電池組製造商 五十多年來，我們致力於掌握為關鍵OEM設備供電的客製化設計。他們的專業技術可以追溯到1965年。客製化電池組需要滿足五個關鍵要求：形狀、容量、充電速率、溫度和電壓。這些要求使得設計過程在技術上極具挑戰性。
客製化電池組在國防、航空航太、醫療和各類工業應用中發揮至關重要的作用。這些專用電源解決方案需要4至12週的開發時間。最終成果值得等待——它們提供更長的運行時間、更高的效率和更高的可靠性。這些電池組的使用壽命為2至5年，或可進行300至500次充電。它們充分利用了可用空間，並在形狀複雜的設備中發揮最佳性能。
本文探討設計複雜形狀客製化電池組的技術細節。我們將探討核心參數、製造方法和測試方案。
複雜電池形狀的核心設計參數
複雜形狀的電池組設計始於三個基本參數，這些參數決定了電池組的性能和安全性。這些參數是建立可靠電源解決方案的基礎，能夠自然地融入不規則形狀。
計算功率密度需求
功率密度指的是電池單位體積能量輸出或接收的速度，以瓦特/公斤 (W/kg) 為單位。鋰離子電池的功率密度相當高，範圍從 150-220Wh/kg[1]這使得它們非常適合需要快速能量傳輸的用途。電池組的電壓來自陰極和陽極之間的化學勢差，電解質的電化學勢窗口也會影響電壓。 [1].
顆粒的大小和分佈對電池性能影響很大。顆粒越小，鋰離子移動距離越短，面臨的擴散障礙也越少。 [1]儘管如此，這也有一個問題——更小的顆粒意味著更大的表面積，這可能會導致額外的副反應和熱問題 [1].
不規則幾何形狀中的熱管理
在設計客製化電池組時，熱管理至關重要。工程師可以透過分析求解器或數值運算工具（例如電腦輔助工程 (CAE) 和計算流體動力學 (CFD) 軟體）來研究電池冷卻。 [1]. 最適合大型電池組，因為它導熱性較好 液冷技術[2].
電池熱管理系統 (BTMS) 透過以下方式確保溫度安全：
- 需要額外設備的主動冷卻方法
- 被動冷卻提供更簡單的設定和更好的冷卻效果 [2]
相變材料 (PCM) 對被動冷卻系統至關重要。它們在特定的轉變點吸收電池熱量，而無需消耗額外的能量 [2]最近的進展集中在混合 PCM 上，這種材料使用膨脹石墨和金屬泡沫等材料，使其更堅固、導熱性更好 [2].
結構完整性分析
結構完整性測試可確保電池組在不同機械應力下保持可靠。三點彎曲測試有助於評估各種軟包電池的配置，而有限元素模型則顯示應力如何擴散以及可能發生短路的位置。 [3]折疊式結構和軟包外殼使電池強度大大提升——確切地說是強度提高了 14 倍和 30 倍 [3].
如今的外殼配有感測器，可以監測電池健康狀況並提供機械支撐，尤其是在動態條件下 [3].這些外殼在完整的振動測試中必須處理 300 Hz 以上的頻率 [3]設計過程中也考慮了當電池在煞車、急轉彎和垂直衝擊過程中面臨最大應變時會發生什麼情況 [3].
鋰離子電池組需要一個融合多種學科的設計平台。這些系統融合了特定的架構、電氣方案、控制、感測器和管理系統。 [1]除此之外，新的設計方法更將電池與結構部件結合在一起。 「電芯到電池組」（CTP）和「電芯到底盤」（CTC）方法體現了這一趨勢，並有助於降低製造成本。 [1].
高階單元配置技術
複雜形狀的電池組設計需要合理的電芯配置。電芯的排列方式會影響性能、安全性以及最終設計的空間利用率。
曲面的並聯與串聯佈置
具體電壓和容量需求決定了在曲面上是採用串聯還是並聯配置。串聯連接就像鏈條一樣——正極連接到負極，以提高電壓輸出。 [4]。並聯裝置保持電壓穩定，但透過將正極端子和負極端子連接在一起來提高總容量 [4].
