Швидка відповідь: Інженери повинні розрахувати розмір індивідуального літієво-акумуляторного блоку, виходячи з вимог щодо часу роботи наприкінці терміну служби. Потім вони працюють у зворотному напрямку до ємності на початку терміну служби. Вони використовують запас деградації, який покриває зниження ємності та зростання опору.
Потужність на початку терміну служби є необхідним вхідним параметром для визначення розміру, але її недостатньо для демонстрації терміну служби. Визначте мінімально прийнятний час роботи, діапазон використовуваної напруги та потужність на узгодженому кінці терміну служби, а потім поверніться до можливої конструкції нового акумулятора.
Цей посібник надає інженерам OEM/ODM, командам закупівель та командам з якості покроковий метод визначення часу роботи акумулятора. Він також охоплює компроміси, критерії перевірки та контрольний список OEM для замовних акумуляторних блоків. Ретельне планування терміну служби акумулятора захищає як графік, так і польові записи.
Ключові винесення
Вибирайте розмір акумуляторної батареї на основі того, як довго вона працюватиме після закінчення терміну служби, а не того, яку ємність вона матиме, коли вона нова.
Додавати запас деградації для покриття згасання потужності та зростання опору з часом.
Перш ніж вибирати елементи, встановіть профіль навантаження, напругу відсікання та вікно стану заряду.
Використовувати план валідації щоб показати, що пакет все ще відповідає цільовим показникам часу виконання після старіння.
Запишіть усі свої припущення та результати тестів, щоб аналіз дизайну був зрозумілим.
Частина 1: Чому не вдається визначити розмір часу роботи акумулятора BOL
1.1 Розрив між BOL та EOSL
A здатність на початку життя Число описує новий елемент за контрольованих умов. Воно не описує зібраний акумулятор після років служби. Два механізми старіння розширюють цей розрив. По-перше, втрата ємності зменшує енергію, яку може зберігати акумулятор. По-друге, внутрішній опір зростає та споживає корисну енергію до того, як навантаження досягне межі відключення. Акумулятор, який відповідає цільовому часу роботи від батареї в перший день, може вийти з ладу задовго до кінця терміну служби.
Дані лише на рівні комірки не можуть заповнити цю прогалину. Зібраний блок додає шини, роз'єми та систему управління будівництвом (BMS), і кожна деталь додає свій власний опір. Тому перевірка системи повинна підтверджувати продуктивність на рівні блоку, а не лише на рівні комірки. Інженери, які визначають розмір на основі значення ємності з технічного паспорта, ігнорують цю різницю на свій страх і ризик.
1.2 Режими збою поля
Промислове та інфраструктурне розгортання демонструє результати. Резервний блок у віддаленій телекомунікаційній шафі може пройти випробування на введення в експлуатацію, а потім не витримати навантаження під час повного відключення через кілька років. Парк AGV може нормально завершувати зміни, доки старіюча потужність та зростання внутрішнього опору не опустять блок нижче рівня енергії, необхідного для повного маршруту. В обох випадках час роботи поступово скорочується, а відмова здається оператору раптовою.
Дефіцит часу роботи може виникнути через варіації в елементах живлення, старіння, зміни навантаження, температуру, опір роз'єму, поведінку заряджання або оптимістичну енергетичну модель. Дослідіть фактичну причину, а не вважайте, що кожен збій поля є помилкою розміру.
Частина 2: Визначення вимоги до середовища виконання наприкінці терміну служби
2.1 Час виконання, профіль навантаження та відсікання
Цільовий показник часу виконання має бути першим і має бути вказаний у годинах при певному навантаженні. Основний зв'язок простий:
Час роботи (години) = Корисна енергія постійного струму (Вт·год) ÷ Середнє навантаження постійного струму (Вт)
Корисна енергія не те саме, що енергія, зазначена на табличці з номіналом. Вікно стану заряду, напруга відсічення та ефективність перетворювача зменшують накопичену енергію, яку ви можете використовувати. Акумулятор з великою номінальною ємністю може видавати набагато менше корисної енергії після того, як BMS припинить розряд на межі відсічення. Тому інженери повинні визначити середню потужність навантаження, пікове навантаження та точку відсічення, перш ніж розглядати технічні характеристики елемента.
