Visualizzazioni: 0 Autore: ZERNE Battery Technical Content Team Orario di pubblicazione: 25/08/2026 Origine: Sito
Una batteria agli ioni di litio non è definita solo dalla capacità. Un pacco adeguato deve fornire la tensione richiesta, fornire sufficiente energia utilizzabile, supportare la richiesta di corrente del dispositivo, adattarsi allo spazio disponibile e includere le giuste funzioni di protezione.
Per un progetto OEM, la progettazione del pacco batteria implica anche decisioni su:
Selezione delle celle
Configurazione in serie e in parallelo
Voltaggio nominale
Capacità
Corrente di picco e continua
BMS o PCM
Metodo di ricarica
Connettore e cavo
Integrazione meccanica
Temperatura operativa
Autonomia prevista
Requisiti di test e produzione
Un pacco batteria potrebbe avere la capacità corretta ma il voltaggio sbagliato. Potrebbe fornire energia sufficiente ma non funzionare durante i picchi di domanda di corrente. Potrebbe adattarsi al contenitore ma non avere le funzioni di protezione o comunicazione richieste dal dispositivo host.
Questa guida spiega i principi fondamentali della progettazione delle batterie agli ioni di litio e mostra come i team OEM possono collegare i requisiti elettrici, meccanici e di sistema prima di passare allo sviluppo dettagliato.
Per soluzioni di pacchi batteria commerciali, vedere ZERNE pacchi batterie al litio . La pagina del prodotto è destinata a domande su prodotti e soluzioni, mentre questo articolo si concentra sulle decisioni ingegneristiche alla base della progettazione del pacco batteria.
Un pacco batteria agli ioni di litio dovrebbe essere progettato tenendo conto dei seguenti fattori:
Tensione operativa richiesta
Capacità target ed energia utilizzabile
Corrente continua e di picco
Configurazione di celle in serie e parallelo
Funzioni di protezione BMS o PCM
Tensione di carica e corrente di carica
Vano batteria disponibile
Requisiti del connettore e del cavo
Temperatura operativa e di stoccaggio
Tempo di esecuzione richiesto
Esigenze di test e conformità
Volume di produzione previsto
Il design corretto è quello che soddisfa i requisiti elettrici e meccanici del dispositivo host mantenendo una produzione sicura e ripetibile.
La progettazione del pacco batteria dovrebbe iniziare con il dispositivo, non con il modello della batteria.
Prima di selezionare le celle, il team OEM dovrebbe definire:
Tensione operativa del dispositivo
Tensione di ingresso massima
Tensione operativa minima
Richiesta di energia continua
Richiesta di potenza all'avvio o al picco
Tempo di funzionamento previsto
Metodo di ricarica
Spazio disponibile nella batteria
Posizione del connettore e del cavo
Temperatura operativa
Ciclo di vita del prodotto
Volume di produzione previsto
La batteria dovrebbe essere valutata come parte del sistema di alimentazione completo. Il caricabatterie, il circuito di gestione dell'alimentazione, il motore, il controller, il display, il modulo di comunicazione e altri carichi possono influenzare le specifiche della batteria.
Ad esempio, un dispositivo può consumare solo una piccola corrente media ma richiedere un impulso di corrente elevato quando un motore si avvia o un modulo wireless trasmette. Se si considera solo la potenza media, la batteria potrebbe sembrare idonea ma guastarsi durante il funzionamento effettivo.
Per i requisiti OEM quali dimensioni, capacità, tensione, BMS e connettore, ZERNE le soluzioni di batterie personalizzate forniscono un punto di ingresso commerciale rilevante.
La tensione determina se la batteria può funzionare con il sistema elettrico del dispositivo.
Per molte celle standard agli ioni di litio e ai polimeri di litio, la tensione nominale comune è di circa 3,6 V o 3,7 V, mentre la tensione di carica completa è comunemente di circa 4,2 V. I valori esatti dipendono dalla chimica e dalle specifiche della cella.
Quando le celle sono collegate in serie, la tensione aumenta.
