คำตอบที่รวดเร็ว: วิศวกรต้องกำหนดขนาดของแบตเตอรี่ลิเธียมแบบกำหนดเองโดยพิจารณาจากระยะเวลาการใช้งานจนถึงสิ้นสุดอายุการใช้งาน จากนั้นจึงคำนวณย้อนกลับไปยังความจุเมื่อเริ่มต้นอายุการใช้งาน โดยใช้ค่าเผื่อการเสื่อมสภาพที่ครอบคลุมการลดลงของความจุและการเพิ่มขึ้นของความต้านทาน
ความจุเริ่มต้นของแบตเตอรี่เป็นข้อมูลสำคัญในการกำหนดขนาด แต่ไม่เพียงพอที่จะแสดงให้เห็นถึงระยะเวลาการใช้งานตลอดอายุการใช้งาน ควรกำหนดระยะเวลาการใช้งานขั้นต่ำที่ยอมรับได้ ช่วงแรงดันไฟฟ้าที่ใช้งานได้ และกำลังไฟฟ้าที่เพียงพอ ณ สภาวะสิ้นสุดอายุการใช้งานที่ตกลงกันไว้ จากนั้นจึงออกแบบแบตเตอรี่ใหม่ให้เหมาะสม
คู่มือนี้ให้วิธีการคำนวณขนาดแบตเตอรี่ตามระยะเวลาการใช้งานทีละขั้นตอนแก่ทีมวิศวกร OEM/ODM ทีมจัดซื้อ และทีมควบคุมคุณภาพ นอกจากนี้ยังครอบคลุมถึงข้อดีข้อเสีย เกณฑ์การตรวจสอบ และรายการตรวจสอบสำหรับ OEM สำหรับชุดแบตเตอรี่แบบกำหนดเอง การวางแผนอายุการใช้งานแบตเตอรี่อย่างรอบคอบจะช่วยปกป้องทั้งกำหนดการและบันทึกภาคสนาม
ประเด็นที่สำคัญ
เลือกขนาดแบตเตอรี่โดยพิจารณาจากระยะเวลาการใช้งานเมื่อสิ้นสุดอายุการใช้งาน ไม่ใช่จากความจุของแบตเตอรี่เมื่อตอนใหม่ๆ
เพิ่ม ขอบเขตการเสื่อมสภาพ เพื่อชดเชยการลดลงของความจุและการเพิ่มขึ้นของความต้านทานเมื่อเวลาผ่านไป
ตั้งค่าโปรไฟล์การโหลด แรงดันไฟฟ้าตัดการทำงาน และช่วงสถานะการชาร์จก่อนเลือกเซลล์แบตเตอรี่
ใช้ แผนการตรวจสอบความถูกต้อง เพื่อแสดงให้เห็นว่าแพ็กเกจยังคงตรงตามเป้าหมายด้านเวลาการทำงานแม้หลังจากใช้งานไปสักระยะแล้ว
จดบันทึกสมมติฐานและผลการทดสอบทั้งหมด เพื่อให้การตรวจสอบการออกแบบมีความชัดเจน
ส่วนที่ 1: เหตุใดการกำหนดขนาดระยะเวลาการใช้งานแบตเตอรี่ BOL จึงล้มเหลว
1.1 ช่องว่างระหว่าง BOL กับ EOSL
A ความสามารถในช่วงเริ่มต้นของชีวิต ตัวเลขดังกล่าวอธิบายถึงเซลล์ใหม่ภายใต้สภาวะควบคุม ไม่ได้อธิบายถึงชุดแบตเตอรี่ที่ประกอบเสร็จแล้วหลังจากใช้งานมาหลายปี กลไกการเสื่อมสภาพสองอย่างทำให้ช่องว่างนี้กว้างขึ้น ประการแรก การสูญเสียความจุทำให้พลังงานที่ชุดแบตเตอรี่สามารถเก็บได้ลดลง ประการที่สอง ความต้านทานภายในเพิ่มขึ้นและดึงพลังงานที่ใช้งานได้ก่อนที่โหลดจะถึงจุดตัด ชุดแบตเตอรี่ที่ตรงตามระยะเวลาการใช้งานเป้าหมายในวันแรก อาจใช้งานได้ไม่ถึงระยะเวลาที่กำหนดก่อนหมดอายุการใช้งาน
ข้อมูลระดับเซลล์เพียงอย่างเดียวไม่สามารถปิดช่องว่างนี้ได้ ชุดแบตเตอรี่ที่ประกอบเสร็จแล้วจะเพิ่มบัสบาร์ ตัวเชื่อมต่อ และระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) และแต่ละส่วนจะเพิ่มความต้านทานของตัวเอง ดังนั้น การตรวจสอบระบบจึงต้องยืนยันประสิทธิภาพในระดับชุดแบตเตอรี่ ไม่ใช่แค่ในระดับเซลล์ วิศวกรที่เลือกขนาดจากค่าความจุในเอกสารข้อมูลจำเพาะ หากละเลยความแตกต่างนี้ จะต้องรับความเสี่ยงเอง
1.2 รูปแบบความล้มเหลวในภาคสนาม
การใช้งานในภาคอุตสาหกรรมและโครงสร้างพื้นฐานแสดงให้เห็นถึงผลลัพธ์ หน่วยสำรองในตู้โทรคมนาคมระยะไกลอาจผ่านการทดสอบการใช้งาน แต่กลับล้มเหลวในการรองรับภาระงานในช่วงไฟฟ้าดับอย่างสมบูรณ์ในอีกหลายปีต่อมา กลุ่มรถ AGV อาจทำงานได้ตามปกติจนกระทั่งความจุที่ลดลงและความต้านทานภายในที่เพิ่มขึ้นทำให้พลังงานไม่เพียงพอต่อการทำงานตลอดเส้นทาง ในทั้งสองกรณี เวลาการทำงานจะค่อยๆ สั้นลง และความล้มเหลวดูเหมือนจะเกิดขึ้นอย่างกะทันหันสำหรับผู้ปฏิบัติงาน