Профіль навантаження має таке ж значення, як і середнє значення. Медичний насос зі стабільним споживанням працює інакше, ніж система безпеки, яка активується від руху. Імпульсні навантаження збільшують ефективне споживання, оскільки внутрішній опір перетворює частину струму на тепло. Мінімальний робочий резерв енергії повинен покривати найгірший правдоподібний випадок навантаження, а не типовий.
2.2 Термін служби та робочий цикл
Кінець терміну служби залежить від застосування. Він може бути визначений мінімальним часом роботи, потужністю, опором, збереженням ємності або іншим підтвердженим критерієм служби. Ілюстративне припущення про збереження ємності 80% не є універсальним порогом виведення на пенсію.
Для передбачуваного збереження ємності 80%, 1/0.80 = 1.25 є множником енергії до ємності у спрощеній моделі. Це не універсальний коефіцієнт номінальної потужності та не повинен бути пов'язаний з вимогою щодо розміру літієвих акумуляторів у стандарті IEEE 485, який стосується стаціонарних свинцево-кислотних акумуляторів. Перевірте просідання потужності та напруги окремо.
Частина 3: Кількісна оцінка факторів деградації терміну служби батареї
3.1 Згасання потужності та зростання опору
Згасання потужності та зростання внутрішнього опору відбуваються разом у літій-іонному акумуляторі. Це не окремі проблеми. Втрата запасів літію, втрата активного матеріалу та зростання імпедансу погіршують одне одного. Руйнування частинок прискорює зростання SEI, а це зростання використовує активний літій та спричиняє втрату ємності. Втрачений літій потім зміщує потенціал електрода та прискорює структурне пошкодження, що ще більше підвищує імпеданс. Результатом є цикл, у якому втрата ємності та зростання опору посилюють одне одного.
Дослідження старіння на рівні клітин можуть бути основою для гіпотез, але вибір розміру упаковки вимагає даних для вибраної комірки, робочого циклу та теплового середовища. Вимірюйте як збережену енергію, так і зростання опору, а не екстраполюйте одне випробування матеріалу на термін служби.
3.2 Вплив температури та профілю навантаження
Тепло та навантаження впливають як на термін служби акумулятора, так і на збереження ємності. Втрата ємності як функція температури добре задокументована на рівні елементів, а висока температура прискорює більшість шляхів старіння. Імпульсні та високострумові навантаження додають ще один недолік, оскільки внутрішній опір перетворює частину струму на тепло всередині акумулятора. Таким чином, система безпеки, яка прокидається від руху, та медичний насос зі стабільним потоком старіють по-різному, навіть за однакової проектної ємності.
Вибір хімічного складу задає рамки. LiFePO4-елементи зазвичай пропонують тривалий термін служби, тоді як NMC, LCO та LMO-елементи жертвують терміном служби заради щільності енергії. Немає єдиного правила, яке б охоплювало всі випадки. Інженери повинні моделювати деградацію відносно реального робочого циклу, а потім підтверджувати результат за допомогою тестування на рівні батареї. Цей крок захищає запас часу роботи після закінчення терміну служби.
Частина 4: Розрахунок ємності BOL з урахуванням запасу деградації
4.1 Запас деградації та поріг кінця життя
Визначте допустиме старіння на основі визначеного припущення про збережену потужність та окремої перевірки енергетичної здатності. У спрощеному розрахунку енергії, нижча передбачувана збережена потужність вимагає більшої потужності на початку терміну служби. Вибраний критерій закінчення терміну служби та дані про старіння повинні бути узгодженими.
Параметр | значення | Значення для визначення розміру |
|---|---|---|
Збереження потужності після закінчення терміну служби | 80% | Акумулятор все ще повинен відповідати необхідним вимогам після закінчення терміну служби, тому його ємність зменшується протягом терміну служби. |
Ілюстративний множник старіння енергії | 1.25 | Збільшений розмір на початку терміну служби, щоб акумулятор все ще відповідав робочому циклу при 80% ємності |
Кінець терміну служби зазвичай встановлюється у стані справності від 70% до 80%. 80% – це загальноприйнятий поріг контракту для використання електромобілів та мережевих накопичувачів енергії – це бізнес-умовність, а не фізичне обмеження.