Configurazione |
Tensione nominale |
Tipica tensione a piena carica |
|---|---|---|
1S |
3,7 V |
4,2 V |
2S |
7,4 V |
8,4 V |
3S |
11,1 V |
12,6 V |
4S |
14,8 V |
16,8 V |
Questi valori sono punti di riferimento comuni per le configurazioni standard Li-ion o LiPo. Il design effettivo della batteria deve seguire la scheda tecnica della cella selezionata e i requisiti del sistema di ricarica.
L'intervallo di tensione in ingresso del dispositivo deve essere controllato attentamente. Una batteria etichettata 7,4 V non rimane esattamente a 7,4 V durante il funzionamento. La sua tensione cambia durante la carica e la scarica.
Gli ingegneri OEM dovrebbero distinguere tra:
Voltaggio nominale
Tensione di carica completa
Tensione operativa tipica
Tensione di interruzione
Tensione minima in ingresso del dispositivo
Tensione massima in ingresso del dispositivo
Un dispositivo che accetta solo un intervallo di tensione ristretto può richiedere un convertitore CC-CC, un regolatore di tensione o una strategia specifica di gestione della batteria.
Se un dispositivo OEM richiede una tensione nominale della batteria di circa 7,4 V, una soluzione tipica può utilizzare due celle da 3,7 V in serie, nota come configurazione 2S.
Tuttavia, il team di progettazione deve comunque verificare:
Se il dispositivo accetta la tensione di carica completa
Se il caricabatterie supporta il pacchetto 2S
Se è necessario il bilanciamento delle celle
Se il BMS supporta due celle in serie
Se il dispositivo può funzionare alla tensione minima del pacco
Per un confronto più mirato tra configurazioni in serie e in parallelo, vedere Pacchi batteria in serie o in parallelo.
La capacità descrive la quantità di carica elettrica che la batteria può immagazzinare ed è comunemente espressa in milliampere o ampere.
Tuttavia, la capacità da sola non descrive completamente l’energia disponibile. L'energia dipende sia dalla tensione che dalla capacità.
La relazione fondamentale è:
Energia in wattora = Tensione in volt × Capacità in ampere-ora
Per esempio:
3,7 V × 1 Ah = 3,7 Wh
7,4 V × 2 Ah = 14,8 Wh
14,8 V × 3 Ah = 44,4 Wh
Quando si confrontano diverse configurazioni di batteria, i wattora sono spesso più utili dei milliampora perché la tensione può essere diversa.
Supponiamo che ogni cella abbia:
Voltaggio nominale: 3,7 V
Capacità: 1000 mAh o 1 Ah
Configurazioni diverse producono risultati diversi:
Configurazione |
Tensione nominale |
Capacità |
ca. Energia |
|---|---|---|---|
1S1P |
3,7 V |
1000 mAh |
3,7 Wh |
2S1P |
7,4 V |
1000 mAh |
7,4 Wh |
1S2P |
3,7 V |
2000 mAh |
7,4 Wh |
2S2P |
7,4 V |
2000 mAh |
14,8 Wh |
I collegamenti in serie aumentano la tensione. Le connessioni parallele aumentano la capacità. Una configurazione serie-parallelo può aumentare entrambi.
È necessario gestire il calcolo dettagliato del conteggio delle celle, della connessione in serie e della connessione in parallelo Come calcolare la capacità della batteria agli ioni di litio.
Un pacco batteria deve fornire corrente sufficiente sia per il normale funzionamento che per la domanda di picco temporanea.
Gli acquirenti OEM dovrebbero identificare:
Corrente operativa media
Corrente continua
Corrente di picco
Durata del picco
Corrente di avvio
Ciclo di lavoro
Voltaggio minimo della batteria durante il carico di punta
La cella della batteria, il BMS, i cavi, i punti di saldatura e il connettore devono tutti supportare la corrente richiesta. Un pacco può contenere abbastanza energia immagazzinata ma comunque guastarsi se il suo percorso di scarico non è in grado di supportare la domanda attuale del dispositivo.
La corrente continua è la corrente che la batteria deve erogare durante il normale funzionamento. Influisce sulla selezione della cella, sulla dimensione del conduttore, sulla classificazione BMS e sulla progettazione termica.