ระยะเวลาการใช้งานที่สั้นลงอาจเกิดจากความแปรปรวนของเซลล์ การเสื่อมสภาพ การเปลี่ยนแปลงของโหลด อุณหภูมิ ความต้านทานของขั้วต่อ พฤติกรรมการชาร์จ หรือแบบจำลองพลังงานที่มองโลกในแง่ดีเกินไป ควรตรวจสอบสาเหตุที่แท้จริงแทนที่จะสันนิษฐานว่าความล้มเหลวในภาคสนามทุกครั้งเกิดจากความผิดพลาดในการเลือกขนาด
ส่วนที่ 2: การกำหนดข้อกำหนดรันไทม์เมื่อสิ้นสุดอายุการใช้งาน
2.1 เวลาทำงาน โปรไฟล์การโหลด และจุดตัด
ต้องระบุระยะเวลาการทำงานเป้าหมายเป็นอันดับแรก และต้องระบุเป็นชั่วโมงภายใต้ภาระงานที่กำหนด ความสัมพันธ์หลักนั้นง่ายมาก:
ระยะเวลาใช้งาน (ชั่วโมง) = พลังงานไฟฟ้ากระแสตรงที่ใช้งานได้ (Wh) ÷ โหลดไฟฟ้ากระแสตรงเฉลี่ย (W)
พลังงานที่ใช้งานได้จริงนั้นไม่เหมือนกับพลังงานที่ระบุไว้บนแผ่นป้าย ช่วงระดับประจุ แรงดันไฟฟ้าตัดการทำงาน และประสิทธิภาพของตัวแปลง ล้วนลดพลังงานที่เก็บไว้ซึ่งคุณสามารถนำมาใช้ได้ ชุดแบตเตอรี่ที่มีความจุระบุไว้สูง อาจให้พลังงานที่ใช้งานได้จริงน้อยลงมากเมื่อระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) หยุดการจ่ายไฟที่จุดตัด ดังนั้น วิศวกรควรพิจารณาพลังงานเฉลี่ยขณะใช้งาน พลังงานสูงสุดขณะใช้งาน และจุดตัดการทำงานก่อนที่จะดูข้อมูลจำเพาะของเซลล์แบตเตอรี่
รูปแบบการใช้พลังงานมีความสำคัญพอๆ กับค่าเฉลี่ย ปั๊มทางการแพทย์ที่ดึงกระแสไฟคงที่ทำงานแตกต่างจากระบบรักษาความปลอดภัยที่ทำงานเมื่อตรวจจับการเคลื่อนไหว การใช้พลังงานแบบเป็นจังหวะจะเพิ่มการใช้พลังงานจริง เนื่องจากความต้านทานภายในเปลี่ยนกระแสไฟฟ้าบางส่วนให้เป็นความร้อน พลังงานสำรองขั้นต่ำในการทำงานต้องครอบคลุมกรณีการใช้พลังงานที่เลวร้ายที่สุดที่อาจเกิดขึ้น ไม่ใช่กรณีทั่วไป
2.2 อายุการใช้งานและรอบการทำงาน
การสิ้นสุดอายุการใช้งานนั้นขึ้นอยู่กับลักษณะการใช้งาน สามารถกำหนดได้จากระยะเวลาการทำงานขั้นต่ำ ความสามารถในการจ่ายพลังงาน ความต้านทาน การรักษาความจุ หรือเกณฑ์การใช้งานอื่น ๆ ที่ได้รับการตรวจสอบแล้ว สมมติฐานการรักษาความจุ 80% เป็นตัวอย่างนั้นไม่ใช่เกณฑ์การปลดระวางที่ใช้ได้กับทุกกรณี
สำหรับสมมติฐานการคงความจุ 80% ค่า 1/0.80 = 1.25 คือตัวคูณพลังงาน-ความจุในแบบจำลองอย่างง่าย ไม่ใช่ปัจจัยกำลังไฟฟ้าสากล และไม่ควรนำไปใช้กับข้อกำหนดการกำหนดขนาดแบตเตอรี่ลิเธียมในมาตรฐาน IEEE 485 ซึ่งกล่าวถึงแบตเตอรี่ตะกั่วกรดแบบอยู่กับที่ ควรตรวจสอบกำลังไฟฟ้าและแรงดันตกคร่อมแยกต่างหาก
ส่วนที่ 3: การหาปริมาณปัจจัยที่ทำให้แบตเตอรี่เสื่อมสภาพ
3.1 การลดลงของความจุและการเพิ่มขึ้นของความต้านทาน
การลดลงของความจุและการเพิ่มขึ้นของความต้านทานภายใน ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ปัญหาเหล่านี้เกิดขึ้นพร้อมกัน ไม่ใช่ปัญหาแยกกัน การสูญเสียปริมาณลิเธียม การสูญเสียวัสดุที่ใช้งาน และการเพิ่มขึ้นของความต้านทาน ล้วนทำให้ปัญหารุนแรงขึ้น การแตกหักของอนุภาคทำให้การเติบโตของชั้น SEI เร็วขึ้น และการเติบโตนั้นจะใช้ลิเธียมที่ใช้งานได้และทำให้ความจุลดลง ลิเธียมที่สูญเสียไปจะทำให้ศักย์ไฟฟ้าของอิเล็กโทรดเปลี่ยนไปและเร่งความเสียหายของโครงสร้าง ซึ่งจะทำให้ความต้านทานเพิ่มขึ้นอีก ผลที่ได้คือวงจรที่การสูญเสียความจุและการเพิ่มขึ้นของความต้านทานทำให้ปัญหารุนแรงขึ้นเรื่อยๆ
การวิจัยเกี่ยวกับการเสื่อมสภาพในระดับเซลล์สามารถให้ข้อมูลเพื่อสร้างสมมติฐานได้ แต่การกำหนดขนาดของบรรจุภัณฑ์จำเป็นต้องมีหลักฐานสำหรับเซลล์ที่เลือก รอบการทำงาน และสภาพแวดล้อมทางความร้อน ควรวัดทั้งพลังงานที่คงเหลือและการเพิ่มขึ้นของความต้านทาน แทนที่จะคาดการณ์อายุการใช้งานจากผลการทดสอบวัสดุเพียงครั้งเดียว
