Для достижения оптимальных эксплуатационных характеристик требуется точное проектирование. Tesla S85 EV демонстрирует эту сложность, используя более 7,000 ячеек, соединенных параллельно и последовательно для удовлетворения конкретных требований к напряжению и емкости. Литий-ионные аккумуляторы стали доминирующим выбором для транспортных средств и портативной электроники благодаря своим превосходным характеристикам энергии и удельной мощности.Литий-ионные аккумуляторные батареи
За последние три десятилетия технологии аккумуляторов значительно продвинулись вперёд. Объёмная плотность энергии увеличилась в три раза, а себестоимость производства снизилась в десять раз. К концу 1 года мировой спрос на литий-ионные источники питания превысил 2024 тераватт-час в год. Инженеры, разрабатывающие индивидуальные решения в области электропитания, должны понимать основные компоненты и принципы работы литиевых аккумуляторных систем. Разработка литий-ионных аккумуляторных батарей требует специальных знаний, накопленных такими компаниями, как Inventus Power, за более чем 60 лет работы в отрасли.
В этом техническом руководстве рассматривается внутренняя структура литий-ионных аккумуляторов и подробно описываются процедуры сборки аккумуляторных блоков из отдельных компонентов. В руководстве рассматриваются вопросы выбора формата ячеек, проектирования последовательной и параллельной конфигурации, внедрения системы управления аккумуляторами и соблюдения требований безопасности. Все основные компоненты литий-ионного аккумуляторного блока предназначены для инженеров, разрабатывающих как простые портативные устройства, так и сложные мобильные приложения. Представленная техническая информация позволяет создавать эффективные, безопасные и надежные аккумуляторные системы, отвечающие конкретным требованиям.
Выбор правильного формата литий-ионного элемента
Выбор формата ячеек определяет основные характеристики конструкции аккумуляторной батареи. Физическая конфигурация ячеек напрямую влияет на энергоёмкость, тепловые характеристики и структурную целостность конечной сборки.
Цилиндрические, призматические и мешковидные ячейки
На рынке литий-ионных аккумуляторов доминируют три формата ячеек, каждый из которых обладает уникальными характеристиками производительности для конкретных областей применения. Согласно данным за 2020 год, доля производства пакетных ячеек составляет 35%, а цилиндрических — 15%.призматические клетки составляют около 40%
Цилиндрические ячейки имеют трубчатую конфигурацию с электродными материалами, намотанными по спирали. Отработанные производственные процессы, связанные с цилиндрическими ячейками, обеспечивают экономичное производство с высоким выходом годной продукции. Трубчатая конструкция обеспечивает превосходные характеристики теплоотвода и механическую стабильность, позволяя выдерживать высокое внутреннее давление без деформации. Стандартные функции безопасности включают в себя систему сброса давления. Фиксированная цилиндрическая форма создает воздушные зазоры при размещении ячеек рядом друг с другом, которые могут быть использованы для интеграции системы охлаждения.Переключатели с положительным тепловым коэффициентом (PTC)
Призматические элементы имеют плоскую прямоугольную конструкцию с уложенными друг на друга электродами, помещенными в жёсткий корпус. Эффективность использования пространства в призматических конфигурациях достигает 90–95%. Автопроизводители используют призматические элементы для электромобилей благодаря эффективному рассеиванию тепла благодаря многослойной архитектуре. Основным ограничением является отсутствие стандартизации среди производителей, что может привести к снижению уровня автоматизации и сокращению срока службы аккумуляторных батарей.
Элементы пакетного типа имеют гибкую упаковку без жёсткого внешнего корпуса, что позволяет создавать индивидуальные форм-факторы. Облегчённая конструкция обеспечивает снижение веса на 40% по сравнению с аналогичными элементами в стальном корпусе, способствуя более высокой плотности энергии. Однако элементы пакетного типа остаются уязвимыми к физическим повреждениям и требуют внешней структурной поддержки для механической защиты.
Выбор между ячейками 18650, 21700 и 4680
Инженеры, выбирающие цилиндрические форматы, должны понимать технические характеристики и эволюцию доступных размеров ячеек.
Аккумулятор 18650 (диаметр 18 мм, длина 65 мм) представляет собой один из самых оптимизированных и широко распространенных форматов, выпускаемых в 2013 году. Стандартное выходное напряжение составляет 3.6/3.7 В, а ёмкость варьируется от 2,300 до 3,600 мА·ч. Формат 18650 обеспечивает одно из самых низких соотношений стоимости за ватт-час и обладает проверенными показателями надёжности.Производство достигло 2.55 млрд ячеек 18650
Аккумулятор 21700 (диаметр 21 мм, длина 70 мм) обеспечивает примерно на 50% большую ёмкость, чем 18650, при разряде током до 3.75 °C. Сравнение объёмов показывает, что 24 имеет объём 21700 см³, а 16 — 18650 см³, что позволяет увеличить ёмкость почти вдвое. Tesla характеризует свой аккумулятор 21700 как «элемент с самой высокой плотностью энергии и при этом самый дешёвый». Типичная ёмкость варьируется от 4,000 до 5,000 мА·ч.
