Konstrukce lithium-iontové baterie: napětí, kapacita, BMS a doba provozu

Lithium-iontová baterie není definována pouze kapacitou. Vhodné balení musí dodávat požadované napětí, poskytovat dostatek využitelné energie, podporovat aktuální požadavky zařízení, odpovídat dostupnému prostoru a obsahovat správné ochranné funkce.

U projektu OEM zahrnuje návrh baterie také rozhodnutí o:

• Výběr buňky

• Sériová a paralelní konfigurace

• Jmenovité napětí

• Kapacita

• Špičkový a trvalý proud

• BMS nebo PCM

• Způsob nabíjení

• Konektor a kabel

• Mechanická integrace

• Provozní teplota

• Očekávaná doba běhu

• Požadavky na testování a výrobu

Baterie může mít správnou kapacitu, ale špatné napětí. Může poskytovat dostatek energie, ale během špičkového odběru proudu selže. Může se hodit do krytu, ale postrádá ochranné nebo komunikační funkce požadované hostitelským zařízením.

Tato příručka vysvětluje hlavní principy konstrukce lithium-iontových baterií a ukazuje, jak mohou týmy OEM propojit elektrické, mechanické a systémové požadavky, než se pustí do podrobného vývoje.

Komerční řešení bateriových sad viz ZERNE's lithiové baterie . Stránka produktu je určena pro dotazy na produkty a řešení, zatímco tento článek se zaměřuje na technická rozhodnutí stojící za návrhem bateriových sad.

Rychlá odpověď: Co je třeba vzít v úvahu při návrhu lithium-iontové baterie?

Lithium-iontová baterie by měla být navržena s ohledem na následující faktory:

1. Požadované provozní napětí

2. Cílová kapacita a využitelná energie

3. Trvalý a špičkový proud

4. Konfigurace sériových a paralelních článků

5. Ochranné funkce BMS nebo PCM

6. Nabíjecí napětí a nabíjecí proud

7. Dostupná přihrádka na baterie

8. Požadavky na konektor a kabel

9. Provozní a skladovací teplota

10. Požadovaná doba běhu

11. Potřeby testování a souladu

12. Očekávaný objem výroby

Správný návrh je ten, který splňuje elektrické a mechanické požadavky hostitelského zařízení při zachování bezpečné a opakovatelné výroby.

1. Začněte s požadavky na hostitelské zařízení

Konstrukce baterie by měla začínat u zařízení, nikoli u modelu baterie.

Před výběrem buněk by měl tým OEM definovat:

• Provozní napětí zařízení

• Maximální vstupní napětí

• Minimální provozní napětí

• Trvalá spotřeba energie

• Spuštění nebo špičková spotřeba energie

• Předpokládaná doba provozu

• Způsob nabíjení

• Dostupné místo na baterii

• Pozice konektoru a kabelu

• Provozní teplota

• Životní cyklus produktu

• Očekávaný objem výroby

Baterie by měla být hodnocena jako součást kompletního napájecího systému. Nabíječka, obvod pro řízení napájení, motor, ovladač, displej, komunikační modul a další zátěže mohou ovlivnit specifikaci baterie.

Zařízení může například spotřebovávat pouze malý průměrný proud, ale vyžaduje vysoký proudový impuls, když se motor spustí nebo bezdrátový modul vysílá. Pokud se uvažuje pouze průměrný výkon, baterie se může jevit jako vhodná, ale během skutečného provozu selže.

Pro požadavky OEM, jako je velikost, kapacita, napětí, BMS a konektor, ZERNE's zakázková bateriová řešení poskytují relevantní komerční vstupní bod.

2. Vyberte požadované napětí baterie

Napětí určuje, zda baterie může spolupracovat s elektrickým systémem zařízení.

Pro mnoho standardních lithium-iontových a lithium-polymerových článků je běžné jmenovité napětí přibližně 3,6 V nebo 3,7 V, zatímco napětí při plném nabití je běžně kolem 4,2 V. Přesné hodnoty závisí na chemii a specifikaci článku.

Když jsou články zapojeny do série, napětí se zvyšuje.

Tyto hodnoty jsou společnými referenčními body pro standardní konfigurace Li-ion nebo LiPo. Vlastní konstrukce baterie musí odpovídat datovému listu vybraného článku a požadavkům na nabíjecí systém.