La corrente di picco può verificarsi durante:
Avviamento del motore
Trasmissione senza fili
Riscaldamento
Funzionamento della pompa
Attivazione dell'illuminazione
Attività rapida del processore
Uscita temporanea ad alta potenza
La durata del picco è importante. Una batteria che supporta un impulso breve potrebbe non supportare la stessa corrente in modo continuo.
Quando si conosce la potenza del dispositivo, la corrente può essere stimata utilizzando:
Corrente = Potenza ÷ Tensione
Ad esempio, un carico di 20 W alimentato da una batteria da 7,4 V richiederebbe circa:
20 W ÷ 7,4 V ≈ 2,7 A
La progettazione effettiva dovrebbe considerare anche le perdite di conversione, la variazione di tensione, la domanda di picco e la temperatura.
La configurazione serie-parallelo definisce la struttura elettrica del pacco batteria.
Le celle collegate in serie aumentano la tensione mentre la capacità ampere-ora rimane approssimativamente uguale a quella di una cella.
Un pacco 2S1P composto da celle da 3,7 V, 1000 mAh fornisce circa:
Voltaggio nominale 7,4 V
Capacità 1000 mAh
Le celle collegate in parallelo aumentano la capacità e la capacità di corrente mentre la tensione rimane approssimativamente uguale a quella di una cella.
Un pacco 1S2P costituito dalle stesse celle fornisce circa:
Voltaggio nominale 3,7 V
Capacità 2000 mAh
Un pacchetto 2S2P fornisce circa:
Voltaggio nominale 7,4 V
Capacità 2000 mAh
La progettazione deve inoltre considerare:
Corrispondenza delle celle
Bilanciamento
Protezione
Metodo di saldatura o connessione
Dimensioni dell'imballo
Generazione di calore
Architettura BMS
Il principio è semplice, ma il progetto finale deve essere confrontato con il dispositivo e il processo di produzione effettivi. L'articolo I pacchi batteria in serie e in parallelo forniscono un confronto più ristretto.
Le caratteristiche fisiche ed elettriche della cella influiscono sulla progettazione del pacco completo.
I parametri importanti della cella includono:
Formato cella
Dimensioni
Capacità nominale
Tasso di scarico
Resistenza interna
Prestazioni del ciclo
Temperatura operativa
Condizioni di ricarica
Peso
Disponibilità
Consistenza della produzione
Le celle a sacchetto possono supportare design sottili o sagomati. Le celle cilindriche possono offrire dimensioni standardizzate e consistenza meccanica. Il formato migliore dipende dal dispositivo host e dalle prestazioni richieste.
La selezione delle celle non dovrebbe basarsi solo sulla capacità. Una cella con una capacità maggiore potrebbe non essere adatta se non è in grado di fornire la corrente richiesta o di adattarsi allo spazio disponibile.
Per un confronto specifico dei formati di celle cilindriche, cfr Batteria 26650 vs. 18650: dimensioni, voltaggio e capacità.
Per i pacchi multicella, le celle devono essere abbinate in base a parametri rilevanti quali:
Capacità
Voltaggio
Resistenza interna
Lotto di produzione
Condizione di invecchiamento
L'incoerenza delle celle può influire sul bilanciamento, sulla capacità utilizzabile, sulla temperatura e sulla durata. Una discussione dettagliata su questo problema è disponibile in Perché i pacchi batteria agli ioni di litio diventano incoerenti e cosa fare.
L'elettronica di protezione è una parte essenziale della maggior parte dei pacchi batterie al litio ricaricabili.
Un modulo del circuito di protezione può essere adatto per una configurazione della batteria più semplice. Può fornire funzioni di base come:
Protezione da sovraccarico
Protezione da scarica eccessiva
Protezione da sovracorrente
Protezione da cortocircuito
Potrebbe essere necessario un sistema di gestione della batteria più avanzato quando il pacco include più celle o necessita di funzioni di controllo e comunicazione aggiuntive.