Элемент 4680 (диаметр 46 мм, длина 80 мм) имеет конструкцию электродов без пластин, что сокращает длину электрического пути и минимизирует резистивный нагрев. Согласно спецификациям Tesla, ёмкость аккумулятора в 5 раз выше, а выходная мощность в 6 раз выше, чем у предыдущих моделей, а запас хода увеличен на 16% по сравнению с элементами 21700.
Удельные затраты энергии и компромиссы
При проектировании аккумуляторных батарей необходимо учитывать балансировку, ограничения по стоимости и требования к применению. Цилиндрические элементы, как правило, обеспечивают более высокую плотность энергии по сравнению с призматическими или пакетными. Аккумулятор 3 ёмкостью 18650 А·ч обеспечивает ёмкость 248 А·ч/кг, в то время как современные пакетные элементы обеспечивают примерно 140 А·ч/кг.плотность энергии
Анализ затрат показывает, что цилиндрические элементы исторически являются наиболее экономичной технологией, за ними следуют пакетные элементы, а призматические элементы характеризуются более высокой себестоимостью производства. Наблюдается конвергенция производственных затрат по всем форматам. Формат 21700 прогнозирует наибольшую траекторию снижения затрат, потенциально достигая ценового паритета с пакетными элементами к 2025 году.
Планы развития отрасли указывают на переход к более крупным форматам элементов с более высокой удельной энергией. Разработки включают в себя пакетные элементы длиной до 500 мм и призматические элементы длиной до 1000 мм. Пиковая плотность энергии может достичь 850 Вт·ч/л к 2025 году и 950 Вт·ч/л к 2030 году при использовании традиционных технологий жидкого электролита.
Выбор формата ячеек зависит от требований конкретного приложения. Цилиндрические ячейки имеют приоритет в плане плотности энергии. В приложениях, требующих оптимального использования пространства и гибкости форм-фактора, выгодны призматические или пакетные ячейки, несмотря на обычно более высокую стоимость производства.
Понимание последовательных и параллельных конфигураций
Конфигурация ячеек определяет основные электрические характеристики литий-ионных аккумуляторов. Последовательное и параллельное соединение элементов определяет уровни напряжения, ёмкость и общие эксплуатационные характеристики всей аккумуляторной системы.
Масштабирование напряжения с помощью последовательных соединений
Последовательное соединение ячеек увеличивает напряжение системы, сохраняя при этом номинальную ёмкость отдельных ячеек. Положительный вывод каждой ячейки соединяется с отрицательным выводом последующей, создавая электрический контур, где напряжения суммируются. При использовании литий-ионных элементов с номинальным напряжением 3.6 В на ячейку.Четыре ячейки, соединенные последовательно (4S), образуют аккумуляторную батарею напряжением 14.4 В.
Соотношение напряжений подчиняется следующему математическому принципу:
Vобщ = V1 + V2 + V3 + … + Vn
Системы с более высоким напряжением обеспечивают значительные эксплуатационные преимущества. Потребляемый ток снижается пропорционально повышению напряжения при эквивалентной выходной мощности, что позволяет использовать проводники меньшего сечения для передачи электроэнергии на большие расстояния. Удвоение напряжения системы снижает потребляемый ток вдвое при той же потребности в электроэнергии.
Последовательные конфигурации представляют собой особые технические проблемы, требующие тщательного анализа. Выход из строя одного элемента или увеличение внутреннего сопротивления влияет на работу всей батареи. Более слабые элементы в последовательной конфигурации разряжаются быстрее, потенциально опускаясь ниже безопасного порога 2.8 В на элемент, в то время как более сильные элементы продолжают пропускать ток через деградировавший компонент. Это может привести к необратимому повреждению элемента и создать угрозу безопасности.
Масштабирование емкости с помощью параллельных подключений
Параллельное соединение ячеек позволяет поддерживать уровни напряжения, эквивалентные напряжениям отдельных ячеек, при этом пропорционально увеличивая общую ёмкость. Положительные клеммы соединяются вместе, а отрицательные — аналогично, что позволяет току распределяться по нескольким путям.
, демонстрируя аддитивное соотношение емкости:Четыре аккумулятора 12 В 100 А·ч, соединенные параллельно, создают аккумуляторную систему 12 В 400 А·ч.
Ачтотальное = Ач1 + Ач2 + Ач3 + … + Ач
Параллельные конфигурации обеспечивают эксплуатационную избыточность, которую не могут обеспечить последовательные конфигурации. Работа системы продолжается за счёт оставшихся ячеек при выходе из строя отдельных ячеек. Расширение мощности становится возможным без перепроектирования системы по мере изменения требований к применению.
Последствия выхода из строя ячеек существенно различаются в зависимости от типа конфигурации. В параллельных конфигурациях при деградации отдельных ячеек наблюдается снижение общей ёмкости, а не полный отказ системы. Однако короткозамкнутые ячейки представляют серьёзную опасность, отнимая энергию у соседних ячеек, что может привести к перегреву.
Балансировка ячеек для равномерной производительности
представляет собой критически важный фактор при проектировании, особенно для последовательных конфигураций аккумуляторов. Разброс напряжения между элементами возникает естественным образом из-за производственных допусков, температурных градиентов и различий в характеристиках старения.Балансировка ячеек
Существуют два основных подхода к балансировке:
Пассивная балансировка рассеивает избыточную энергию из более заряженных ячеек через резистивные элементы до достижения равновесия напряжения. Этот метод прост и экономичен, но преобразует энергию в тепло.