Rozsah vstupního napětí zařízení by měl být pečlivě zkontrolován. Baterie označená 7,4 V nezůstává během provozu přesně na 7,4 V. Jeho napětí se během nabíjení a vybíjení mění.

Jmenovité napětí a provozní napětí

OEM inženýři by měli rozlišovat mezi:

• Jmenovité napětí

• Napětí při plném nabití

• Typické provozní napětí

• Vypínací napětí

• Minimální vstupní napětí zařízení

• Maximální vstupní napětí zařízení

Zařízení, které akceptuje pouze úzký rozsah napětí, může vyžadovat DC-DC měnič, regulátor napětí nebo specifickou strategii správy baterie.

Praktický příklad: Výběr baterie pro 7,4 V zařízení

Pokud OEM zařízení vyžaduje jmenovité napětí baterie přibližně 7,4 V, typické řešení může používat dva 3,7 V články v sérii, známé jako konfigurace 2S.

Návrhářský tým však musí stále zkontrolovat:

• Zda zařízení přijímá napětí při plném nabití

• Zda nabíječka podporuje sadu 2S

• Zda je vyžadováno vyvažování buněk

• Zda BMS podporuje dvě sériové buňky

• Zda může zařízení pracovat při minimálním napětí baterie

Pro cílenější srovnání sériových a paralelních konfigurací viz Série vs. paralelní baterie.

3. Určete požadovanou kapacitu

Kapacita popisuje, kolik elektrického náboje dokáže baterie uložit a běžně se vyjadřuje v miliampérhodinách nebo ampérhodinách.

Samotná kapacita však plně nepopisuje dostupnou energii. Energie závisí jak na napětí, tak na kapacitě.

Základní vztah je:

Energie ve watthodinách = napětí ve voltech × kapacita v ampérhodinách

Například:

• 3,7 V × 1 Ah = 3,7 Wh

• 7,4 V × 2 Ah = 14,8 Wh

• 14,8 V × 3 Ah = 44,4 Wh

Při porovnávání různých konfigurací baterií jsou watthodiny často užitečnější než miliampérhodiny, protože napětí se může lišit.

Příklad S články 3,7 V, 1000 mAh

Předpokládejme, že každá buňka má:

• Jmenovité napětí: 3,7V

• Kapacita: 1000 mAh nebo 1 Ah

Různé konfigurace poskytují různé výsledky:

Sériová připojení zvyšují napětí. Paralelní připojení zvyšují kapacitu. Sériově paralelní konfigurace může zvýšit obojí.

Měl by být zpracován podrobný výpočet počtu článků, sériového a paralelního připojení Jak vypočítat kapacitu lithium-iontové baterie.

4. Porovnejte spojitý a špičkový proud

Baterie musí poskytovat dostatek proudu jak pro normální provoz, tak pro dočasnou špičkovou spotřebu.

Kupující OEM by měli identifikovat:

• Průměrný provozní proud

• Trvalý proud

• Špičkový proud

• Doba ve špičce

• Startovací proud

• Pracovní cyklus

• Minimální napětí baterie při špičkovém zatížení

Bateriový článek, BMS, vodiče, svařovací body a konektor musí podporovat požadovaný proud. Akumulátor může obsahovat dostatek uložené energie, ale přesto selže, pokud jeho vybíjecí cesta nemůže podporovat aktuální požadavky zařízení.

Trvalý proud

Trvalý proud je proud, který musí baterie dodávat během normálního provozu. Ovlivňuje výběr článku, velikost vodiče, hodnocení BMS a tepelný design.

Špičkový proud

Špičkový proud se může objevit během:

• Startování motoru

• Bezdrátový přenos

• Topení

• Provoz čerpadla

• Aktivace osvětlení

• Rychlá činnost procesoru

• Dočasný vysoký výkon

Doba trvání vrcholu je důležitá. Baterie, která podporuje krátký impuls, nemusí podporovat stejný proud nepřetržitě.