Перед вибором елемента задокументуйте кінцеву точку обслуговування та критерій заміни. Оцініть мінімальний час роботи та вантажопідйомність старих акумуляторів за відповідних температурних та граничних умов; саме збереження ємності може не визначати точку заміни.
4.2 Зворотний розрахунок місткості BOL
Зворотний розрахунок перетворює цільовий час роботи наприкінці терміну служби на ємність акумулятора на початку терміну служби. Робочий процес виконується у фіксованому порядку:
Враховуйте вимоги застосування: корисну енергію, пікову та безперервну потужність, діапазон напруги, термін служби, бюджет маси, об'ємний діапазон та кінцеву ємність.
Виберіть комірку-кандидат за хімічним складом, форматом, ват-годинами, напругою та опором постійному струму.
Встановіть вікно придатного стану заряду вужче за 0–100%, щоб зберегти час роботи акумулятора.
Обчисліть кількість послідовних та паралельних з'єднань. Кількість послідовних з'єднань = номінальна напруга акумулятора ÷ номінальна напруга елемента. Кількість паралельних з'єднань = корисна енергія заряду ÷ (кількість послідовних з'єднань × номінальна напруга елемента × ємність елемента в Аг × стан заряду).
Перевірте пікову та безперервну потужність порівняно з мінімальною напругою акумулятора та опором елемента.
Оцініть масу та об'єм упаковки на основі маси та об'єму клітин, використовуючи множник архітектури та співвідношення кількості клітин до упаковки.
Управління температурою розміру завдяки безперервному нагріванню комірки.
Розмір до кінця життя, а не до початку.
Виконайте ітерацію, якщо цілі за масою, об'ємом, теплом, потужністю або вартістю не досягнуті.
Для ілюстративної цільової потужності 60 кВт⋅год, що використовується на стороні навантаження, за умови збереження 80% потужності та вікна корисної енергії 90%, мінімальна енергія нового блоку, зазначена на заводській табличці, становить 60/(0.80 x 0.90) = 83.3 кВт⋅год до втрат від перетворення та інших обґрунтованих допусків. Виберіть кількість послідовних з'єднань з повного діапазону напруги хоста та зарядного пристрою, а не лише номінальну напругу; округліть кількість паралельних з'єднань у бік збільшення та перевірте обмеження потужності, маси та теплового режиму.
Частина 5: Покроковий метод визначення часу роботи акумулятора
5.1 Робочий процес визначення розміру
Команда робочий процес визначення розміру дотримується встановленого порядку. Він починається з потреб застосування та закінчується налаштуванням елемента. Спочатку інженери записують цільовий час роботи наприкінці терміну служби, профіль навантаження, граничну напругу та діапазон температур. Потім вони використовують запас деградації, щоб повернутися до ємності акумулятора на початку терміну служби. Кроки такі:
Визначте час роботи після закінчення терміну служби, профіль навантаження та температурні умови.
Зафіксуйте передбачувану збережену енергію та зростання опору з підтверджуючими доказами.
Розрахуйте енергію з боку навантаження та одноразово врахуйте ефективність, вікно корисної енергії та старіння.
Виберіть кількість послідовних підключень з повного діапазону напруги хоста та зарядного пристрою.
Округліть паралельний лічильник у бік збільшення та перевірте безперервний струм, імпульсний струм та просідання напруги.
Перевірити виконання застарілих пакетів у повному хості та документувати невизначеність.
Вужчий робочий діапазон SOC зменшує корисну енергію та може зменшити навантаження за певних умов. Кількісно визначте його переваги протягом терміну служби для вибраного елемента та робочого циклу; жодне фіксоване покращення терміну служби не застосовується універсально. Таблиця нижче є лише гіпотетичною арифметикою, а не перевіреними даними про термін служби.
5.2 Робочий приклад з обмеженнями стану заряду
Візьмемо, наприклад, медичний інфузійний насос, якому потрібно 24 години стабільної роботи при середньому навантаженні 15 Вт. Конструкція розрахована на 5-річний термін служби з порогом потужності наприкінці терміну служби 80%. Необхідна корисна енергія наприкінці терміну служби становить 15 Вт × 24 години = 360 Вт·год. Використовуючи запас деградації, енергія BOL становить 360 ÷ 0.80 = 450 Вт·год.