讓我們來看一個真實的例子。兩顆12V、100Ah的電池串聯起來，電壓為24V，容量為100Ah。將這些相同的電池並聯起來，電壓為12V，容量翻倍，達到200Ah。 [5]。這為設計人員提供了空間來匹配其設備所需的電力傳輸。
串聯排列對於複雜形狀有明顯的好處：
- 在更小的空間內輸出更高的電壓
- 較小的導體尺寸需要
- 更好的電力傳輸效率 [4]
串聯設定確實有其缺點。一個壞電池就可能導致整個系統關閉。一些較新的電池組使用固態開關，可以繞過故障電池。 [4].
單元間距最佳化
適當的單元間距對熱管理和結構強度有很大影響。研究表明，合理的間距可以 最大溫差減少 60% 以上[6]工程師使用電腦流體模擬來找到最佳的間距模式，以便更好地冷卻而又不佔用太多空間。
單元格間距需要平衡以下幾點：
- 散熱需求
- 結構支撐
- 冷卻或加熱設備室 [7]
新的研究表明，細胞間不均勻的間隙比均勻的間距更能保持溫度均勻 [6]。過程會查看不同的空氣流速，以確保冷卻效果在所有條件下都良好 [6].
曲面設計需特別注意間距。設計師必須平衡以下幾點：
- 冷卻效率
- 物理穩定性
- 空間利用
- 感測器空間 [8]
現代製造業，尤其是 3D 列印和受自然啟發的設計，可以精確控制複雜形狀的單元間距 [8]。這些方法有助於在曲面上更好地利用空間 建構堆疊單元[8].
正確排列電池取決於保持組件乾燥、排列電極以及控制壓力 [9]. 組裝時，您需要將所有零件放置在每個邊緣 1-2 毫米以內 [9].
客製化電池組製造方法
製造業 客製化電池組 需要精確的工程設計和先進的自動化技術。現代製造方法融合了3D列印技術、自動化組裝系統和嚴格的品質控制。這些方法確保電池性能良好且安全可靠。
3D列印外殼設計
3D列印技術協助高縱橫比架構生產 幾何形狀複雜的電池外殼[10]此方法具有更好的形狀適應性和可調尺寸，從而提高了表面能量密度 [10]. 外殼設計可保護電池免受溫度變化、濕度和水進入等環境因素的影響 [11].
該過程需要詳細的 3D 模型，其中考慮：
- 內部支撐結構
- 冷卻系統集成
- 單元佈局優化
- 維護接入點
自動電池貼裝系統
配備先進視覺系統的機器人組裝線能夠精準地放置零件。這些系統能夠以一致的精度對單元進行分類、堆疊和焊接。 [12]。電腦控制機制確保。他們使用校準軟體來修復框架不準確 10-20微米內的精確定位[13].
自動化過程包括以下關鍵要素：
- 用於五軸定位的高速直線電機
- 溫控製造環境
- 用於品質驗證的整合視覺分析軟體
- 自動感測器放置系統
品管檢查點
品質檢查貫穿整個製造過程，從材料檢驗到最終的包裝驗證。電池測試檢查電池的健康狀況、容量、充電速率和機械應力耐受性。 [14]. 測試台運行重複循環，包括充電放電測試和熱分析 [12].
製造過程有三個不同的品質控制階段 [15]:
- 進貨品質控制（IQC）
- 電池容量和電壓曲線的驗證
- 部件檢查，包括板、箔和隔膜
- 電路板缺陷分析
- 製程品質管制 (IPQC)
- 統計過程控制追蹤
- 每個組裝階段的電池和電池組檢查
- 持續流程審核
- 最終產品品質控制（FPQC）
- 尺寸檢驗符合規格
- 內部連接X射線檢查
- 各種負載條件下的功能測試
現代品質控制系統使用人工智慧演算法分析影像和感測器數據。這些演算法可以檢測異常並快速修正 [12]. 製造商透過統計分析追蹤關鍵績效指標，以維持嚴格的製程控制 [15].
