].
Требования к сертификации безопасности
Сертификация безопасности требует полного тестирования по нескольким стандартам. UL 1642 для литиевых элементов, UL 2054 для никелевых элементов или литий-никелевых батарей, а также серия IEC 60086 для различных химических составов аккумуляторов являются лидерами. [23]Программы сертификации CTIA подтверждают соответствие стандарту IEEE 1725TM1-2006 для аккумуляторных батарей. [23].
Контрольные точки контроля качества во время тестирования включают:
- Визуальный осмотр на предмет дефектов
- Электрические измерения напряжения и тока
- Оценки механического напряжения
- Оценки тепловых характеристик
- Анализ химического состава [24]
Современные стратегии предотвращения теплового разгона используют методы предупреждения на основе моделей, аналитику больших данных и многомерный мониторинг сигналов. [1]Измерения импеданса постоянного тока позволяют неразрушающим способом оценить тепловую безопасность аккумулятора на протяжении всего срока эксплуатации. [1].
Валидация блока управления батареями (BMU) проверяет следующие критические функции:
- Точность оценки состояния заряда
- Возможности балансировки ячеек
- Точность контроля напряжения
- Надежность измерения тока
- Реакция мониторинга температуры [25]
Заключение
Разработка индивидуальных аккумуляторных батарей требует точного инженерного опыта, подробных протоколов испытаний и передовых производственных возможностей. Инженеры создают надёжные решения для электропитания, которые легко вписываются в сложные формы, тщательно оценивая требования к плотности мощности, системам терморегулирования и анализируя структурную целостность.
Новейшие технологии конфигурирования ячеек позволяют оптимально размещать аккумуляторы на изогнутых поверхностях. Передовые методы производства сочетают в себе технологии 3D-печати и автоматизированные системы сборки. Системы управления аккумуляторами контролируют распределение тепла и обеспечивают безопасность эксплуатации благодаря продуманному размещению датчиков.
Строгие протоколы испытаний гарантируют соответствие этих индивидуальных решений стандартам безопасности и эксплуатационным требованиям. Долговечность и надёжность каждой аккумуляторной батареи подтверждается комплексными испытаниями на вибрацию, испытаниями на циклические перепады температур и сертификацией безопасности.
Large Power Создаёт индивидуальные решения для аккумуляторных батарей, соответствующие уникальным требованиям проекта. Команда инженеров компании предлагает экспертные консультации и поддержку, которые помогут вам с разработкой индивидуальных аккумуляторных батарей.
Индивидуальный дизайн аккумуляторной батареи превратилась в сложную инженерную дисциплину. Современные производители предлагают высокопроизводительные решения для электропитания, которые максимально эффективно используют пространство, обеспечивая при этом максимальную производительность в устройствах сложной формы. Эти разработки бросают вызов традиционным ограничениям в оборонной, аэрокосмической, медицинской и промышленной сферах, и на горизонте появляются более инновационные решения.
FAQ
В1. Какие ключевые факторы необходимо учитывать при проектировании аккумуляторных батарей сложной формы? К ним относятся расчёт удельной мощности, управление тепловыми процессами в аккумуляторах сложной геометрии, обеспечение структурной целостности, оптимизация конфигурации ячеек и интеграция эффективной системы управления аккумуляторными батареями (BMS). Разработчики также должны учитывать методы производства и строгие протоколы испытаний.
В2. Как технология 3D-печати способствует разработке индивидуальных аккумуляторных батарей? 3D-печать позволяет производить корпуса аккумуляторов со сложной геометрией и высоким соотношением сторон. Эта технология обеспечивает улучшенную форму и регулируемые размеры, что приводит к повышению поверхностной плотности энергии и лучшей защите аккумуляторных элементов от воздействия окружающей среды.
В3. Какую роль играет система управления аккумуляторными батареями (BMS) в аккумуляторных батареях нестандартной формы? BMS критически важна для мониторинга и управления производительностью аккумуляторов, особенно в случае сложной геометрии. Она включает в себя стратегическое размещение датчиков для точного отображения температуры и оценки уровня заряда. BMS помогает поддерживать оптимальную рабочую температуру и может обнаруживать ранние признаки теплового разгона.
В4. Какие процедуры испытаний обязательны для аккумуляторных батарей, изготовленных на заказ? К критически важным процедурам испытаний относятся вибрационные испытания для изделий сложной геометрии, оценка термоциклирования и требования сертификации безопасности. Эти испытания проверяют механическую прочность, термостойкость и соответствие международным нормам. Они обычно включают анализ случайной вибрации, экстремальные колебания температуры и комплексную оценку соответствия стандартам безопасности.
Вопрос 5. Как производители обеспечивают контроль качества при производстве аккумуляторных батарей на заказ? Контроль качества при производстве аккумуляторных батарей на заказ включает три основных этапа: входной контроль качества (IQC), контроль качества в процессе производства (IPQC) и контроль качества конечной продукции (FPQC). Эти этапы включают в себя проверку компонентов, непрерывный аудит процесса, контроль размеров, рентгеновское обследование и функциональное тестирование при различных нагрузках. Современные системы также включают в себя алгоритмы искусственного интеллекта для обнаружения отклонений.