Вікно стану заряду тепер формує встановлену потужність. У таблиці нижче показано, як вікно змінює корисну енергію та пропускну здатність протягом терміну служби для системи номінальною потужністю 1 МВт·год:
Вікно SoC | Ефективне Міністерство оборони | Корисна енергія за цикл (1 МВт·год, паспортна табличка) | Ілюстративний життєвий цикл | Приблизна пропускна здатність за весь термін служби |
|---|---|---|---|---|
0-100% | 100% | 1,000 кВт * год | Специфічні для комірки та обов'язку | Розрахувати на основі перевірених даних про утримання |
10-90% | 80% | 800 кВт * год | Потрібні перевірені дані про старіння | Не встановлено цим прикладом |
20-80% | 60% | 600 кВт * год | Потрібне репрезентативне тестування | ~3,600 МВт·год |
30-70% | 40% | 400 кВт * год | Не передбачається лише на основі вікна SOC | ~3,600 МВт·год |
Для гіпотетичної цільової потужності на стороні навантаження 360 Вт·год, збереження 80% та частки корисної енергії 60%, спрощена вимога до нового акумуляторного блоку становить 750 Вт·год до втрат на перетворення. При 12.95 Вт·год на елемент потрібно щонайменше 58 елементів з точки зору енергії, але обмеження щодо послідовної/паралельної геометрії та напруги хоста все ще застосовуються. Схема 14S4P має лише 56 елементів та 725.2 Вт·год, тому вона не відповідає заявленій вимозі. Не вибирайте акумуляторний блок лише тому, що він близький до цілі.
Використовуйте ліміти розряду, встановлені виробником елемента, та мінімальну вхідну напругу хоста, щоб визначити поведінку відключення. Під постійним навантаженням струм збільшується зі зниженням напруги, тому просідання напруги, пов'язане зі старінням, може призвести до передчасного вимкнення. Перевірте Стратегія захисту BMS без послаблення обмежень безпеки комірок для отримання більшого часу роботи.
Тут чітко видно компроміс між запасом деградації та вартістю. Більший запас додає клітин, вагу та об'єм. Менший запас ризикує передчасним виходом з ладу в польових умовах. Приклад інфузійного насоса показує, як вибір розміру батареї для роботи від батареї виводить ці варіанти на перший план. Таким чином, команди закупівель та контролю якості можуть переглянути їх перед заморожуванням проектування.
Частина 6: Компроміси дизайну для тривалості роботи від батареї
6.1 Вартість, вага та обсяг у порівнянні з маржею
Додаткова встановлена потужність може забезпечити запас продуктивності при проектуванні, але також збільшує вартість, масу та об'єм. Оцініть внесок корпусу, з'єднань та електроніки на основі фактичної архітектури, а не загальних відсотків кількості комірок до корпусу.
Не екстраполюйте фіксований відсоток втрати ємності лінійно на довший термін служби. Старіння залежить від календарного часу, температури, стану заряду та історії циклів, і може прискорюватися. Допуски базуються на репрезентативних випробуваннях та обґрунтованій моделі із задокументованою невизначеністю.
6.2 Хімія, відбір клітин та стратегія відсікання
Хімія задає рамки для терміну служби. LiFePO4 елементи зазвичай забезпечують тривалий термін служби, тоді як NMC, LCO та LMO елементи жертвують терміном служби заради щільності енергії. Жоден хімічний склад не виграє на всіх осях. Роботизована платформа з жорсткими обмеженнями маси може прийняти NMC, а інфраструктурна шафа з вільним простором може віддати перевагу LiFePO4. Вибір елементів повинен відповідати цільовому діапазону, необхідній енергії та корисній щільності енергії, саме в такому порядку.
Стратегія відсікання визначає, яка частина цієї ємності досягне навантаження. Система управління будівництвом (BMS) зупиняє розряд на межі напруги елемента, а зростання внутрішнього опору призводить до того, що ця межа досягне раніше, оскільки акумулятор старіє. Добре налаштована BMS, така як конструкції, описані на https://www.large-battery.com/bms-and-pcm/, захищає літій-іонний акумулятор від надмірного розряду, зберігаючи при цьому корисну енергію. Команди повинні перевірити точку відсікання відповідно до реального профілю навантаження, оскільки консервативне відсікання непомітно зменшує запас часу роботи, за який вони заплатили.