非標準形狀的 BMS 集成
電池管理系統 (BMS) 整合在處理非標準形狀的電池組時，會帶來獨特的挑戰。工程師必須密切注意感測器的放置位置和熱監控策略。 BMS 的性能直接影響電池的使用壽命、工作性能以及在複雜形狀下的安全性。
感測器放置策略
將感測器放置在不規則表面上需要一種系統性的方法，以平衡物理限制和測量精度。研究表明，入射角較小的感測器位置會產生更好的結果。 [2]。佈局策略有兩個主要目標：
- 使單一參考位置的不確定性盡可能小
- 將不確定性減少與基於距離的定位結合
感測器需要保持幾厘米的距離才能正常工作，並考慮到它們的尺寸 [2]感測器之間的這個空間稱為防護區域，感測器之間不會互相干擾，從而提供準確的數據。
先進的佈局演算法採用多目標模因優化來平衡：
- 基於聲音訊號入射角的測量質量
- 來自不同感測器設定的信息
- 不規則表面的物理極限
熱分佈監測
溫度監控在BMS整合中起著至關重要的作用，並直接影響電池的性能和安全性。研究表明，電池組核心的溫度比外部部分高出約2°C。在更大的模組中，這些差異可能會達到幾十度。 [16].
熱管理系統採用主動和被動技術：
活性成分：
- 需要外部電源的風扇和泵
- 溫度隨時調整
- 更好地控制熱條件
被動元件：
- 無需電源即可工作的散熱器和管道
- 導熱性好的材料
- 透過自然氣流冷卻
現代 BMS 設計包括複雜的監控功能 [18]:
- 最新的充電狀態 (SOC) 評估
- 健康狀態（SOH）特徵跟踪
- 正在進行的阻抗估計
- 效能容量監控
由於大多數研究僅關注穩定溫度，因此該系統能夠適應緩慢和快速的溫度變化 [18]這就是為什麼先進的 BMS 設計現在配備了多級安全協定和備用保護電路 [19].
熱分佈監測依賴精確的感測器網絡，該網絡可以追蹤整個電池組的熱模式。每個電池的捲狀結構在不同方向上表現出不同的導熱性，徑向導熱性較低 [16]。這意味著必須策略性地放置感測器才能獲得準確的溫度測繪。
監控系統將溫度保持在最佳水平，因為溫度變化會極大地影響效能。 BMS 會持續分析數據，以發現熱失控的早期跡象並採取預防措施 [19].
測試和驗證協議
嚴格的測試規程有助於客製化電池組在各種操作條件下滿足安全和性能標準。這些驗證程序旨在檢查電池組的機械耐久性、熱彈性以及是否符合國際法規。
複雜幾何形狀的振動測試
在驗證不規則形狀的電池組方面起著至關重要的作用。測試涵蓋模擬真實車輛狀況的定頻和掃頻振動 隨機振動分析[20]功率譜密度測量有助於評估不同頻率範圍內的能量分佈。均方根加速度值維持在規定範圍內 [20].
現今的振動測試平台具有以下特點：
- 產生掃描訊號的訊號產生器
- 驅動機械振動器的功率放大器
- 記錄加速度測量的高速資料擷取器
- 雷射多普勒振動儀追蹤表面運動 [3]
研究表明，機械振動耐久性嚴重影響電池內部結構。對18650種不同類型的XNUMX電池進行電腦斷層掃描分析，結果顯示電池在隨機振動載荷作用下會發生結構變化。 [3].
熱循環評估
電池在極端溫度變化下的性能需要進行熱循環測試。標準協議規定了以下溫度範圍：
- IEC 62133：75°C 至 20°C 至 -20°C，30 分鐘過渡 [21]
- UL 2054：70°C 至 -40°C，30 分鐘過渡 [21]
- UL 1642：70°C 至 20°C 至 -40°C，30 分鐘過渡 [21]
現代熱管理系統將電池單元之間的溫差控制在 3 度以內 [22]. 最佳化的進氣孔有助於防止因電池和冷卻風扇之間的距離不同而導致的溫度分佈問題 [22].