Vztah proudu a moci

Když je znám výkon zařízení, proud lze odhadnout pomocí:

Proud = Výkon ÷ Napětí

Například zátěž 20 W dodávaná 7,4 V baterií by vyžadovala přibližně:

20 W ÷ 7,4 V ≈ 2,7 A

Skutečný návrh by měl také vzít v úvahu převodní ztráty, kolísání napětí, špičkovou poptávku a teplotu.

5. Vyberte konfiguraci Series a Parallel

Sériově paralelní konfigurace definuje elektrickou strukturu baterie.

Sériové připojení

Články zapojené do série zvyšují napětí, zatímco ampérhodinová kapacita zůstává přibližně stejná jako u jednoho článku.

Sada 2S1P vyrobená z 3,7 V, 1000 mAh článků poskytuje přibližně:

• Jmenovité napětí 7,4 V

• Kapacita 1000 mAh

Paralelní připojení

Paralelně zapojené články zvyšují kapacitu a proudovou kapacitu, přičemž napětí zůstává přibližně stejné jako u jednoho článku.

Balíček 1S2P vyrobený ze stejných článků poskytuje přibližně:

• 3,7 V jmenovité napětí

• Kapacita 2000 mAh

Sériově paralelní připojení

Balíček 2S2P poskytuje přibližně:

• Jmenovité napětí 7,4 V

• Kapacita 2000 mAh

Návrh musí také vzít v úvahu:

• Shoda buněk

• Vyrovnávání

• Ochrana

• Způsob svařování nebo spojování

• Rozměry balení

• Tvorba tepla

• Architektura BMS

Princip je jednoduchý, ale konečný návrh by měl být porovnán se skutečným zařízením a výrobním procesem. Článek Série vs. paralelní baterie poskytují užší srovnání.

6. Vyberte Formát pravé buňky a Stupeň výkonu

Fyzikální a elektrické vlastnosti článku ovlivňují celkový design balení.

Mezi důležité parametry buňky patří:

• Formát buňky

• Rozměry

• Nominální kapacita

• Rychlost vybíjení

• Vnitřní odpor

• Výkon cyklu

• Provozní teplota

• Podmínky nabíjení

• Hmotnost

• Dostupnost

• Konzistence výroby

Vakové buňky mohou podporovat tenké nebo tvarované konstrukce. Válcové články mohou nabízet standardizované rozměry a mechanickou konzistenci. Nejlepší formát závisí na hostitelském zařízení a požadovaném výkonu.

Výběr buněk by neměl být založen pouze na kapacitě. Článek s vyšší kapacitou může být nevhodný, pokud nemůže poskytnout požadovaný proud nebo se vejde do dostupného prostoru.

Konkrétní srovnání válcových formátů buněk viz 26650 vs. 18650 Baterie: Velikost, napětí a kapacita.

Porovnání buněk

U balíčků s více buňkami by měly být buňky spárovány podle příslušných parametrů, jako jsou:

• Kapacita

• Napětí

• Vnitřní odpor

• Výrobní šarže

• Stav stárnutí

Nekonzistence článků může ovlivnit vyvážení, použitelnou kapacitu, teplotu a životnost. Podrobná diskuse k tomuto problému je k dispozici v Proč jsou lithium-iontové baterie nekonzistentní a co dělat.

7. Rozhodněte, zda balíček potřebuje PCM nebo BMS

Ochranná elektronika je nezbytnou součástí většiny dobíjecích lithiových baterií.

PCM

Pro jednodušší konfiguraci baterie může být vhodný modul ochranného obvodu. Může poskytovat základní funkce jako:

• Ochrana proti přebití

• Ochrana proti nadměrnému vybití

• Nadproudová ochrana

• Ochrana proti zkratu

BMS

Pokud sada obsahuje více článků nebo potřebuje další ovládací a komunikační funkce, může být vyžadován pokročilejší systém správy baterie.

BMS může podporovat:

• Monitorování napětí článků

• Vyvažování buněk

• Aktuální sledování

• Monitorování teploty

• Odhad stavu nabití

• Detekce závad

• Komunikace s hostitelským zařízením

• Ovládání nabíjení a vybíjení

• Záznam události nebo poruchy

Kdy je BMS vhodnější?