Un BMS può supportare:
Monitoraggio della tensione delle celle
Bilanciamento cellulare
Monitoraggio corrente
Monitoraggio della temperatura
Stima dello stato di carica
Rilevamento guasti
Comunicazione con il dispositivo host
Controllo di carica e scarica
Registrazione di eventi o guasti
Un BMS è solitamente più rilevante quando:
La batteria contiene più celle in serie
È necessario il bilanciamento delle celle
Il dispositivo necessita di informazioni sullo stato della batteria
La batteria funziona con corrente elevata
L'applicazione richiede un monitoraggio dettagliato dei guasti
Il dispositivo host comunica con la batteria
Il progetto richiede una funzione di batteria intelligente
La progettazione dovrebbe definire i requisiti del BMS prima che il prototipo venga prodotto. Il passaggio successivo da una scheda di protezione di base a un BMS intelligente può influire sulle dimensioni della batteria, sul connettore, sul firmware, sui test e sui costi.
Per ulteriori informazioni su come la gestione della batteria influisce sullo stato di carica e sul comportamento della batteria, vedere Perché l'ultimo 1% della tua batteria agli ioni di litio regge meglio di quanto pensi.
L'autonomia dipende dall'energia utilizzabile della batteria e dall'effettiva richiesta di energia del dispositivo.
Una stima di base è:
Autonomia stimata = Energia della batteria × efficienza utilizzabile ÷ potenza del dispositivo
Per una batteria specificata per tensione e capacità:
Energia della batteria = Voltaggio nominale × Capacità in ampere-ora
Assumere:
Pacco batteria: 7,4 V, 2000 mAh
Energia nominale: 7,4 V × 2 Ah = 14,8 Wh
Efficienza utilizzabile stimata del sistema: 85%
Potenza del dispositivo: 5 W
Energia utilizzabile:
14,8 Wh × 0,85 = 12,58 Wh
Autonomia stimata:
12,58 Wh ÷ 5 W ≈ 2,5 ore
Si tratta di una stima tecnica, non di un tempo di funzionamento garantito.
Il tempo di esecuzione effettivo può essere influenzato da:
Carico variabile del dispositivo
Efficienza di conversione della tensione
Impostazioni di interruzione della batteria
Temperatura
Età della batteria
Tasso di scarico
Resistenza cellulare
Limiti di protezione BMS
Consumo in standby del dispositivo
Per un metodo completo di calcolo del runtime, vedere Come calcolare l'autonomia di una batteria al litio.
Le prestazioni elettriche sono solo una parte della progettazione del pacco batteria. La batteria deve inoltre essere inserita in modo sicuro nel prodotto host.
Il progetto dovrebbe definire:
Lunghezza massima
Larghezza massima
Spessore massimo
Direzione di installazione
Metodo di montaggio
Accesso al connettore
Uscita cavo
Limiti di compressione
Esposizione alle vibrazioni
Fonti di calore
Requisiti di assistenza e sostituzione
Una batteria a sacchetto non deve essere compressa da bordi taglienti o pressione concentrata. Un pacco cilindrico può richiedere supporti, distanziatori o protezioni strutturali. Il vano batteria deve tenere conto delle tolleranze di produzione e dell'ambiente operativo previsto.
La progettazione dettagliata del compartimento, lo spazio libero, le tolleranze di calore e rigonfiamento sono trattati separatamente nel documento Design del vano batteria LiPo: spazio e rigonfiamento.
In questo articolo, il principio di progettazione principale è:
Il vano batteria deve essere progettato insieme alla batteria e non dopo aver già selezionato la batteria.
Il connettore e il cavo fanno parte dell'interfaccia della batteria.
I team OEM devono specificare:
Tipo di connettore
Numero di pin
Valutazione attuale
Valutazione della tensione
Polarità
Metodo di blocco
Lunghezza del cavo
Calibro del filo
Posizione di uscita del filo
Pressacavo
Spazio per l'installazione
Linee di segnale o di comunicazione richieste
Il connettore di alimentazione potrebbe essere diverso dal connettore di comunicazione. Un BMS intelligente può richiedere pin di segnale aggiuntivi per la comunicazione dei dati, il rilevamento della temperatura o l’identificazione.
La scelta del connettore dovrebbe considerare anche l'assemblaggio, i cicli di accoppiamento, le vibrazioni e la manutenzione sul campo.