Активная балансировка перераспределяет энергию от более заряженных элементов к менее заряженным с помощью емкостных, индуктивных или трансформаторных цепей. Экономия энергии достигается за счёт усложнения схемы.
Проявления дисбаланса элементов выходят за рамки простой разницы напряжения. Изменения состояния заряда возникают, когда элементы поддерживают разные уровни энергии относительно своей индивидуальной ёмкости. Незначительная разница в ёмкости в 200 мА·ч для элементов ёмкостью 2200 мА·ч приводит к изменению уровня заряда всего на 0.4%, но приводит к значительным перепадам напряжения при низком уровне заряда.
Для оптимальной производительности допуск ёмкости при последовательном соединении аккумуляторов должен составлять ±2.5%. При параллельном соединении напряжение должно быть одинаковым в пределах 0.3 В перед подключением, чтобы предотвратить чрезмерный ток между компонентами аккумулятора.
Последовательно-параллельные комбинации позволяют инженерам достигать заданных значений напряжения и ёмкости, используя стандартизированные форматы ячеек. Такая гибкость конструкции обеспечивает соответствие различным требованиям, обеспечивая при этом экономию за счёт масштаба производства.
Проектирование системы управления батареями (BMS)
Image Source: ResearchGate
Системы управления аккумуляторными батареями (BMS) имеют разное значение для разных людей. По сути, BMS обеспечивает постоянный мониторинг ключевых рабочих параметров во время зарядки и разрядки, используя показания датчиков, которые показывают фактическое напряжение, ток и температуру внутри аккумулятора, а также уровень заряда. При разработке литий-ионных аккумуляторов правильно спроектированная BMS определяет, будет ли система работать безопасно и эффективно или выйдет из строя.
Защита от перезаряда и переразряда
Литий-ионные аккумуляторы выходят из строя при перезаряде, полной разрядке или эксплуатации за пределами безопасного температурного диапазона. Перезаряд может привести к разложению электролита или возгоранию, поэтому для каждого литиевого аккумулятора обязательно наличие защитных цепей. Грамотно спроектированная система управления аккумуляторными батареями (BMS) непрерывно контролирует напряжение на элементах и автоматически отключает зарядную цепь, когда напряжение на отдельных элементах превышает безопасные пороговые значения (обычно 4.2 В). Реакция происходит в течение миллисекунд, предотвращая повреждения и минимизируя риски для безопасности.тепловой побег
Наиболее эффективные конструкции BMS реализуют многоуровневую аппаратную защиту:
- Первичная защита с помощью цепей управления MOSFET, которые быстро отключают источники питания
- Вторичная защита с помощью аппаратных предохранителей, которые физически изолируют цепи в экстремальных ситуациях
Защита от переразряда предотвращает падение напряжения аккумуляторов ниже безопасного рабочего уровня, обычно около 2.8 В на элемент. Современные системы BMS используют иерархические стратегии управления, активируя энергосберегающие режимы при низком уровне заряда (ниже 20%) и принудительно переводя аккумуляторы в спящий режим при критически низком уровне заряда (ниже 9%). Эта защита существенно влияет на срок службы аккумуляторов: правильно защищённые литиевые аккумуляторы демонстрируют более высокую эффективность по сравнению с незащищёнными свинцово-кислотными аккумуляторами, которые могут потерять до 30% ёмкости после однократного переразряда.темпы деградации ниже 5% в год
Методы балансировки клеток
Дисбаланс ячеек возникает естественным образом из-за производственных отклонений, разницы температур и неравномерного старения. Даже незначительная разница в ёмкости между ячейками может привести к значительным колебаниям напряжения и потенциальной угрозе безопасности.
Пассивная балансировка рассеивает избыточную энергию из ячеек с более высоким зарядом через резисторы до тех пор, пока все ячейки не достигнут одинакового уровня заряда. Этот метод прост и экономичен, но приводит к потерям энергии в виде тепла, не продлевая время работы системы.
Активная балансировка переносит энергию от более заряженных элементов к менее заряженным через конденсаторы, индукторы или трансформаторы. Этот метод перераспределяет заряд между элементами как во время циклов заряда, так и разряда, увеличивая полезную ёмкость. Методы преобразования энергии включают в себя:
- Методы переноса заряда между ячейками
- Методы преобразования энергии с использованием трансформаторов и проводников
Активная балансировка повышает эффективность системы за счёт увеличения общего полезного заряда, сокращения времени зарядки по сравнению с пассивными методами и снижения тепловыделения. A — значительная величина в больших аккумуляторных системах.Несоответствие батареи всего на 5% приводит к тому, что 5% емкости остается неиспользованной
Протоколы связи: SMBus, CAN
Система управления зданием (BMS) должна эффективно взаимодействовать с другими компонентами системы посредством стандартизированных протоколов. Для промышленного применения наиболее распространены два основных варианта:
SMBus (системная шина управления) представляет собой подмножество протокола I2C, специально разработанное для управления системами. Этот протокол включает в себя функции обнаружения устройств и управления питанием. Работая при напряжении 3.3 В и скорости передачи данных до 100 кбит/с, SMBus используется в компьютерных системах для мониторинга температуры и управления питанием.