BMS je obvykle relevantnější, když:

• Baterie obsahuje několik článků v sérii

• Je vyžadováno vyvážení buněk

• Zařízení potřebuje informace o stavu baterie

• Baterie pracuje pod vysokým proudem

• Aplikace vyžaduje podrobné sledování poruch

• Hostitelské zařízení komunikuje s baterií

• Projekt vyžaduje funkci chytré baterie

Návrh by měl definovat požadavky na BMS před vyrobením prototypu. Přechod ze základní ochranné desky na inteligentní BMS později může ovlivnit rozměry baterie, konektor, firmware, testování a cenu.

Další informace o tom, jak správa baterie ovlivňuje stav nabití a chování baterie, viz Proč poslední 1 procento vaší lithium-iontové baterie drží lépe, než si myslíte.

8. Odhadněte výdrž baterie

Doba chodu závisí na využitelné energii baterie a skutečné spotřebě energie zařízení.

Základní odhad je:

Odhadovaná doba provozu = energie baterie × využitelná účinnost ÷ výkon zařízení

Pro baterii specifikovanou napětím a kapacitou:

Energie baterie = jmenovité napětí × kapacita v ampérhodinách

Příklad běhu

Převzít:

• Baterie: 7,4 V, 2000 mAh

• Nominální energie: 7,4 V × 2 Ah = 14,8 Wh

• Odhadovaná využitelná účinnost systému: 85 %

• Výkon zařízení: 5W

Využitelná energie:

14,8 Wh × 0,85 = 12,58 Wh

Odhadovaná doba běhu:

12,58 Wh ÷ 5 W ≈ 2,5 hodiny

Toto je technický odhad, nikoli garantovaná provozní doba.

Skutečná doba běhu může být ovlivněna:

• Variabilní zatížení zařízení

• Účinnost přeměny napětí

• Nastavení odpojení baterie

• Teplota

• Stáří baterie

• Rychlost vybíjení

• Odolnost buněk

• Limity ochrany BMS

• Spotřeba zařízení v pohotovostním režimu

Kompletní způsob výpočtu doby běhu viz Jak vypočítat dobu běhu pro lithiovou baterii.

9. Zkontrolujte mechanickou integraci

Elektrický výkon je pouze jednou součástí konstrukce bateriového bloku. Baterie musí také bezpečně zapadnout do hostitelského produktu.

Návrh by měl definovat:

• Maximální délka

• Maximální šířka

• Maximální tloušťka

• Směr instalace

• Způsob montáže

• Přístup ke konektoru

• Kabelový výstup

• Limity komprese

• Vystavení vibracím

• Zdroje tepla

• Požadavky na servis a výměnu

Pouzdro baterie by nemělo být stlačeno ostrými hranami nebo soustředěným tlakem. Válcové balení může vyžadovat držáky, rozpěrky nebo konstrukční ochranu. Prostor pro baterie by měl zohledňovat výrobní tolerance a očekávané provozní prostředí.

Detailní design přihrádky, vůle, přídavky na teplo a bobtnání jsou uvedeny samostatně Design přihrádky na baterie LiPo: Vůle a bobtnání.

V tomto článku je hlavní princip návrhu:

Přihrádka na baterie by měla být navržena společně s baterií, nikoli poté, co již byla baterie vybrána.

10. Definujte požadavky na konektor a kabel

Konektor a kabel jsou součástí bateriového rozhraní.

Týmy OEM by měly specifikovat:

• Typ konektoru

• Počet kolíků

• Aktuální hodnocení

• Jmenovité napětí

• Polarita

• Způsob zamykání

• Délka kabelu

• Měřidlo drátu

• Pozice výstupu drátu

• Odlehčení tahu

• Prostor pro instalaci

• Požadované signální nebo komunikační linky

Napájecí konektor se může lišit od komunikačního konektoru. Inteligentní BMS může vyžadovat další signální kolíky pro datovou komunikaci, snímání teploty nebo identifikaci.

Výběr konektoru by měl také vzít v úvahu montáž, cykly spojování, vibrace a údržbu na místě.

Podrobný výběr konektoru je mimo rozsah tohoto přehledu návrhu a je uveden v Jak vybrat konektor pro vlastní lithiovou baterii.

11. Zvažte požadavky na nabíjení

Akumulátor musí být kompatibilní s nabíječkou a nabíjecím systémem.

