Jak wybrać akumulator litowo-jonowy do urządzenia OEM

Jako część kompletnego systemu urządzenia należy wybrać akumulator litowo-jonowy. Napięcie, pojemność, prąd, wymiary, złącze, obwód ochronny i ładowarka wpływają na to, czy gotowy produkt będzie działał niezawodnie.

Zestaw baterii, który wydaje się odpowiedni w katalogu, może nadal nie spełniać wymagań urządzenia OEM. Może pasować elektrycznie, ale nie mechanicznie, zapewniać wystarczającą pojemność nominalną, ale niewystarczający prąd szczytowy lub pracować podczas testów laboratoryjnych, ale do produkcji wymaga innego BMS lub złącza.

Z tego powodu zespoły OEM powinny ocenić akumulator pod kątem rzeczywistych warunków pracy urządzenia, zamiast wybierać wyłącznie według mAh lub rozmiaru fizycznego.

ZERNE zapewnia rozwiązania akumulatorów litowych do zastosowań wymagających niestandardowego napięcia, pojemności, wymiarów, systemów zabezpieczeń i konfiguracji złączy.

Szybka odpowiedź: Jak wybrać akumulator litowo-jonowy?

Wybierz akumulator litowo-jonowy w następującej kolejności:

1. Zdefiniuj zakres napięcia urządzenia i architekturę zasilania.

2. Zmierz normalne, maksymalne i szczytowe zapotrzebowanie na prąd.

3. Ustaw wymagany czas pracy i cel energetyczny.

4. Sprawdź komorę baterii, wymiary, przebieg kabla i limit masy.

5. Wybierz odpowiednią konfigurację ogniw i skład chemiczny baterii.

6. Dopasuj BMS, PCM, ładowarkę i złącze do pakietu.

7. Potwierdź temperaturę roboczą i warunki środowiskowe.

8. Przetestuj próbki prototypów wewnątrz rzeczywistego urządzenia.

9. Przejrzyj spójność produkcji, dokumentację i wsparcie w zakresie dostosowywania.

10. Zatwierdzaj ostateczny zestaw akumulatorów dopiero po sprawdzeniu parametrów elektrycznych, mechanicznych i systemu.

Najlepszy akumulator niekoniecznie musi mieć największą pojemność. To taki, który spełnia jednocześnie wymagania urządzenia w zakresie napięcia, energii, prądu, mechaniki, bezpieczeństwa i produkcji.

1. Zacznij od wymagań dotyczących urządzenia OEM

Przed skontaktowaniem się z dostawcą baterii przygotuj arkusz podstawowych wymagań dotyczących urządzenia.

Informacje te pozwalają dostawcy ocenić akumulator jako zintegrowany komponent, a nie oferować ogólny pakiet.

Szersze wyjaśnienie, w jaki sposób wymagania te odnoszą się do projektu opakowania, zob Konstrukcja akumulatora litowo-jonowego: napięcie, pojemność, BMS i czas pracy.

2. Dopasuj napięcie baterii do urządzenia

Napięcie jest pierwszym warunkiem ekranowania elektrycznego.

Wybrany akumulator musi mieścić się w akceptowalnym zakresie wejściowym urządzenia głównego przez cały czas rozładowywania i ładowania. Urządzenie przeznaczone do jednoogniwowej baterii litowej może nie obsługiwać pakietu wieloogniwowego bez odpowiedniego obwodu zarządzania energią.

Definiując napięcie należy sprawdzić:

• nominalne napięcie akumulatora;

• w pełni naładowane napięcie;

• minimalne napięcie rozładowania;

• zakres napięcia wejściowego urządzenia;

• wymagania dotyczące konwertera lub regulatora;

• napięcie wyjściowe ładowarki;

• Ustawienia odcięcia BMS.

Na przykład pakiet opisany jako 7,4 V ma napięcie nominalne, ale jego napięcie zmienia się podczas ładowania i rozładowywania. Urządzenie musi być zaprojektowane na pełny zakres roboczy, a nie tylko na wartość nominalną.