CAN-шина (Сеть контроллеров) обеспечивает надежную последовательную связь для автомобильных и промышленных приложений. Благодаря скорости до 3.4 Мбит/с, шина CAN обеспечивает высокую надежность связи между несколькими устройствами по общей шине. Этот протокол отлично подходит для распределенных систем управления, требующих отказоустойчивости и связи в режиме реального времени.
Выбор протокола связи зависит от требований приложения, включая скорость, надежность и сложность интеграции с существующими компонентами системы.
Создание системы электрического соединения
Электрические соединения составляют основу производительности аккумуляторной батареи, напрямую определяя эффективность распределения тока, тепловыделение и эксплуатационную надежность. Неправильное проектирование соединений — одна из наиболее частых причин выхода из строя аккумуляторной батареи, даже при использовании высококачественных элементов и сложных систем управления.
Методы точечной сварки никелевой ленты
Никелевые полосы обеспечивают основные токопроводящие пути между отдельными ячейками литий-ионных аккумуляторов. Надёжность соединения напрямую влияет на эффективность, срок службы и запас прочности аккумулятора. Выбор метода сварки требует значительных компромиссов между стоимостью, точностью и требованиями к объёму производства.
Точечная сварка сопротивлением Доминирует в крупносерийной сборке аккумуляторных батарей благодаря оптимальному соотношению производительности и стоимости оборудования. В этом процессе никелевая полоса и клемма аккумулятора зажимаются между электродами, при этом через соединение пропускается контролируемый ток. Электрическое сопротивление генерирует локальное тепло, создавая прочное соединение между материалами. Однако этот метод может привести к нестабильному качеству сварки при работе с элементами различной геометрии или в случаях, когда критически важен точный контроль температуры.
Лазерная сварка обеспечивает превосходную точность и минимальные зоны термического влияния по сравнению с контактной сваркой. Сфокусированный лазерный луч плавит и сплавляет материалы с исключительной точностью, что делает этот метод идеальным для конфигураций с плотной упаковкой ячеек. Основным ограничением являются значительно более высокие инвестиции в оборудование и более низкая скорость обработки, что делает его менее практичным для крупносерийного производства.
Ультразвуковая сварка создаёт твёрдотельные соединения посредством высокочастотных механических вибраций без существенного нагрева. Этот метод «холодной сварки» отлично подходит для термочувствительных компонентов, но требует точной подготовки поверхности и стабильных свойств материала для надёжного соединения.
Успешная точечная сварка требует тщательного контроля параметров. Уровень энергии или длительность импульса (обычно 1–10 мс), контактное давление и чистота поверхности влияют на сопротивление соединения. Соединения, соответствующие отраслевым стандартам, достигают сопротивления 0.1–0.5 мОм, но различия в технологии сварки могут привести к превышению сопротивления 2 мОм, что приводит к чрезмерному тепловыделению и преждевременному выходу из строя.
Конструкция сборных шин для больших токовых нагрузок
Шины служат жёсткими проводниками для мощных устройств в литий-ионных аккумуляторных батареях. Изначально предназначенные только для соединения модулей, они теперь используются для зарядных систем, подключения приводов и распределения вспомогательного питания. Процесс проектирования включает в себя балансировку допустимой нагрузки по току, управление температурой и механическую нагрузку.Шинопроводы
Выбор материала принципиально влияет на характеристики шинопровода. Медные шины выдерживают кратковременные температуры до 1,000 °C, обеспечивая отличную электропроводность и термостойкость. Алюминиевые шины позволяют снизить вес на 40%, но требуют примерно на 50% большего сечения для соответствия токопроводящей способности меди. Этот компромисс становится критически важным в приложениях, где ограничения по весу имеют первостепенное значение.
Управление температурой представляет собой серьёзную конструкторскую задачу. Большие плоские шины обеспечивают значительную площадь поверхности для рассеивания тепла, потенциально выполняя функцию пассивных охлаждающих элементов во время быстрой зарядки. Однако тепловое расширение создаёт механическое напряжение, которое со временем может нарушить целостность соединения.
Специально разработанные V-образные изгибы позволяют решить проблему теплового расширения, обеспечивая контролируемый изгиб при сохранении непрерывности электропроводности. Такие конструкции обеспечивают жёсткую опору при сборке, но компенсируют тепловые деформации во время эксплуатации, снижая нагрузку на болтовые соединения.
и маршрутизацияВыбор калибра провода
Размер проводов напрямую влияет на эффективность и запас прочности системы. Американская система калибров проводов (AWG) присваивает проводникам более низкие номера, что соответствует большему сечению и более высокой допустимой токовой нагрузке. В аккумуляторных батареях неправильный размер проводов приводит к чрезмерному падению напряжения, тепловыделению и потенциальной опасности возгорания.
Допустимая токовая нагрузка зависит от множества факторов, помимо сечения провода. Для соединений с никелевыми полосками полоса толщиной 0.15 мм выдерживает ток примерно 1 А на миллиметр ширины при стандартных условиях. Однако температура окружающей среды, эффект жгутования проводов и способ монтажа существенно влияют на эти параметры.