Kupující OEM by měli definovat:

• Nabíjecí napětí

• Nabíjecí proud

• Doba nabíjení

• Způsob nabíjení

• Tolerance výstupu nabíječky

• Teplotní limity

• Způsob ukončení nabíjení

• Požadavky na vyvažování

• Zda je baterie nabíjena uvnitř nebo vně zařízení

Akumulátor 2S nelze nabíjet pomocí nabíječky určené pro jeden článek. Nabíjecí systém musí odpovídat konfiguraci balení a ochranné elektronice.

BMS nebo PCM by také měly být kompatibilní s provozními podmínkami nabíječky. Chování při nabíjení může ovlivnit životnost baterie, teplotu a bezpečnost, proto by mělo být testováno se skutečným zařízením a nabíječkou.

12. Sestavte kompletní specifikaci návrhu baterie

Před vyžádáním prototypu by měl tým OEM spojit elektrické, mechanické a rozhraní do jedné kontrolované specifikace.

Užitečná specifikace by měla obsahovat:

Podrobný balíček požadavků omezuje přepracování a usnadňuje porovnání nabídek dodavatelů.

13. Zpracovaný příklad OEM: Návrh 7,4 V bateriového bloku

Předpokládejme, že OEM zařízení vyžaduje:

• Jmenovité napětí: přibližně 7,4 V

• Cílová kapacita: 2000 mAh

• Průměrný výkon: 5W

• Špičkový proud: vyšší než normální provozní proud

• Kompaktní obdélníkový instalační prostor

• Dobíjecí provoz

• Sledování stavu baterie

Možný směr předběžného návrhu by mohl být:

• Dva články v sérii pro konfiguraci 2S

• Dvě paralelní dráhy buněk pro požadovanou kapacitu

• BMS s vyvažováním buněk

• Monitorování teploty

• Vlastní konektor

• Sada navržená kolem krytu hostitelského zařízení

• Ověření doby chodu při skutečné zátěži 5 W

Použití dvou 1000 mAh článků paralelně pro každou sériovou skupinu vytvoří přibližně 7,4 V, 2000 mAh baterii.

Nominální energie je:

7,4 V × 2 Ah = 14,8 Wh

Při použití odhadované 85% využitelné účinnosti systému je očekávaná využitelná energie přibližně:

14,8 Wh × 0,85 = 12,58 Wh

Při nepřetržitém zatížení 5 W je počáteční odhad doby běhu přibližně:

12,58 Wh ÷ 5 W = 2,5 hodiny

Před schválením musí konstrukční tým ještě ověřit:

• Aktuální aktuální poptávka

• Odezva špičkového proudu

• Kompatibilita nabíječky

• Nastavení BMS

• Tepelné chování

• Mechanické uchycení

• Spolehlivost konektoru

• Doba běhu za reálných podmínek zařízení

Tento příklad ilustruje logiku návrhu. Nemělo by nahrazovat technické posouzení baterií specifické pro aplikaci.

Běžné konstrukční chyby lithium-iontové baterie

Výběr kapacity před kontrolou napětí

Baterie s dostatkem mAh může být stále nekompatibilní se zařízením, pokud je její rozsah napětí nesprávný.

Pouze pomocí průměrného proudu

Špičkový odběr může způsobit pokles napětí, přerušení BMS nebo přehřátí konektoru, i když se průměrná spotřeba zdá přijatelná.

Nakládání s nominálním napětím jako konstantní

Napětí baterie se během nabíjení a vybíjení mění. Zařízení musí tolerovat celý provozní rozsah.

Výběr BMS příliš pozdě

Rozměry BMS, zapojení, komunikace a testování mohou ovlivnit celý design balení.

Ignorování mechanických omezení

Baterie, která funguje elektricky, se nemusí vejít do krytu nebo může dojít ke škodlivé kompresi.

Za předpokladu, že se doba běhu rovná jmenovité kapacitě

Jmenovitá kapacita se nerovná využitelné energii při každém zatížení a teplotních podmínkách.

Porovnání balíčků pouze podle kapacity

Dvě sady se stejnou kapacitou se mohou lišit kvalitou článku, vybíjecí schopností, funkcemi BMS, rozměry a testováním.