Jeśli projekt porównuje typowe konfiguracje wielokomórkowe, plik szczegółowy przewodnik po akumulatorach szeregowych i równoległych wyjaśnia, w jaki sposób rozmieszczenie ogniw wpływa na napięcie i pojemność. Obecny proces selekcji powinien wykorzystywać tę konfigurację jedynie jako wkład w szerszą decyzję dotyczącą urządzenia.

3. Oszacuj zapotrzebowanie na pojemność i energię

Pojemność baterii jest zwykle wyrażana w amperogodzinach lub miliamperogodzinach. Energię wyraża się zwykle w watogodzinach.

Wstępne oszacowanie energii to:

Energia (Wh) = Napięcie (V) × Pojemność (Ah)

Na przykład:

7,4 V × 2 Ah = 14,8 Wh

Jest to obliczenie energii nominalnej. Energia użytkowa może być niższa z powodu:

• straty konwertera;

• napięcie odcięcia rozładowania;

• temperatura;

• starzenie się baterii;

• aktualne obciążenie;

• granice ochronne;

• efektywność działania urządzenia.

Dlatego też pojemność należy wybierać w oparciu o rzeczywiste zapotrzebowanie na energię użytkową, a nie tylko wydrukowaną wartość w mAh.

Bardziej szczegółowe obliczenia można znaleźć w pkt Jak obliczyć pojemność akumulatora litowo-jonowego.

4. Zdefiniuj docelowy czas działania

Ta sama pojemność baterii może zapewnić różny czas pracy różnych produktów. Urządzenie ze stabilnym obciążeniem o małej mocy zachowuje się inaczej niż urządzenie z napędem silnikowym z częstymi szczytami prądu.

Wstępne oszacowanie czasu pracy można zapisać jako:

Czas pracy ≈ Użyteczna energia akumulatora ÷ Średnia moc urządzenia

Wynik końcowy zależy od rzeczywistego profilu obciążenia urządzenia. Inżynierowie powinni rozróżnić:

• prąd czuwania;

• normalny prąd roboczy;

• maksymalny prąd ciągły;

• prąd szczytowy lub rozruchowy;

• cykl pracy;

• odstępy pomiędzy snem i czuwaniem.

Zestaw akumulatorów spełniający średni docelowy czas pracy może nadal być nieodpowiedni, jeśli nie będzie w stanie obsłużyć urządzenia w godzinach szczytu.

Szczegółowe Przewodnik dotyczący obliczania czasu pracy akumulatora litowego szczegółowo omawia współczynniki obliczeniowe. Na etapie selekcji kluczowym pytaniem jest, czy proponowany pakiet zapewnia wystarczającą ilość energii użytkowej w ramach rzeczywistego profilu pracy.

5. Sprawdź zdolność do ciągłego i szczytowego rozładowania

Pojemność i zdolność rozładowania to różne specyfikacje.

Zestaw akumulatorów o dużej pojemności może nie nadawać się do urządzeń o dużej mocy, jeśli jego ogniwa, obwód zabezpieczający lub okablowanie nie są w stanie wytrzymać wymaganego prądu. I odwrotnie, pakiet o dużym rozładowaniu może zapewnić większą wydajność prądową niż jest to konieczne, zwiększając jednocześnie koszty, wagę lub wymagania termiczne.

Dokument:

• średni prąd rozładowania;

• maksymalny prąd ciągły;

• prąd szczytowy;

• czas trwania szczytu;

• prąd rozruchowy lub rozruchowy;

• częstotliwość powtarzania;

• tolerancja zapadu napięcia.

Zestaw akumulatorów należy oceniać na poziomie systemu. Możliwości ogniwa, ograniczenia BMS, parametry złącza, rozmiar kabla i warunki termiczne wpływają na rzeczywistą wydajność.

W przypadku projektów wysokoprądowych dostawca powinien potwierdzić warunki testowe stosowane dla wszelkich wartości znamionowych wyładowań lub prądów. Ocena bez temperatury testowej, napięcia odcięcia i czasu trwania jest trudna do dokładnego porównania.

6. Wybierz format ogniwa i skład chemiczny baterii

Format ogniwa wpływa na gęstość energii, kształt, wagę, zachowanie termiczne i elastyczność opakowania.