安全認證要求
安全認證需要根據多項標準進行全面測試。 UL 1642（鋰電池）、UL 2054（鎳電池或鋰/鎳電池組）以及 IEC 60086 系列（各種電池化學成分）是其中的佼佼者。 [23]CTIA 認證計畫驗證可充電電池是否符合 IEEE 標準 1725TM1-2006 [23].
測試期間的品質控制檢查點包括：
- 目視檢查缺陷
- 電壓和電流的電氣測量
- 機械應力評估
- 熱性能評估
- 化學成分分析 [24]
目前的熱失控預防策略採用基於模型的預警方法、大數據分析和多維度訊號監測 [1]. 直流阻抗測量可以對電池在整個運轉壽命期間的熱安全性進行無損評估 [1].
電池管理單元 (BMU) 驗證可檢查以下關鍵功能：
- 充電狀態估計精度
- 電池平衡功能
- 電壓監測精度
- 電流測量可靠性
- 溫度監測反應能力 [25]
結語
客製化電池組設計需要精準的工程專業知識、詳盡的測試方案和先進的製造能力。工程師透過仔細評估功率密度需求、熱管理系統和結構完整性分析，創造出能夠自然融入複雜形狀的可靠電源解決方案。
最新的電池配置技術有助於在曲面上以最佳方式排列電池。先進的製造方法將 3D 列印技術與自動化組裝系統結合。電池管理系統透過策略性感測器佈局來監控熱量分佈，並確保運作條件安全。
嚴格的測試規程確保這些客製化解決方案符合安全標準和性能要求。每個電池組設計的耐用性和可靠性都透過廣泛的振動測試、熱循環評估和安全認證來確認。
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客製化電池組設計 電源技術已發展成為一門複雜的工程學科。如今，製造商提供高效能電源解決方案，能夠充分利用空間，同時確保複雜形狀設備達到最佳效能。這些發展挑戰了國防、航空航太、醫療和工業應用領域的傳統限制，更多創新解決方案即將問世。
常見問題
Q1：設計複雜形狀的客製化電池組時，關鍵考慮因素有哪些？主要考慮因素包括計算功率密度要求、管理不規則幾何形狀中的散熱問題、確保結構完整性、優化電芯配置以及整合高效的電池管理系統 (BMS)。設計人員還必須考慮製造方法和嚴格的測試規程。
Q2：3D列印技術如何協助客製化電池組設計？ 3D列印技術能夠生產具有高縱橫比結構的幾何形狀複雜的電池外殼。該技術增強了形狀的一致性和可調尺寸，從而提高了單位面積能量密度，並更好地保護電池單元免受環境因素的影響。
問題3：電池管理系統 (BMS) 在非標準形狀的電池組中扮演什麼角色？ BMS 對於監控和管理電池效能至關重要，尤其是在複雜幾何形狀的電池組中。它涉及策略性地放置感測器，以便精確地繪製溫度圖並評估充電狀態。 BMS 有助於維持最佳工作溫度，並能偵測到熱失控的早期預警訊號。
Q4：客製化電池組需要哪些測試程序？關鍵測試程序包括複雜幾何形狀的振動測試、熱循環評估和安全認證要求。這些測試驗證了電池組的機械耐久性、熱彈性以及是否符合國際法規。它們通常涉及隨機振動分析、極端溫度變化和全面的安全標準評估。
問題5：製造商如何確保客製化電池組生產的品質控制？客製化電池組製造的品質控制主要包括三個階段：來料品質控制 (IQC)、製程品質控制 (IPQC) 和最終產品品質控制 (FPQC)。這些階段包括組件檢驗、持續過程審核、尺寸檢查、X 光檢查以及各種負載條件下的功能測試。先進的系統還整合了用於異常檢測的 AI 演算法。