Kontrolní seznam návrhu lithium-iontové baterie

Před schválením návrhu potvrďte:

• Rozsah napětí zařízení je definován

• Je identifikováno jmenovité, minimální a maximální napětí baterie

• Je definována kapacita a využitelná energie

• Je znám trvalý a špičkový proud

• Je zvolena sériová a paralelní konfigurace

• Je identifikován model buňky a výkonnostní stupeň

• Jsou definovány požadavky na shodu buněk

• Jsou specifikovány funkce PCM nebo BMS

• Podmínky nabíjení jsou potvrzeny

• Rozměry baterie jsou kontrolovány

• Požadavky na konektor a kabel jsou zdokumentovány

• Provozní teplota je definována

• Je uveden cíl běhu

• Plánuje se testování integrace hostitelského zařízení

• Jsou definována kritéria pro schválení prototypu

• Požadavky na výrobu a řízení změn jsou srozumitelné

Širší nákupní kritéria OEM viz Jak vybrat dobíjecí lithium-iontovou baterii pro zařízení OEM.

FAQ

Co je nejdůležitějším faktorem při návrhu lithium-iontové baterie?

Nejdůležitějším faktorem je přizpůsobení baterie úplným elektrickým a mechanickým požadavkům hostitelského zařízení. Napětí, kapacita, proud, BMS, rozměry a nabíjení musí být vyhodnoceny společně.

Jak vypočítám energii lithium-iontové baterie?

Vynásobte jmenovité napětí kapacitou v ampérhodinách. Například baterie 7,4 V, 2 Ah má přibližně 14,8 Wh nominální energie.

Zvyšuje sériové zapojení článků kapacitu?

č. Sériová připojení primárně zvyšují napětí. Paralelní připojení zvyšují kapacitu a proudovou kapacitu. Sériově paralelní konfigurace může zvýšit napětí i kapacitu.

Potřebuje každá lithiová baterie BMS?

Požadovaný ochranný systém závisí na konfiguraci sady a aplikaci. Jednoduchá sada s jednou buňkou může používat PCM, zatímco sada s více buňkami může vyžadovat BMS s vyvažovacími a monitorovacími funkcemi.

Jak dlouho poběží zařízení s lithiovou baterií?

Doba chodu závisí na energii baterie, výkonu zařízení, účinnosti konverze, nastavení cutoff, teplotě a kolísání zátěže. Základním odhadem jsou watthodiny baterie dělené výkonem zařízení, upravené pro použitelnou účinnost.

Jaký je rozdíl mezi vlastní baterií a standardní baterií?

Zakázková baterie je navržena podle požadavků na napětí, kapacitu, proud, rozměry, konektor, BMS a aplikaci OEM produktu. Standardní balíček obvykle používá předdefinovanou konfiguraci.

Mělo by se nejprve zvolit napětí nebo kapacita?

Napěťový rozsah zařízení by měl být normálně stanoven jako první. Kapacita pak může být zvolena podle doby provozu, dostupného prostoru, aktuální poptávky a hmotnostních omezení.

Závěr

Konstrukce lithium-iontové baterie je proces na systémové úrovni. Spolehlivý návrh musí připojit:

• Napětí

• Kapacita

• Energie

• Aktuální poptávka

• Sériová a paralelní konfigurace

• Výběr buňky

• PCM nebo BMS

• Nabíjení

• Doba běhu

• Mechanická integrace

• Požadavky na konektor

• Zkušební a výrobní potřeby

3,7 V článek lze konfigurovat do různých bateriových sad v závislosti na požadovaném napětí a kapacitě. Elektrická konfigurace je však pouze jednou částí návrhu. Baterie musí také správně fungovat s nabíječkou, hostitelským zařízením, ochranným systémem a mechanickým krytem.

Pokud vyvíjíte vlastní lithium-iontovou baterii, sdílejte aplikaci, cílové napětí, kapacitu, aktuální poptávku, rozměry, požadavky na konektory, cílovou dobu běhu a očekávaný objem výroby s technickým týmem ZERNE. ZERNE podporuje vlastní vývoj lithiových baterií pro projekty OEM a ODM, od počátečního přezkoumání požadavků přes vývoj vzorků a plánování výroby.