La selezione dettagliata del connettore non rientra nell'ambito di questa panoramica della progettazione e viene affrontata in Come scegliere un connettore per un pacco batteria al litio personalizzato.
La batteria deve essere compatibile con il caricabatterie e il sistema di ricarica.
Gli acquirenti OEM devono definire:
Tensione di carica
Corrente di carica
Tempo di ricarica
Metodo di ricarica
Tolleranza di uscita del caricatore
Limiti di temperatura
Metodo di terminazione della carica
Requisiti di bilanciamento
Se la batteria viene caricata all'interno o all'esterno del dispositivo
Non è possibile caricare una batteria 2S utilizzando un caricabatterie progettato per una singola cella. Il sistema di ricarica deve corrispondere alla configurazione del pacco e all'elettronica di protezione.
Anche il BMS o il PCM dovrebbero essere compatibili con le condizioni operative del caricabatterie. Il comportamento di ricarica può influire sulla durata, sulla temperatura e sulla sicurezza della batteria, quindi dovrebbe essere testato con il dispositivo e il caricabatterie reali.
Prima di richiedere un prototipo, il team OEM dovrebbe combinare i requisiti elettrici, meccanici e di interfaccia in un'unica specifica controllata.
Una specifica utile dovrebbe includere:
Categoria |
Informazioni richieste |
|---|---|
Applicazione |
Tipo di dispositivo e ambiente operativo |
Voltaggio |
Tensione nominale, minima e massima |
Capacità |
Capacità target ed energia utilizzabile |
Attuale |
Corrente continua e di picco |
Configurazione |
Disposizione delle celle in serie e in parallelo |
Cella |
Formato, modello e requisiti prestazionali |
Protezione |
PCM, BMS, NTC e funzioni di protezione |
In carica |
Tensione, corrente e metodo di carica |
Dimensioni |
Lunghezza, larghezza e spessore massimi |
Connettore |
Tipo, pin, cavo e posizione uscita filo |
Temperatura |
Intervallo di funzionamento e di stoccaggio |
Durata |
Tempo di funzionamento e ciclo di lavoro target |
Test |
Prove elettriche, meccaniche e applicative |
Volume |
Prototipo, pilota e quantità di produzione annuale |
Un pacchetto di requisiti dettagliato riduce le riprogettazioni e semplifica il confronto dei preventivi dei fornitori.
Supponiamo che un dispositivo OEM richieda:
Voltaggio nominale: circa 7,4 V
Capacità prevista: 2000 mAh
Potenza media: 5 W
Corrente di picco: superiore alla normale corrente operativa
Spazio di installazione rettangolare compatto
Funzionamento ricaricabile
Monitoraggio dello stato della batteria
Una possibile direzione progettuale preliminare potrebbe essere:
Due celle in serie per una configurazione 2S
Due percorsi celle paralleli per la capacità richiesta
Un BMS con bilanciamento cellulare
Monitoraggio della temperatura
Un connettore personalizzato
Un pacchetto progettato attorno all'involucro del dispositivo host
Verifica dell'autonomia con il carico effettivo di 5 W
Utilizzando due celle da 1000 mAh in parallelo per ciascun gruppo della serie si produce un pacco da circa 7,4 V, 2000 mAh.
L'energia nominale è:
7,4 V × 2 Ah = 14,8 Wh
Utilizzando un'efficienza utilizzabile del sistema stimata pari all'85%, l'energia utilizzabile prevista è approssimativamente:
14,8 Wh × 0,85 = 12,58 Wh
Con un carico continuo di 5 W, la stima del tempo di funzionamento iniziale è di circa:
12,58 Wh ÷ 5 W = 2,5 ore
Prima dell’approvazione, il team di progettazione deve comunque verificare:
Domanda attuale effettiva
Risposta alla corrente di picco
Compatibilità con caricabatterie
Impostazioni BMS
Comportamento termico
Adattamento meccanico
Affidabilità del connettore
Runtime in condizioni reali del dispositivo
Questo esempio illustra la logica di progettazione. Non dovrebbe sostituire una revisione tecnica della batteria specifica per l'applicazione.