3.2 ผลกระทบของอุณหภูมิและรูปแบบการรับภาระ
ความร้อนและภาระการใช้งานมีผลต่อทั้งอายุการใช้งานและการรักษาความจุของแบตเตอรี่ การสูญเสียความจุตามอุณหภูมิได้รับการบันทึกไว้อย่างดีในระดับเซลล์ และอุณหภูมิสูงจะเร่งกระบวนการเสื่อมสภาพส่วนใหญ่ ภาระการใช้งานแบบพัลส์และกระแสสูงจะเพิ่มข้อเสียอีกประการหนึ่ง เนื่องจากความต้านทานภายในจะเปลี่ยนกระแสไฟฟ้าบางส่วนให้เป็นความร้อนภายในแพ็ค ดังนั้น ระบบรักษาความปลอดภัยที่ทำงานเมื่อตรวจจับการเคลื่อนไหวและเครื่องปั๊มทางการแพทย์ที่ดึงกระแสไฟอย่างต่อเนื่องจึงมีอายุการใช้งานที่แตกต่างกัน แม้จะมีขนาดความจุที่ออกแบบไว้เท่ากันก็ตาม
การเลือกใช้สารเคมีเป็นตัวกำหนดกรอบการทำงาน โดยทั่วไปแล้วเซลล์ LiFePO4 จะมีอายุการใช้งานยาวนาน ในขณะที่เซลล์ NMC, LCO และ LMO จะแลกเปลี่ยนอายุการใช้งานกับความหนาแน่นของพลังงาน ไม่มีกฎเกณฑ์ใดที่ครอบคลุมทุกกรณี วิศวกรควรจำลองการเสื่อมสภาพเทียบกับรอบการใช้งานจริง จากนั้นตรวจสอบผลลัพธ์ผ่านการทดสอบในระดับแพ็ค ขั้นตอนนี้จะช่วยปกป้องระยะเวลาการใช้งานเมื่อสิ้นสุดอายุการใช้งาน
ส่วนที่ 4: การคำนวณความจุ BOL โดยคำนึงถึงระยะเผื่อการเสื่อมสภาพ
4.1 ขอบเขตการเสื่อมสภาพและเกณฑ์สิ้นสุดอายุการใช้งาน
กำหนดค่าเผื่อการเสื่อมสภาพจากสมมติฐานความจุคงเหลือที่กำหนดไว้ และการตรวจสอบความสามารถด้านพลังงานแยกต่างหาก ในการคำนวณพลังงานแบบง่าย สมมติฐานความจุคงเหลือที่ต่ำกว่าจะต้องการความจุเริ่มต้นของอายุการใช้งานที่มากขึ้น เกณฑ์การสิ้นสุดอายุการใช้งานที่เลือกและหลักฐานการเสื่อมสภาพต้องสอดคล้องกัน
พารามิเตอร์ | ความคุ้มค่า | นัยสำคัญสำหรับการกำหนดขนาด |
|---|---|---|
การรักษาความสามารถเมื่อสิ้นสุดอายุการใช้งาน | 80% | แบตเตอรี่จะต้องยังคงสามารถปฏิบัติหน้าที่ตามที่กำหนดได้แม้ในช่วงท้ายของอายุการใช้งาน ดังนั้นความจุจึงลดลงตามอายุการใช้งาน |
ตัวคูณการเสื่อมสภาพของพลังงานเชิงภาพประกอบ | 1.25 | เลือกขนาดแบตเตอรี่ให้ใหญ่กว่าปกติในช่วงเริ่มต้นใช้งาน เพื่อให้แบตเตอรี่ยังคงทำงานได้ตามรอบการใช้งานที่ความจุ 80% |
โดยทั่วไปแล้ว จุดสิ้นสุดอายุการใช้งานจะถูกกำหนดไว้ที่ระดับสุขภาพระหว่าง 70% ถึง 80% 80% เป็นเกณฑ์มาตรฐานในสัญญาสำหรับรถยนต์ไฟฟ้าและระบบจัดเก็บพลังงานในโครงข่ายไฟฟ้า ซึ่งเป็นข้อตกลงทางธุรกิจ ไม่ใช่ข้อจำกัดทางกายภาพ
บันทึกจุดสิ้นสุดการให้บริการและเกณฑ์การเปลี่ยนก่อนเลือกเซลล์ ประเมินระยะเวลาการทำงานขั้นต่ำและความสามารถในการรับโหลดของชุดแบตเตอรี่ที่เสื่อมสภาพภายใต้อุณหภูมิและเงื่อนไขการตัดการทำงานที่เกี่ยวข้อง การรักษาความจุเพียงอย่างเดียวอาจไม่ใช่ตัวกำหนดจุดเปลี่ยน
4.2 การคำนวณย้อนกลับความจุของใบตราส่งสินค้า (BOL)
การคำนวณย้อนกลับจะเปลี่ยนเป้าหมายระยะเวลาการใช้งานเมื่อสิ้นสุดอายุการใช้งานให้เป็นความจุของแบตเตอรี่เมื่อเริ่มต้นอายุการใช้งาน กระบวนการทำงานจะดำเนินการตามลำดับที่กำหนดไว้:
ระบุข้อกำหนดของแอปพลิเคชัน ได้แก่ พลังงานที่ใช้งานได้ กำลังไฟฟ้าสูงสุดและต่อเนื่อง ช่วงแรงดันไฟฟ้า อายุการใช้งาน งบประมาณด้านมวล ปริมาตร และความจุเมื่อสิ้นสุดอายุการใช้งาน
เลือกเซลล์แบตเตอรี่ที่เหมาะสมโดยพิจารณาจากองค์ประกอบทางเคมี รูปแบบ กำลังไฟฟ้า (วัตต์-ชั่วโมง) แรงดันไฟฟ้า และความต้านทานกระแสตรง