Выбор прокладки проводов влияет как на производительность, так и на надежность. Минимизация длины проводов снижает сопротивление и падение напряжения, но резкие изгибы создают точки концентрации напряжений, которые со временем могут привести к выходу проводника из строя. В сильноточных системах обычно используются медные проводники толщиной от 0.5 до 2.5 мм.
При выборе необходимо учитывать требования к постоянному току, пиковые нагрузки, длину прокладки проводов и факторы окружающей среды. Для жгутов проводов или высокотемпературных установок требуются коэффициенты снижения номинальных характеристик, которые могут потребовать использования проводов большего сечения, чем предполагалось в первоначальных расчётах.
Конструкция системы подключения существенно влияет на общую производительность и безопасность аккумуляторной батареи. Правильная реализация обеспечивает эффективную подачу питания на протяжении всего срока службы системы, в то время как ненадлежащая конструкция может поставить под угрозу даже самые передовые технологии аккумуляторных батарей.
Выбор правильного корпуса и оболочки
Конструкция корпуса определяет физическую защиту и экологические характеристики литий-ионных аккумуляторов. Выбор корпуса напрямую влияет на терморегулирование, механическую прочность и соответствие нормативным требованиям в различных условиях эксплуатации.
Пластиковые и металлические корпуса
Пластиковые корпуса обеспечивают особые преимущества для литий-ионных аккумуляторных батарей:
- Оптимизация веса — пластиковые корпуса снижают общий вес системы на 40–60 % по сравнению с эквивалентными металлическими конструкциями, что критически важно для портативных устройств.
- Электрическая изоляция – собственные изолирующие свойства исключают риск короткого замыкания без использования дополнительных барьерных материалов.
- Химическая стойкость – отличная производительность в агрессивных средах с уровнем pH от 2 до 12.
- Эффективность производства – литье под давлением позволяет создавать изделия сложной геометрии со встроенными функциями при меньших затратах на оснастку.
- Гибкость конструкции — индивидуальные формы позволяют учитывать ограничения пространства, включая точки крепления, каналы охлаждения и интерфейсы разъемов.
Металлические корпуса обладают дополнительными эксплуатационными характеристиками:
- Структурная целостность – алюминиевые корпуса обеспечивают прочность на растяжение до 310 МПа, что необходимо для условий с высокой вибрацией.
- Теплопроводность– Скорость рассеивания тепла в 200-400 раз выше, чем у пластиковых материалов во время циклов зарядки/разрядки
- Огнестойкость – негорючие свойства сохраняют структурную целостность при термических воздействиях
- Устойчивость к воздействию окружающей среды – Увеличенный срок службы в диапазоне температур от -40°C до +85°C
Алюминий — оптимальный выбор, поскольку он обеспечивает снижение веса на 30–50% по сравнению со сталью при сохранении тех же механических свойств. Алюминиевые конструкции подходят для конструкций, требующих максимальной прочности и приемлемого веса.
Термоусадочная пленка против жесткого корпуса
Термоусадочная пленка — наиболее экономичное решение для корпусов, где аккумуляторная батарея полностью закрыта внутри конечного продукта. Термоусадочные материалы создают плотный защитный слой, отличающийся минимальным весом и занимаемый пространством.
Жесткие корпусные системы обеспечивают повышенную защиту благодаря прецизионно отлитым компонентам. В этих конструкциях используются различные методы сборки:
- Ультразвуковая сварка для постоянных герметизирующих соединений
- Механические крепления, обеспечивающие возможность обслуживания в полевых условиях
- Структурные клеи для вибростойкости
Жёсткие корпуса отвечают дополнительным функциональным требованиям, включая функции терморегулирования, монтажные интерфейсы и корпуса разъёмов. При проектировании необходимо учитывать расширение элементов, которое происходит в некоторых литиевых элементах в течение всего срока службы.до 10% изменения размеров
Степень защиты (IP) для использования вне помещений
Спецификации степени защиты IP определяют уровни защиты с помощью стандартизированной двузначной системы классификации. Первая цифра (0–6) обозначает защиту от твёрдых частиц: от полного отсутствия защиты (0) до полной пыленепроницаемости (6). Вторая цифра (0–8) обозначает защиту от проникновения жидкости: от полного отсутствия защиты (0) до длительного погружения на глубину более 1 м.
Для наружного применения требуется минимальный уровень защиты от пыли, что обеспечивает полную защиту от струй воды диаметром сопла 6.3 мм с любого направления. Для применения под водой используются корпуса со степенью защиты IP67, сертифицированные для погружения на глубину до 1 м в течение 30 минут.Уровни защиты IP65
Для применения в морской среде и агрессивных средах требуются классы защиты IP67 или IP68 для обеспечения максимальной защиты от проникновения частиц и жидкостей. Эти конструкции включают в себя прецизионные прокладки и уплотнительные кольца, а также обеспечивают герметичность, предотвращая накопление внутреннего давления при циклическом изменении температуры.клапаны выравнивания давления
Интеграция функций безопасности
Системы безопасности являются важнейшими компонентами конструкции литий-ионных аккумуляторов. Многоуровневая защита предотвращает катастрофические отказы и обеспечивает надежную работу в течение всего срока службы аккумулятора.