Частина 7: Перевірка та прийняття тестів
7.1 План тестування старіння та виконання
План випробувань має показати, що акумулятор все ще відповідає цільовому терміну служби після закінчення терміну служби. План починається з вимоги, а не зі стандартного переліку випробувань. Спочатку інженери визначають профіль навантаження, діапазон температур навколишнього середовища та точку порогу. Потім вони розробляють послідовність старіння, яка наближає зразки акумуляторів до очікуваного терміну служби.
Перевірте час роботи з повним пакетом та кінцевим хостом, використовуючи репрезентативні динамічні навантаження, умови навколишнього середовища та визначені кінцеві точки. Розділіть функціональні випробування на старіння від кваліфікації безпеки та зловживання, які вимагають відповідного лабораторного плану. UL 9540A стосується поширення вогню стаціонарних накопичувачів енергії та не є загальним випробуванням часу роботи для портативних медичних пакетів.
Прогнозне моделювання часу роботи від батареї підтримує цю роботу. Модель, побудована на виміряній втраті ємності та зростанні опору, допомагає команді вибирати тривалість випробувань та кількість зразків. Вона також вказує, який фактор стресу найшвидше призводить до старіння в цільовому застосуванні.
7.2 Критерії прийнятності
Критерії прийнятності випливають з вимог заявки, а не з універсального контрольного списку. Команди узгоджують конкретні умови, зразки та обмеження для кожного продукту. Програма медичних виробів може встановлювати суворіші обмеження, ніж програма інфраструктурного кабінету.
Елемент оцінки | Типові критерії прийнятності |
|---|---|
Збереження ємності | ≥80% після підрахунку цільових циклів |
Збільшення внутрішнього опору | В межах проектної межі |
Різниця напруги клітинки | Мінімальне відхилення між клітинами |
Підвищення температури | У межах безпечного робочого діапазону |
Захист BMS | Функціонує нормально за всіх випробувальних умов |
Зовнішність | Відсутність здуття, протікання, корозії чи деформації |
Безпека виконання | Відсутність аномального нагрівання, диму чи теплових подій |
Багато літій-іонних акумуляторів вважаються такими, що досягли кінця свого терміну служби, коли ємність падає приблизно до 80% від початкового значення. Однак деякі медичні, аерокосмічні або промислові застосування можуть вимагати суворіших критеріїв прийнятності залежно від вимог до надійності.
Перевірений запас часу роботи замикає цикл. Пакет проходить випробування лише тоді, коли його виміряний час роботи у старому стані все ще відповідає цільовому показнику кінця терміну служби.
Частина 8: Контрольний список розмірів OEM
8.1 Контрольний список вимог та припущень
Рішення щодо розміру є настільки ж ефективним, як і вхідні дані, на яких воно базується. Інженери, команди закупівель та команди якості повинні узгодити один письмовий перелік вимог перед будь-яким запитом на цінову пропозицію чи зразок. У таблиці нижче перелічені категорії, які впливають на вибір розміру упаковки.
Категорія вимог | Інформація для надання |
|---|---|
додаток | Тип пристрою, умови експлуатації, цільове використання |
Напруга | Номінальна, робоча та зарядна напруга |
Швидкість профілювання | Необхідна потужність, енергія, цільовий час роботи |
Поточний | Нормальний, безперервний, піковий та пусковий струм |
Максимальна довжина, ширина, товщина, вага | |
інтерфейс | Роз'єм, довжина кабелю, положення виходу дроту, потреби зв'язку |
Захист | PCM, BMS, NTC, температурний захист, балансування |
Навколишнє середовище | Робоча температура, умови зберігання, вібрація, вологість |
Виробництво | Кількість прототипів, очікуваний обсяг, цільовий графік |
Звіти про випробування, транспортні документи, вимоги ринку |
Кожен запис потребує чіткого припущення, а не просто значення. Команда робототехніки повинна записати середнє та пікове навантаження, робочий цикл та точку порогу. Команда з медичних виробів повинна зафіксувати діапазон температури навколишнього середовища та профіль зберігання. Відділ закупівель повинен підтвердити цільовий обсяг та графік. Відділ якості повинен підтвердити документи, необхідні цільовому ринку. Потім команда разом переглядає припущення, оскільки неправильний профіль навантаження або відсутність вимоги до порогу руйнує кожен наступний розрахунок.