ตั้งค่าช่วงระดับประจุที่ใช้งานได้ให้แคบกว่า 0–100% เพื่อยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่
คำนวณจำนวนการต่อแบบอนุกรมและแบบขนาน จำนวนการต่อแบบอนุกรม = แรงดันไฟฟ้าปกติของชุดแบตเตอรี่ ÷ แรงดันไฟฟ้าปกติของเซลล์ จำนวนการต่อแบบขนาน = พลังงาน BOL ที่ใช้งานได้ ÷ (จำนวนการต่อแบบอนุกรม × แรงดันไฟฟ้าปกติของเซลล์ × ความจุ Ah ของเซลล์ × ช่วงสถานะการชาร์จ)
ตรวจสอบกำลังไฟสูงสุดและกำลังไฟต่อเนื่องเทียบกับแรงดันไฟฟ้าต่ำสุดของชุดแบตเตอรี่และความต้านทานของเซลล์
ประมาณการมวลและปริมาตรของกลุ่มเซลล์จากมวลและปริมาตรของเซลล์ โดยใช้ตัวคูณโครงสร้างและอัตราส่วนเซลล์ต่อกลุ่มเซลล์
การจัดการความร้อนตามขนาด โดยพิจารณาจากความร้อนต่อเนื่องต่อเซลล์
ขนาดจะวัดเมื่อสิ้นสุดช่วงชีวิต ไม่ใช่เมื่อเริ่มต้นช่วงชีวิต
หากไม่บรรลุเป้าหมายด้านมวล ปริมาตร ความร้อน พลังงาน หรือต้นทุน ให้ดำเนินการปรับปรุงแก้ไขต่อไป
สำหรับการคำนวณเป้าหมายด้านโหลดที่ใช้งานได้ 60 kWh โดยสมมติว่าความจุคงเหลือ 80% และช่วงพลังงานที่ใช้งานได้ 90% พลังงานขั้นต่ำที่ระบุบนแผ่นป้ายของแบตเตอรี่ใหม่คือ 60/(0.80 x 0.90) = 83.3 kWh ก่อนหักการสูญเสียจากการแปลงและค่าเผื่ออื่นๆ ที่เหมาะสม เลือกจำนวนการต่ออนุกรมจากช่วงแรงดันไฟฟ้าของโฮสต์และเครื่องชาร์จทั้งหมด ไม่ใช่เฉพาะแรงดันไฟฟ้าที่ระบุเท่านั้น ปัดเศษจำนวนการต่อขนานขึ้น และตรวจสอบขีดจำกัดด้านกำลัง มวล และความร้อน
ส่วนที่ 5: วิธีการคำนวณขนาดแบตเตอรี่แบบทีละขั้นตอน
5.1 ขั้นตอนการกำหนดขนาด
การขอ ขั้นตอนการกำหนดขนาด กระบวนการนี้เป็นไปตามลำดับที่กำหนดไว้ เริ่มจากสิ่งที่แอปพลิเคชันต้องการและจบลงด้วยการตั้งค่าเซลล์ วิศวกรจะจดบันทึกเป้าหมายระยะเวลาการใช้งานเมื่อสิ้นสุดอายุการใช้งาน โปรไฟล์โหลด แรงดันไฟฟ้าตัดการทำงาน และช่วงอุณหภูมิ จากนั้นจึงใช้ค่าเผื่อการเสื่อมสภาพเพื่อคำนวณย้อนกลับไปยังความจุของแบตเตอรี่เมื่อเริ่มต้นอายุการใช้งาน ขั้นตอนมีดังนี้:
กำหนดระยะเวลาการทำงานเมื่อสิ้นสุดอายุการใช้งาน รูปแบบการโหลด และเงื่อนไขอุณหภูมิ
บันทึกดังกล่าวสันนิษฐานว่ามีการสะสมพลังงานและการเติบโตของความต้านทาน โดยมีหลักฐานสนับสนุน
คำนวณพลังงานฝั่งโหลดและพิจารณาประสิทธิภาพ ช่วงพลังงานที่ใช้งานได้ และอายุการใช้งานเพียงครั้งเดียว
เลือกหมายเลขซีรี่ส์จากช่วงแรงดันไฟฟ้าของโฮสต์และเครื่องชาร์จทั้งหมด
นับจำนวนขนานขึ้นไป และตรวจสอบกระแสต่อเนื่อง กระแสพัลส์ และแรงดันตก
ตรวจสอบระยะเวลาการทำงานของแพ็กเกจเก่าในโฮสต์ทั้งหมด และบันทึกความไม่แน่นอน
ช่วง SOC ที่แคบลงจะลดพลังงานที่ใช้งานได้และสามารถลดความเครียดภายใต้บางสภาวะได้ ควรประเมินประโยชน์ด้านอายุการใช้งานสำหรับเซลล์และรอบการทำงานที่เลือก ไม่มีการปรับปรุงอายุการใช้งานที่ตายตัวที่ใช้ได้กับทุกกรณี ตารางด้านล่างเป็นเพียงการคำนวณทางคณิตศาสตร์สมมติเท่านั้น ไม่ใช่ข้อมูลอายุการใช้งานที่ได้รับการตรวจสอบแล้ว
5.2 ตัวอย่างการใช้งานพร้อมข้อจำกัดด้านประจุไฟ
พิจารณาเครื่องปั๊มยาฉีดเข้าเส้นเลือดตัวอย่างหนึ่งที่ต้องการใช้งานต่อเนื่อง 24 ชั่วโมง ที่โหลดเฉลี่ย 15 วัตต์ การออกแบบมุ่งเป้าไปที่อายุการใช้งาน 5 ปี โดยมีขีดจำกัดความจุเมื่อสิ้นสุดอายุการใช้งานที่ 80% พลังงานที่ใช้งานได้ที่ต้องการคือ 15 วัตต์ × 24 ชั่วโมง = 360 วัตต์-ชั่วโมง เมื่อสิ้นสุดอายุการใช้งาน เมื่อใช้ค่าเผื่อการเสื่อมสภาพ พลังงานเมื่อสิ้นสุดอายุการใช้งานคือ 360 ÷ 0.80 = 450 วัตต์-ชั่วโมง