Компоненты тепловой защиты
Устройства с положительным температурным коэффициентом (PTC) выполняют функцию восстанавливаемых защитных элементов, которые автоматически повышают сопротивление при превышении безопасных рабочих температур. Эти компоненты обеспечивают эффективное управление током при перегреве, не требуя замены после срабатывания. Сопротивление срабатывания PTC-материалов увеличивается примерно при 100°C, что снижает риск перегрева и вероятность взрыва на 53%.
Одноразовые термопредохранители обеспечивают дополнительную защиту благодаря надежной и предсказуемой работе. Лабораторные испытания показывают, что термопредохранитель номиналом 2 А стабильно срабатывает в течение 5–10 мс при перегрузке 150%. Сочетание устройств PTC и термопредохранителей создает двухуровневую систему защиты, в которой компоненты PTC справляются с временными перегревами, а термопредохранители обеспечивают окончательную защиту в экстремальных условиях.
Системы управления давлением
Предохранительные клапаны служат важными компонентами безопасности, предотвращающими разрушение оболочки при тепловом разгоне. Эти клапаны срабатывают, когда внутреннее давление превышает заданные пороговые значения, сбрасывая избыточное давление и снижая риск взрыва.
Традиционные конструкции вентиляционных систем часто включают в себя несколько небольших предохранительных клапанов давления, расположенных по всему аккумуляторному блоку. Такие конфигурации могут демонстрировать нестабильность характеристик расхода и неточные значения давления срабатывания. Современные конструкции высокопроточных вентиляционных клапанов обеспечивают быстрый отвод газа при тепловом разгоне, сохраняя при этом стабильность системы в нормальных рабочих условиях.
Цепи электрической защиты
Защита от обратной полярности предотвращает повреждение аккумулятора, вызванное неправильной установкой, благодаря простой, но эффективной схеме. Последовательный диод представляет собой простейшую реализацию, проводящую ток в нормальном режиме работы и блокирующую обратный ток.
Схемы обеспечивают улучшенные характеристики по сравнению с базовыми диодными реализациями. N-МОП-транзисторы в цепи возврата батареи активируются при напряжении выше 10 В (5 В для логических устройств), блокируя ток при обратном подключении. PMOS-транзисторы обеспечивают защиту верхнего плеча без дополнительной схемы управления затвором, хотя они, как правило, обладают более высоким сопротивлением в открытом состоянии.Защита на основе МОП-транзисторов
Эти системы защиты интегрируются с системой управления аккумуляторными батареями, создавая комплексную архитектуру безопасности для литий-ионных аккумуляторных батарей.
Тестирование и проверка аккумуляторной батареи
Процедуры валидации гарантируют соответствие литий-ионных аккумуляторов эксплуатационным характеристикам и требованиям безопасности после сборки. Комплексное тестирование выявляет потенциальные дефекты перед установкой и проверяет соответствие проектным параметрам.
Тестирование напряжения и емкости
Измерение напряжения холостого хода (OCV) обеспечивает первоначальную оценку состояния аккумуляторной батареи. Этот тест проводится без подачи тока, определяя уровень заряда батареи и балансировку отдельных элементов. Измерения напряжения на отдельных элементах подтверждают правильность балансировки в аккумуляторной батарее. Многоэлементные конфигурации требуют проверки того, что ни один элемент не превышает безопасных пределов заряда, что предотвращает снижение емкости и преждевременное старение.
Проверка ёмкости включает в себя контролируемое испытание разрядом при заданных значениях тока (С-ток) до достижения напряжения отсечки. Разрядная ёмкость, рассчитываемая как произведение тока на время, даёт фактическую ёмкость в ампер-часах (А·ч). Сравнение измеренной и номинальной ёмкости позволяет выявить производственные дефекты или проблемы сборки, которые могут повлиять на долгосрочную работу аккумулятора.
Тепловидение для обнаружения горячих точек
Инфракрасные системы теплового мониторинга обнаруживают колебания температуры между ячейками аккумулятора во время работы. Эти бесконтактные системы измерения выявляют повышение температуры, предшествующее тепловому разгону, что позволяет проводить превентивное вмешательство путем охлаждения или изоляции ячеек. Тепловой разгон обычно начинается при температуре 70–100 °C (158–212 °F), поэтому раннее обнаружение критически важно для безопасности. Современное тепловизионное оборудование оснащено функцией автоматического обнаружения горячих точек и оповещения для немедленного реагирования на температурные аномалии.
Процедуры испытаний на циклическую долговечность и нагрузку
Испытание на цикличность определяет количество циклов заряда-разряда, которые аккумуляторная батарея может выдержать, сохраняя заданные характеристики. Стандарт SAE J2288 устанавливает протоколы испытаний для оценки ожидаемого срока службы в практическом применении. Параметры испытаний включают измерения напряжения, тока, температуры, емкости и внутреннего сопротивления на протяжении всего цикла.
Целью является установление предельных циклов ресурса на основе закономерностей снижения ёмкости и выявления механизмов отказа. Отраслевые стандарты обычно определяют окончание срока службы как 80% от первоначальной ёмкости, что для большинства литий-ионных аккумуляторов происходит через 300–500 циклов. Эти данные используются для расчёта гарантийных обязательств и помогают прогнозировать сроки замены для развёрнутых аккумуляторных систем.