Una batteria con mAh sufficienti potrebbe comunque essere incompatibile con il dispositivo se il suo intervallo di tensione è errato.
La domanda di picco può causare un calo di tensione, un'interruzione del BMS o un surriscaldamento del connettore anche quando il consumo medio appare accettabile.
La tensione della batteria cambia durante la carica e la scarica. Il dispositivo deve tollerare l'intero range operativo.
Le dimensioni, il cablaggio, la comunicazione e i test del BMS possono influenzare l'intera progettazione del pacco.
Una batteria che funziona elettricamente potrebbe non adattarsi alla custodia o subire una compressione dannosa.
La capacità nominale non equivale all'energia utilizzabile in ogni condizione di carico e temperatura.
Due pacchi con la stessa capacità possono differire per qualità delle celle, capacità di scarica, funzioni BMS, dimensioni e test.
Prima di approvare un progetto, confermare:
L'intervallo di tensione del dispositivo è definito
Vengono identificate la tensione nominale, minima e massima della batteria
Vengono definite la capacità e l'energia utilizzabile
Sono note la corrente continua e quella di picco
È selezionata la configurazione in serie e parallelo
Vengono identificati il modello della cella e il grado di prestazione
Sono definiti i requisiti di corrispondenza delle celle
Sono specificate le funzioni PCM o BMS
Le condizioni di ricarica sono confermate
Le dimensioni della batteria sono controllate
I requisiti del connettore e del cavo sono documentati
La temperatura operativa è definita
L'obiettivo di runtime è dichiarato
È previsto il test di integrazione del dispositivo host
Sono definiti i criteri di approvazione del prototipo
Sono compresi i requisiti di produzione e di controllo delle modifiche
Per criteri di acquisto OEM più ampi, vedere Come scegliere una batteria ricaricabile agli ioni di litio per un dispositivo OEM.
Il fattore più importante è abbinare la batteria ai requisiti elettrici e meccanici completi del dispositivo host. Tensione, capacità, corrente, BMS, dimensioni e carica devono essere valutati insieme.
Moltiplicare la tensione nominale per la capacità in ampere-ora. Ad esempio, una batteria da 7,4 V, 2 Ah ha circa 14,8 Wh di energia nominale.
No. I collegamenti in serie aumentano principalmente la tensione. Le connessioni parallele aumentano la capacità e la capacità di corrente. Una configurazione serie-parallelo può aumentare sia la tensione che la capacità.
Il sistema di protezione richiesto dipende dalla configurazione e dall'applicazione del pacco. Un semplice pacco a cella singola può utilizzare un PCM, mentre un pacco multicella può richiedere un BMS con funzioni di bilanciamento e monitoraggio.
L'autonomia dipende dall'energia della batteria, dalla potenza del dispositivo, dall'efficienza di conversione, dalle impostazioni di interruzione, dalla temperatura e dalla variazione del carico. Una stima di base corrisponde ai wattora della batteria divisi per la potenza del dispositivo, adattati per l'efficienza utilizzabile.
Un pacco batteria personalizzato è progettato in base alla tensione, alla capacità, alla corrente, alle dimensioni, al connettore, al BMS e ai requisiti applicativi del prodotto OEM. Un pacchetto standard utilizza solitamente una configurazione predefinita.
Normalmente è necessario stabilire prima l'intervallo di tensione del dispositivo. La capacità può quindi essere selezionata in base all'autonomia, allo spazio disponibile, alla domanda attuale e ai limiti di peso.
La progettazione della batteria agli ioni di litio è un processo a livello di sistema. Un progetto affidabile deve connettere:
Voltaggio
Capacità
Energia
Domanda attuale
Configurazione in serie e in parallelo
Selezione delle celle
PCM o BMS
In carica
Durata
Integrazione meccanica
Requisiti del connettore
Esigenze di test e di produzione
Una cella da 3,7 V può essere configurata in diversi pacchi batteria a seconda della tensione e della capacità richieste. Tuttavia, la configurazione elettrica è solo una parte del progetto. La batteria deve inoltre funzionare correttamente con il caricabatterie, il dispositivo host, il sistema di protezione e l'involucro meccanico.