ช่วงเวลาของระดับประจุไฟฟ้ามีผลต่อกำลังการผลิตที่ติดตั้ง ตารางด้านล่างแสดงให้เห็นว่าช่วงเวลาดังกล่าวเปลี่ยนแปลงพลังงานที่ใช้งานได้และปริมาณพลังงานที่ใช้ได้ตลอดอายุการใช้งานสำหรับระบบขนาด 1 MWh อย่างไร:
หน้าต่าง SoC | กระทรวงกลาโหมที่มีประสิทธิภาพ | พลังงานที่ใช้ได้ต่อรอบ (1 เมกะวัตต์ชั่วโมงตามป้ายระบุ) | วงจรชีวิตเชิงภาพประกอบ | ปริมาณงานตลอดอายุการใช้งานโดยประมาณ |
|---|---|---|---|---|
% 0-100 | 100% | 1,000 kWh | เฉพาะเซลล์และหน้าที่ | คำนวณจากข้อมูลการรักษาฐานลูกค้าที่ผ่านการตรวจสอบแล้ว |
% 10-90 | 80% | 800 kWh | ต้องใช้ข้อมูลอายุที่ได้รับการตรวจสอบแล้ว | ไม่ได้กำหนดโดยตัวอย่างนี้ |
% 20-80 | 60% | 600 kWh | จำเป็นต้องมีการทดสอบตัวแทน | ~3,600 เมกะวัตต์ชั่วโมง |
% 30-70 | 40% | 400 kWh | ไม่ได้สรุปจากหน้าต่าง SOC เพียงอย่างเดียว | ~3,600 เมกะวัตต์ชั่วโมง |
สำหรับเป้าหมายด้านโหลดสมมุติ 360 Wh, การรักษาพลังงาน 80% และสัดส่วนพลังงานที่ใช้งานได้ 60% ความต้องการแบตเตอรี่แพ็คใหม่แบบง่ายๆ คือ 750 Wh ก่อนหักลบการสูญเสียจากการแปลงพลังงาน ที่ 12.95 Wh ต่อเซลล์ จะต้องใช้เซลล์อย่างน้อย 58 เซลล์ในแง่ของพลังงาน แต่ข้อจำกัดด้านรูปทรงอนุกรม/ขนานและแรงดันไฟฟ้าของอุปกรณ์ยังคงมีผลอยู่ การจัดเรียงแบบ 14S4P มีเพียง 56 เซลล์และ 725.2 Wh ดังนั้นจึงไม่ตรงตามข้อกำหนดที่ระบุไว้ อย่าเลือกแบตเตอรี่แพ็คเพียงเพราะมันใกล้เคียงกับเป้าหมาย
ใช้ค่าจำกัดการคายประจุของผู้ผลิตเซลล์ที่เลือกและแรงดันไฟฟ้าขาเข้าขั้นต่ำของโฮสต์เพื่อกำหนดพฤติกรรมการตัดการทำงาน ภายใต้โหลดกำลังคงที่ กระแสจะเพิ่มขึ้นเมื่อแรงดันไฟฟ้าลดลง ดังนั้นแรงดันไฟฟ้าตกเนื่องจากอายุการใช้งานอาจทำให้เกิดการปิดเครื่องก่อนกำหนด ตรวจสอบความถูกต้อง กลยุทธ์การป้องกัน BMS โดยไม่ลดหย่อนข้อจำกัดด้านความปลอดภัยของเซลล์เพื่อให้ได้ระยะเวลาการใช้งานที่ยาวนานขึ้น
ความสมดุลระหว่างระยะเผื่อการเสื่อมสภาพและต้นทุนปรากฏให้เห็นอย่างชัดเจนในที่นี้ ระยะเผื่อที่กว้างขึ้นจะเพิ่มจำนวนเซลล์ น้ำหนัก และปริมาตร ในขณะที่ระยะเผื่อที่แคบลงจะเสี่ยงต่อความล้มเหลวในการใช้งานก่อนกำหนด ตัวอย่างเครื่องปั๊มยาแสดงให้เห็นว่าการกำหนดขนาดระยะเวลาการใช้งานของแบตเตอรี่ทำให้เห็นทางเลือกเหล่านี้ได้อย่างชัดเจน ด้วยวิธีนี้ ทีมจัดซื้อและทีมควบคุมคุณภาพสามารถตรวจสอบได้ก่อนที่จะสรุปการออกแบบ
ส่วนที่ 6: ข้อแลกเปลี่ยนในการออกแบบเพื่อยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่
6.1 ต้นทุน น้ำหนัก และปริมาตร เทียบกับกำไรขั้นต้น
การติดตั้งกำลังการผลิตเพิ่มเติมอาจช่วยเพิ่มระยะเผื่อในการออกแบบ แต่ก็ทำให้ต้นทุน มวล และปริมาตรเพิ่มขึ้นด้วย ควรประเมินส่วนประกอบของตัวหุ้ม การเชื่อมต่อ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จากโครงสร้างจริง แทนที่จะใช้เปอร์เซ็นต์เซลล์ต่อแพ็คแบบทั่วไป
อย่านำอัตราการสูญเสียความจุคงที่มาคาดการณ์แบบเชิงเส้นไปยังอายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้น การเสื่อมสภาพขึ้นอยู่กับระยะเวลา อุณหภูมิ ระดับประจุ (SOC) และประวัติการใช้งาน และอาจเร่งตัวขึ้นได้ ควรพิจารณาค่าเผื่อโดยอิงจากการทดสอบที่เป็นตัวแทนและแบบจำลองที่สมเหตุสมผลพร้อมเอกสารแสดงความไม่แน่นอน
6.2 เคมี การคัดเลือกเซลล์ และกลยุทธ์การกำหนดเกณฑ์การตัดออก