Сертификации и соответствие транспортным нормам
Перед легальной перевозкой литий-ионных аккумуляторов необходимо соблюдать правила транспортировки. Нормативные акты, установленные международными агентствами, определяют конкретные требования к испытаниям и документации, которые должны соблюдать производители.
Требования к испытаниям ООН 38.3
Перед транспортировкой литиевые батареи должны пройти испытания по протоколу UN 38.3. Стандарт определяет восемь процедур испытаний, имитирующих экстремальные условия транспортировки:
- T1: Моделирование высоты (давление 50,000 XNUMX футов)
- T2: Температурный тест (цикл от -40°C до 72°C)
- T3: Вибрация (1–2 g в течение 3 часов на ось)
- T4: Удар (импульсы 34.6 г)
- T5: Внешнее короткое замыкание (условие 57°C)
- T6: Удар (масса 9.1 кг с расстояния 61 см)
- T7: Перезаряд (в два раза больше рекомендуемого тока)
- T8: Принудительный разряд (подключение 12 В)
Публикация ООН «Рекомендации по типовым правилам перевозки опасных грузов» и ее аналог «Рекомендации по перевозке опасных грузов. Руководство по испытаниям и критериям» служат признанным на международном уровне авторитетным документом по протоколам испытаний, упаковки и транспортировки.
Правила воздушного транспорта FAA и IATA
Литиевые батареи классифицируются как опасный груз 9-го класса в соответствии с международными правилами перевозки грузов. Литий-ионные батареи, перевозимые как отдельный груз, должны иметь уровень заряда не более 30% при авиаперевозке. Ограничения для пассажирских воздушных судов запрещают перевозку литий-ионных аккумуляторов и батарей в качестве груза.
Международные авиаперевозки регулируются Техническими инструкциями Международной организации гражданской авиации (ИКАО) и Правилами перевозки опасных грузов Международной ассоциации воздушного транспорта (ИАТА). Эти правила ежегодно обновляются с учетом меняющихся требований безопасности.
Маркировка и документация для отгрузки
Надлежащая транспортная документация требует определенных протоколов маркировки:
- Идентификационная этикетка литиевой батареи класса 9
- Идентификационный номер ООН и надлежащее отгрузочное наименование
- Маркировка «Литий-ионные батареи — запрещено на борту пассажирских самолетов»
Сводка испытаний литиевых аккумуляторов должна быть доступна по всей цепочке поставок с января 2022 года. Это требование к документации гарантирует, что все стороны, работающие с аккумуляторами, имеют доступ к соответствующей информации о безопасности и соответствии требованиям во время транспортировки.
Производителям аккумуляторов также следует учитывать, что у некоторых компаний нет ресурсов для транспортировки литиевых аккумуляторов, поскольку нормативные требования требуют, чтобы все лица, ответственные за транспортировку, были сертифицированы признанными организациями. Профессиональные службы управления сертификацией могут обеспечить ежегодное продление сертификатов, гарантировать соответствие продукции меняющимся требованиям и минимизировать ответственность за счет надлежащей маркировки, упаковки и соблюдения правил транспортировки.
Заключение
Разработка литий-ионных аккумуляторов требует системного инженерного подхода, охватывающего электротехнические, механические и инженерные дисциплины. Процесс проектирования требует тщательной оценки технических компромиссов на каждом этапе, от первоначального выбора элементов до окончательной сертификации.
Выбор формата элемента определяет основные эксплуатационные характеристики аккумуляторной системы. Каждая конфигурация — цилиндрическая, призматическая или пакетная — имеет свои инженерные преимущества и ограничения, которые должны соответствовать конкретным требованиям. Процесс выбора требует баланса между плотностью энергии, эффективностью упаковки, возможностями терморегулирования и стоимостью производства.
Последовательное и параллельное соединение определяют электрические характеристики конечной аккумуляторной системы. Эти конфигурации напрямую влияют на выходное напряжение, номинальную ёмкость и допустимый ток. Балансировка ячеек приобретает решающее значение в последовательных конфигурациях, где различия в характеристиках отдельных ячеек могут негативно сказаться на общей производительности системы и создать угрозу безопасности.
Системы управления аккумуляторными батареями обеспечивают необходимые функции мониторинга и управления для безопасной эксплуатации. Архитектура BMS должна обеспечивать защиту от перезаряда, управление температурой, балансировку ячеек и требования к обмену данными. Сложность конструкции BMS зависит от количества ячеек и конкретных требований к защите в конкретном приложении.
Конструкция электрических соединений влияет на эффективность, тепловые характеристики и надежность системы. Методы сварки, сечение проводников и способы подключения напрямую влияют на возможности подачи электроэнергии и тепловыделения. Некачественные электрические соединения могут создавать точки повышенного сопротивления, снижающие как производительность, так и безопасность.
Конструкция корпуса обеспечивает механическую защиту и отвечает требованиям к терморегулированию. Выбор материалов, методов герметизации и конструкции теплового интерфейса должен учитывать условия эксплуатации, ограничения по весу и целевые затраты на производство. Требования к степени защиты IP повышают сложность и стоимость, которые необходимо оценивать с учетом фактических условий воздействия окружающей среды.