8.2 Огляд та затвердження проекту
Перевірка проекту перевіряє, чи відповідає акумулятор цільовому показнику часу роботи після закінчення терміну служби. Рецензенти враховують здатність до старіння, зростання внутрішнього опору, температуру елементів, профіль навантаження, межі відключення та перевірений запас часу роботи. Вони також підтверджують, що втрати перетворювача, падіння напруги під навантаженням та запас безпеки відображаються у показнику корисної енергії. Припущення про втрати ємності, яке ігнорує вплив швидкості або високої температури навколишнього середовища, занижуватиме реальний запас.
Підтвердження має проходити за схемою «від етапу до гейту». Команда перевіряє поведінку на рівні пакета після складання, а потім повторює випробування під час роботи та теплові випробування всередині остаточного корпусу пристрою. Пороги захисту повинні відповідати технічному опису елемента та специфікації BMS. Рецензенти також повинні підтвердити поведінку балансування, оскільки сама лише функція балансування не доводить, що струм, напруга активації та час відповідають застосуванню. У протоколі підтвердження повинні бути перелічені всі припущення, результати випробувань, що лежать в їх основі, та власник, який їх схвалив.
Інженери підбирають розмір індивідуального акумулятора на основі цільового часу роботи наприкінці терміну служби. Вони додають запас деградації на спад ємності та зростання опору, а потім працюють у зворотному напрямку, щоб знайти ємність на початку терміну служби. Температура, профіль навантаження, стан вікна заряду та напруга відсічення повинні бути встановлені поруч із цільовим часом роботи. Ці вхідні дані визначають, скільки накопиченої енергії фактично надходить до навантаження.
План валідації та контрольний список OEM-виробника завершують цикл перед заморожуванням проектування. Команди повинні записувати кожне припущення, докази, що стоять за ним, та власника, який його схвалив. Цей запис дозволяє пакету виконати свій термін служби в кінці терміну служби, а не лише в перший день.
FAQ
Чому інженери не можуть визначити розмір упаковки, виходячи лише з початкової ємності?
Початкова ємність описує новий елемент у контрольованих умовах. Вона ігнорує спад ємності та зростання опору, що накопичуються протягом служби. Пакет, розмір якого відповідає цьому параметру, може пройти перше випробування, але все одно не досягти бажаного рівня через роки. Метою проектування має бути мінімально допустимий час виконання наприкінці терміну служби, а не значення з паспорта на перший день.
Як поріг закінчення терміну служби змінює межу деградації?
У спрощеній енергетичній моделі коефіцієнт старіння є оберненою величиною до передбачуваної збереженої потужності. Наприклад, 80% збереження дає 1.25, тоді як 70% дає приблизно 1.43. Визначте кінцеву точку обслуговування та окремо перевірте обмеження потужності, пов'язані з опором.
Яку роль відіграє напруга відсічення у корисній енергії?
Система управління будівництвом (BMS) зупиняє розряд, коли будь-який елемент досягає мінімальної напруги. Зростання внутрішнього опору призводить до того, що ця межа настає раніше, оскільки батарея старіє. Консервативне відключення непомітно зменшує запас часу роботи, за який заплатила команда. Інженери повинні перевірити точку відключення на відповідність реальному профілю навантаження, перш ніж заморожувати проектування.
Як команди повинні перевіряти запас часу виконання наприкінці життєвого циклу?
План випробувань починається з вимоги, а не зі стандартного списку. Спочатку інженери визначають профіль навантаження, діапазон температур навколишнього середовища та точку порогу. Потім вони розробляють послідовність старіння, яка наближає зразки пакетів до очікуваного терміну служби. Пакет проходить випробування лише тоді, коли виміряний час роботи в умовах старіння все ще відповідає цільовому показнику.
Які припущення входять до запису про розміри виробника оригінального обладнання (OEM)?
Кожен запис потребує чіткого припущення, а не просто значення. Команди повинні фіксувати середнє та пікове навантаження, робочий цикл, точку порогу, діапазон температур навколишнього середовища та профіль зберігання. Закупівля підтверджує обсяг та графік, а якість підтверджує необхідні документи. У протоколі підписання перераховано кожне припущення, його підтвердження та власника, який його затвердив.