เคมีของแบตเตอรี่เป็นตัวกำหนดอายุการใช้งาน โดยทั่วไปแล้วเซลล์ LiFePO4 จะมีอายุการใช้งานยาวนาน ในขณะที่เซลล์ NMC, LCO และ LMO จะแลกอายุการใช้งานกับความหนาแน่นของพลังงาน ไม่มีเคมีชนิดใดที่สมบูรณ์แบบในทุกด้าน แพลตฟอร์มหุ่นยนต์ที่มีข้อจำกัดด้านน้ำหนักอาจยอมรับเซลล์ NMC ได้ ในขณะที่ตู้โครงสร้างพื้นฐานที่มีพื้นที่เหลือเฟืออาจเลือกใช้ LiFePO4 การเลือกใช้เซลล์ควรพิจารณาจากช่วงเป้าหมาย พลังงานที่ต้องการ และความหนาแน่นของพลังงานที่ใช้งานได้ ตามลำดับ
กลยุทธ์การตัดกระแสไฟจะกำหนดว่าพลังงานส่วนใดจะไปถึงโหลด ระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) จะหยุดการคายประจุเมื่อถึงขีดจำกัดแรงดันไฟฟ้าของเซลล์ และความต้านทานภายในที่เพิ่มขึ้นจะทำให้ถึงขีดจำกัดนั้นเร็วขึ้นเมื่อแบตเตอรี่มีอายุมากขึ้น ระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ที่ได้รับการปรับแต่งอย่างดี เช่น การออกแบบที่อธิบายไว้ใน https://www.large-battery.com/bms-and-pcm/ช่วยป้องกันแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจากการคายประจุมากเกินไป ในขณะที่ยังคงรักษาพลังงานที่ใช้งานได้ ทีมงานควรตรวจสอบจุดตัดการทำงานเทียบกับรูปแบบการใช้งานจริง เพราะการตัดการทำงานที่ระมัดระวังเกินไปจะลดระยะเวลาการใช้งานที่คาดการณ์ไว้โดยไม่รู้ตัว
ส่วนที่ 7: การตรวจสอบความถูกต้องและการยอมรับการทดสอบ
7.1 แผนการทดสอบอายุการใช้งานและระยะเวลาการทำงาน
แผนการทดสอบต้องแสดงให้เห็นว่าแบตเตอรี่ยังคงใช้งานได้ตามระยะเวลาที่กำหนดเมื่อสิ้นสุดอายุการใช้งาน แผนเริ่มต้นด้วยข้อกำหนด ไม่ใช่รายการทดสอบมาตรฐาน วิศวกรจะกำหนดรูปแบบการรับโหลด ช่วงอุณหภูมิแวดล้อม และจุดตัดก่อน จากนั้นจึงออกแบบลำดับการทดสอบที่ผลักดันแบตเตอรี่ตัวอย่างไปสู่ระยะเวลาการใช้งานที่คาดหวัง
ตรวจสอบระยะเวลาการทำงานด้วยชุดอุปกรณ์ที่สมบูรณ์และอุปกรณ์ใช้งานจริง โดยใช้โหลดแบบไดนามิก สภาพแวดล้อม และจุดสิ้นสุดที่กำหนดไว้ แยกการทดสอบการเสื่อมสภาพตามการใช้งานออกจากการทดสอบความปลอดภัยและการรับรองการใช้งานผิดวิธี ซึ่งต้องใช้แผนห้องปฏิบัติการที่เหมาะสม มาตรฐาน UL 9540A เกี่ยวข้องกับการลุกลามของไฟจากอุปกรณ์เก็บพลังงานแบบอยู่กับที่ และไม่ใช่การทดสอบระยะเวลาการทำงานทั่วไปสำหรับชุดอุปกรณ์ทางการแพทย์แบบพกพา
การสร้างแบบจำลองเชิงพยากรณ์อายุการใช้งานแบตเตอรี่ งานวิจัยนี้ได้รับการสนับสนุนจากแบบจำลองที่สร้างขึ้นจากค่าการสูญเสียความจุและการเพิ่มขึ้นของความต้านทานที่วัดได้ ซึ่งช่วยให้ทีมงานเลือกช่วงเวลาการทดสอบและจำนวนตัวอย่างได้ นอกจากนี้ยังช่วยระบุว่าปัจจัยความเครียดใดที่ทำให้เกิดการเสื่อมสภาพเร็วที่สุดในแอปพลิเคชันเป้าหมาย
7.2 เกณฑ์การยอมรับ
เกณฑ์การยอมรับมาจากข้อกำหนดของใบสมัคร ไม่ใช่จากรายการตรวจสอบสากล ทีมงานจะตกลงกันในเงื่อนไข ตัวอย่าง และข้อจำกัดเฉพาะสำหรับแต่ละผลิตภัณฑ์ โครงการอุปกรณ์ทางการแพทย์อาจกำหนดข้อจำกัดที่เข้มงวดกว่าโครงการตู้เก็บอุปกรณ์ไฟฟ้า
รายการประเมินผล | เกณฑ์การยอมรับโดยทั่วไป |
|---|---|
การเก็บรักษาความจุ | ≥80% หลังจากการนับรอบเป้าหมาย |
เพิ่มความต้านทานภายใน | ภายในขีดจำกัดการออกแบบ |
ความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าของเซลล์ | ความคลาดเคลื่อนน้อยที่สุดระหว่างเซลล์ |
อุณหภูมิสูงขึ้น | ภายในช่วงการทำงานที่ปลอดภัย |
การป้องกัน BMS | ทำงานได้ตามปกติภายใต้เงื่อนไขการทดสอบทั้งหมด |
ลักษณะทางกายภาพ | ไม่มีการบวม การรั่วซึม การกัดกร่อน หรือการเสียรูป |