Интеграция цепей безопасности — неотъемлемый аспект конструкции литий-ионного аккумулятора. Защитные устройства, системы сброса давления и схемы обнаружения неисправностей работают вместе, предотвращая тепловой разгон. Надёжность этих систем безопасности определяет общий профиль риска аккумулятора.
Процедуры испытаний и валидации подтверждают соответствие собранного аккумуляторного блока проектным характеристикам и требованиям безопасности. Электрические испытания, тепловой анализ и оценка срока службы предоставляют данные, необходимые для прогнозирования производительности и определения гарантийных обязательств.
Правила перевозки устанавливают обязательные требования, влияющие на выбор конструкции и производственные процессы. Требования к испытаниям, документации и ограничениям на транспортировку в соответствии с требованиями UN 38.3 должны быть учтены на начальном этапе проектирования, чтобы избежать дорогостоящих доработок.
Инженерные решения, принимаемые при разработке аккумуляторных батарей, оказывают долгосрочное влияние на производительность, безопасность и рыночное признание продукта. Правильное применение этих технических принципов позволяет создавать аккумуляторные системы, отвечающие конкретным требованиям к производительности и сохраняющие приемлемый уровень риска на протяжении всего срока службы.
Основные выводы
Создание литий-ионных аккумуляторов требует системного подхода к проектированию, охватывающего множество дисциплин: от выбора элементов до соблюдения требований безопасности. Вот основные знания, которые должен освоить каждый инженер:
- Выбор формата ячеек влияет на производительность аккумулятора: цилиндрические ячейки обеспечивают самую высокую плотность энергии (248 А·ч/кг), призматические ячейки обеспечивают 90–95% эффективности использования пространства, а пакетные ячейки обеспечивают экономию веса на 40%.
- Последовательное соединение увеличивает напряжение, параллельное соединение увеличивает емкость: правильная балансировка ячеек имеет решающее значение — несоответствие ячеек всего на 5% приводит к тому, что в конечном блоке остается 5% неиспользуемой емкости.
- Системы управления аккумуляторными батареями предотвращают катастрофические сбои: реализуют многоуровневую защиту с контролем перезаряда/разряда, активной балансировкой ячеек и протоколами связи, такими как CAN или SMBus.
- Электрические соединения определяют эффективность и безопасность: используйте точечную сварку для никелевых полос, проектируйте шины для высоких токовых нагрузок и выбирайте правильный калибр провода, чтобы минимизировать сопротивление и выделение тепла.
- Функции безопасности не подлежат обсуждению: встроенные устройства PTC, термопредохранители, предохранительные клапаны и защита от короткого замыкания для предотвращения теплового разгона и взрывов.
- Тестирование подтверждает целостность конструкции: проводите тестирование напряжения/емкости, тепловизионную съемку для обнаружения точек перегрева и тестирование срока службы, чтобы гарантировать надежную работу на протяжении всего срока службы аккумулятора.
Сочетание надлежащих инженерных практик, протоколов безопасности и соблюдения нормативных требований позволяет создавать аккумуляторные блоки, обеспечивающие оптимальную производительность и отвечающие самым высоким стандартам безопасности для любого применения.
FAQ
В1. Какие основные компоненты необходимы для создания литий-ионного аккумулятора? К ним относятся литий-ионные элементы (цилиндрические, призматические или пакетные), система управления аккумулятором (BMS), никелевые полосы для соединений, шины для сильноточных нагрузок, проводка, корпус и различные средства безопасности, такие как термопредохранители и предохранительные клапаны.
В2. Как последовательное и параллельное соединение влияет на производительность аккумуляторной батареи? Последовательное соединение увеличивает напряжение, сохраняя ёмкость, тогда как параллельное соединение увеличивает ёмкость, сохраняя напряжение. Сочетание этих двух вариантов может использоваться для достижения желаемых значений напряжения и ёмкости в конкретных условиях.
В3. Почему система управления аккумулятором (BMS) так важна для литий-ионных аккумуляторов? BMS необходима для мониторинга и управления критически важными параметрами, такими как напряжение, температура и ток элементов. Она обеспечивает защиту от перезаряда и переразряда, балансировку элементов и связь с внешними системами, обеспечивая безопасность и оптимальную производительность аккумулятора.
В4. Какие функции безопасности должны быть интегрированы в литий-ионный аккумулятор? К важным функциям безопасности относятся термопредохранители, терморезисторы с положительным температурным коэффициентом (PTC), предохранительные клапаны, системы вентиляции, защита от короткого замыкания и защита от обратной полярности. Совместная работа этих компонентов предотвращает катастрофические сбои и обеспечивает надежную работу на протяжении всего жизненного цикла аккумулятора.
В5. Какие процедуры испытаний необходимы для проверки нового литий-ионного аккумулятора? Ключевые процедуры испытаний включают в себя проверку напряжения и ёмкости для подтверждения производительности, тепловизионную съёмку для обнаружения точек перегрева и испытания на цикличность для имитации использования в реальных условиях. Кроме того, испытания на соответствие требованиям, например, UN 38.3, имеют решающее значение для сертификации безопасности на транспорте.