ประสิทธิภาพความปลอดภัย | ไม่มีความร้อนผิดปกติ ควัน หรือเหตุการณ์ความร้อนใดๆ |
แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจำนวนมากถือว่าหมดอายุการใช้งานเมื่อความจุลดลงเหลือประมาณ 80% ของค่าเริ่มต้น อย่างไรก็ตาม การใช้งานในด้านการแพทย์ การบินและอวกาศ หรืออุตสาหกรรมบางประเภท อาจต้องการเกณฑ์การยอมรับที่เข้มงวดกว่า ขึ้นอยู่กับข้อกำหนดด้านความน่าเชื่อถือ
ระยะเวลาใช้งานที่ผ่านการตรวจสอบแล้วจะช่วยปิดวงจรการตรวจสอบ ผลิตภัณฑ์จะผ่านการตรวจสอบก็ต่อเมื่อระยะเวลาใช้งานที่วัดได้ในสภาวะที่เสื่อมสภาพแล้วยังคงตรงตามเป้าหมายอายุการใช้งานที่กำหนดไว้
ส่วนที่ 8: รายการตรวจสอบขนาด OEM
8.1 รายการตรวจสอบข้อกำหนดและข้อสมมติฐาน
การตัดสินใจเรื่องขนาดบรรจุภัณฑ์จะดีได้ก็ต่อเมื่อมีการนำข้อมูลที่ครบถ้วนมาพิจารณา วิศวกร ทีมจัดซื้อ และทีมควบคุมคุณภาพควรตกลงกันเป็นข้อกำหนดที่เป็นลายลักษณ์อักษรก่อนที่จะขอใบเสนอราคาหรือตัวอย่างสินค้า ตารางด้านล่างแสดงรายการหมวดหมู่ที่ส่งผลต่อการกำหนดขนาดบรรจุภัณฑ์
หมวดหมู่ความต้องการ | ข้อมูลที่จะให้ |
|---|---|
การใช้งาน | ประเภทอุปกรณ์ สภาวะการใช้งาน วัตถุประสงค์การใช้งาน |
แรงดันไฟฟ้า | แรงดันไฟฟ้าที่ระบุ แรงดันไฟฟ้าขณะใช้งาน และแรงดันไฟฟ้าขณะชาร์จ |
ความจุ | ความจุที่ต้องการ พลังงาน ระยะเวลาการทำงานเป้าหมาย |
ปัจจุบัน | กระแสปกติ กระแสต่อเนื่อง กระแสสูงสุด และกระแสเริ่มต้น |
ความยาวสูงสุด ความกว้างสูงสุด ความหนาสูงสุด น้ำหนักสูงสุด | |
อินเตอร์เฟซ | ตัวเชื่อมต่อ ความยาวสายเคเบิล ตำแหน่งทางออกของสายไฟ ความต้องการด้านการสื่อสาร |
การป้องกัน | PCM, BMS, NTC, ระบบป้องกันอุณหภูมิ, การปรับสมดุล |
สภาพสิ่งแวดล้อม | อุณหภูมิในการใช้งาน, สภาพการจัดเก็บ, การสั่นสะเทือน, ความชื้น |
การผลิต | จำนวนต้นแบบ ปริมาณที่คาดหวัง กำหนดการเป้าหมาย |
รายงานการทดสอบ เอกสารการขนส่ง ข้อกำหนดของตลาด |
แต่ละรายการต้องระบุข้อสมมติฐาน ไม่ใช่แค่ค่าตัวเลข ทีมหุ่นยนต์ควรจดบันทึกภาระเฉลี่ยและสูงสุด รอบการทำงาน และจุดตัด ทีมอุปกรณ์ทางการแพทย์ควรบันทึกช่วงอุณหภูมิแวดล้อมและลักษณะการจัดเก็บ ทีมจัดซื้อควรยืนยันปริมาณเป้าหมายและกำหนดการ ทีมควบคุมคุณภาพควรยืนยันเอกสารที่ตลาดเป้าหมายต้องการ จากนั้นทีมจะตรวจสอบข้อสมมติฐานร่วมกัน เพราะลักษณะภาระที่ไม่ถูกต้องหรือข้อกำหนดจุดตัดที่ขาดหายไปจะทำให้การคำนวณในภายหลังผิดพลาดทั้งหมด
8.2 การตรวจสอบและอนุมัติการออกแบบ
การตรวจสอบการออกแบบจะตรวจสอบว่าชุดแบตเตอรี่ยังคงใช้งานได้ตามเป้าหมายเมื่อสิ้นสุดอายุการใช้งานหรือไม่ ผู้ตรวจสอบจะพิจารณาความจุที่ลดลง การเพิ่มขึ้นของความต้านทานภายใน อุณหภูมิของเซลล์ รูปแบบการโหลด ขีดจำกัดการตัดการทำงาน และระยะเวลาการใช้งานที่ได้รับการตรวจสอบแล้ว พวกเขายังตรวจสอบด้วยว่าการสูญเสียของตัวแปลง การลดลงของแรงดันไฟฟ้าขณะโหลด และปริมาณสำรองเพื่อความปลอดภัยนั้นปรากฏอยู่ในตัวเลขพลังงานที่ใช้งานได้ การสมมติการสูญเสียความจุที่ละเลยผลกระทบจากอัตราการใช้งานหรืออุณหภูมิแวดล้อมสูงจะทำให้ค่าระยะเวลาการใช้งานจริงต่ำกว่าความเป็นจริง
การอนุมัติควรเป็นไปตามขั้นตอนแบบหลายด่าน ทีมงานจะตรวจสอบพฤติกรรมระดับแพ็คหลังจากประกอบเสร็จ จากนั้นจึงทำการทดสอบเวลาการทำงานและอุณหภูมิซ้ำภายในตัวเครื่องอุปกรณ์ขั้นสุดท้าย ค่าเกณฑ์การป้องกันต้องตรงกับข้อมูลจำเพาะของเซลล์และข้อกำหนดของ BMS ผู้ตรวจสอบควรยืนยันพฤติกรรมการปรับสมดุลด้วย เนื่องจากฟังก์ชันการปรับสมดุลเพียงอย่างเดียวไม่ได้พิสูจน์ว่ากระแส แรงดันใช้งาน และจังหวะเวลาเหมาะสมกับการใช้งาน บันทึกการอนุมัติควรระบุข้อสมมติฐานทุกข้อ หลักฐานการทดสอบที่สนับสนุน และเจ้าของที่อนุมัติ
วิศวกรจะกำหนดขนาดของแบตเตอรี่แบบกำหนดเองโดยพิจารณาจากระยะเวลาการใช้งานที่ต้องการเมื่อสิ้นสุดอายุการใช้งาน พวกเขาจะเพิ่มระยะเผื่อสำหรับการลดลงของความจุและการเพิ่มขึ้นของความต้านทาน จากนั้นจึงคำนวณย้อนกลับเพื่อหาความจุเมื่อเริ่มต้นอายุการใช้งาน อุณหภูมิ รูปแบบการโหลด ช่วงสถานะการชาร์จ และแรงดันไฟฟ้าตัดการทำงาน ควรอยู่ในชุดข้อกำหนดถัดจากระยะเวลาการใช้งานที่ต้องการ ปัจจัยเหล่านี้จะเป็นตัวกำหนดว่าพลังงานที่เก็บไว้จะส่งไปถึงโหลดได้มากน้อยเพียงใด
แผนการตรวจสอบและรายการตรวจสอบของ OEM ช่วยปิดวงจร ก่อนที่จะสรุปการออกแบบ ทีมงานควรจดบันทึกทุกข้อสมมติฐาน หลักฐานที่สนับสนุน และเจ้าของที่อนุมัติ การบันทึกนี้จะช่วยให้ผลิตภัณฑ์สามารถใช้งานได้ตามระยะเวลาที่กำหนดเมื่อสิ้นสุดอายุการใช้งาน ไม่ใช่แค่ในวันแรกเท่านั้น
คำถามที่พบบ่อย
ทำไมวิศวกรถึงไม่สามารถกำหนดขนาดของแบตเตอรี่โดยพิจารณาจากความจุเริ่มต้นของแบตเตอรี่เพียงอย่างเดียวได้?
ความจุเริ่มต้นของแบตเตอรี่หมายถึงเซลล์ใหม่ภายใต้สภาวะควบคุม โดยไม่คำนึงถึงการลดลงของความจุและการเพิ่มขึ้นของความต้านทานที่เกิดขึ้นระหว่างการใช้งาน แบตเตอรี่ที่ออกแบบตามวิธีนี้อาจผ่านการทดสอบครั้งแรกได้ แต่ก็ยังอาจไม่เพียงพอในอีกหลายปีต่อมา เป้าหมายในการออกแบบจึงต้องเป็น... ระยะเวลาการทำงานขั้นต่ำที่ยอมรับได้ เมื่อสิ้นสุดอายุการใช้งาน ไม่ใช่ค่าที่ระบุในเอกสารข้อมูลจำเพาะในวันแรก
เกณฑ์สิ้นสุดอายุการใช้งานเปลี่ยนแปลงขอบเขตการเสื่อมสภาพอย่างไร?
ในแบบจำลองพลังงานแบบง่าย ตัวคูณการเสื่อมสภาพจะเป็นค่าผกผันของความจุที่คาดว่าจะคงเหลืออยู่ ตัวอย่างเช่น การคงเหลือ 80% จะได้ค่า 1.25 ในขณะที่ 70% จะได้ค่าประมาณ 1.43 กำหนดจุดสิ้นสุดการให้บริการและตรวจสอบข้อจำกัดด้านกำลังไฟฟ้าที่เกี่ยวข้องกับความต้านทานแยกต่างหาก
แรงดันไฟฟ้าตัดการทำงานมีบทบาทอย่างไรต่อพลังงานที่ใช้งานได้?
ระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) จะหยุดการคายประจุเมื่อเซลล์ใดเซลล์หนึ่งมีแรงดันไฟฟ้าถึงระดับต่ำสุด ความต้านทานภายในที่เพิ่มขึ้นจะทำให้ถึงขีดจำกัดนั้นเร็วขึ้นเมื่อแบตเตอรี่มีอายุมากขึ้น การตัดการทำงานที่ระมัดระวังเกินไปจะลดระยะเวลาการใช้งานที่ทีมงานได้ลงทุนไปอย่างเงียบๆ วิศวกรควรตรวจสอบจุดตัดการทำงานเทียบกับรูปแบบการใช้งานจริงก่อนที่จะสรุปการออกแบบ
ทีมควรตรวจสอบความถูกต้องของระยะเวลาการใช้งานที่เหลืออยู่เมื่อสิ้นสุดอายุการใช้งานอย่างไร?
แผนการทดสอบเริ่มต้นด้วยข้อกำหนด ไม่ใช่รายการมาตรฐาน วิศวกรจะกำหนดโปรไฟล์โหลด ช่วงอุณหภูมิแวดล้อม และจุดตัดก่อน จากนั้นจึงออกแบบลำดับการเสื่อมสภาพที่ผลักดันชุดแบตเตอรี่ตัวอย่างไปสู่ช่วงอายุการใช้งานที่คาดหวัง ชุดแบตเตอรี่จะผ่านการทดสอบก็ต่อเมื่อเวลาการทำงานที่วัดได้ในสภาวะที่เสื่อมสภาพแล้วยังคงเป็นไปตามเป้าหมาย
ข้อสมมติฐานใดบ้างที่ควรระบุไว้ในบันทึกการกำหนดขนาดของ OEM?
แต่ละรายการต้องระบุข้อสมมติฐาน ไม่ใช่แค่ค่าตัวเลข ทีมควรบันทึกค่าเฉลี่ยและค่าสูงสุดของโหลด รอบการทำงาน จุดตัด ช่วงอุณหภูมิแวดล้อม และลักษณะการจัดเก็บ ฝ่ายจัดซื้อจะยืนยันปริมาณและกำหนดการ และฝ่ายคุณภาพจะยืนยันเอกสารที่จำเป็น บันทึกการอนุมัติจะระบุข้อสมมติฐาน หลักฐาน และผู้อนุมัติ