Ogniwa woreczkowe litowo-polimerowe

Ogniwa w torebkach litowo-polimerowych są często odpowiednie, gdy urządzenie wymaga:

• cienki lub dostosowany kształt;

• efektywne wykorzystanie przestrzeni obudowy;

• elastyczna długość, szerokość lub grubość;

• integracja niskoprofilowa;

• niestandardowe położenie kabla lub złącza.

Cylindryczne ogniwa litowo-jonowe

Ogniwa cylindryczne mogą być odpowiednie, gdy projekt wymaga:

• znormalizowany format cylindryczny;

• sztywna struktura komórkowa;

• szeregowy i równoległy układ opakowań;

• wymienna lub modułowa konstrukcja opakowania;

• większą obudowę baterii.

Wybór powinien opierać się na opakowaniu urządzenia, wymaganiach prądowych, energetycznych i produkcyjnych. Nie należy go wykonywać wyłącznie z nominalnej pojemności jednego ogniwa.

Jeżeli w projekcie porównywane są konfiguracje etui i cylindryczne, dostawca powinien ocenić gotowy zestaw akumulatorów, a nie porównywać wyłącznie liczbę poszczególnych ogniw.

7. Sprawdź wymiary i wagę akumulatora

Bateria musi pasować do obudowy produktu, nie powodując problemów ze ściskaniem, ruchem lub prowadzeniem kabla.

Przekaż dostawcy:

• maksymalna grubość;

• dopuszczalna długość i szerokość;

• kształt komory baterii;

• luz złącza;

• obszar zgięcia kabla;

• metoda mocowania;

• wymagania dotyczące amortyzacji lub utrzymywania;

• maksymalna waga.

Nominalne wymiary baterii mogą nie odzwierciedlać całej zainstalowanej obudowy. Złącze, płyta ochronna, przewody, izolacja, klej, pianka i mocowania mechaniczne również wymagają miejsca.

Bateria pasująca do pustej obudowy może zakłócać:

• śruby lub elementy złączne;

• moduły wyświetlające;

• anteny;

• ruchome części;

• elementy wytwarzające ciepło;

• żebra obudowy;

• obszary dostępu do usług.

W przypadku urządzeń o rygorystycznych ograniczeniach dotyczących pakowania, komorę baterii należy sprawdzić razem z naddatek na luz, ściskanie i pęcznienie.

8. Dopasuj BMS i system ochrony

Zestaw akumulatorów litowo-jonowych zwykle wymaga systemu ochrony lub zarządzania odpowiedniego do jego konfiguracji i zastosowania.

W zależności od projektu opakowanie może wymagać:

• ochrona przed przeładowaniem;

• ochrona przed nadmiernym rozładowaniem;

• zabezpieczenie nadprądowe;

• ochrona przed zwarciem;

• monitorowanie temperatury;

• równoważenie komórek;

• oszacowanie stanu naładowania;

• funkcje komunikacyjne;

• kontrola ładowania.

Prawidłowy projekt zabezpieczenia zależy od liczby ogniw, składu chemicznego, zapotrzebowania na prąd, wymagań dotyczących ładowarki i urządzenia głównego.

Prosty pakiet z dwoma przewodami zasilającymi może wymagać innego układu zabezpieczeń niż inteligentna bateria z komunikacją i monitorowaniem poszczególnych ogniw.

BMS należy określić wraz z:

• konfiguracja komórki;

• prąd ładowania;

• prąd rozładowania;

• wymagania dotyczące czujnika temperatury;

• protokół komunikacyjny;

• układ pinów złącza;

• logika sterowania po stronie urządzenia.

Artykuł PCM vs. BMS dla akumulatorów LiPo może pomóc w wyjaśnieniu różnicy pomiędzy podstawową ochroną a bardziej zaawansowanym systemem zarządzania.

9. Sprawdź metodę ładowania

Zestaw akumulatorów musi być zgodny z ładowarką i architekturą ładowania urządzenia głównego.

Potwierdzać:

• napięcie wyjściowe ładowarki;

• prąd ładowania;

• metoda ładowania;

• wymogi dotyczące ładowania salda;

• limity temperatury ładowania;

• złącze po stronie ładowarki;

• metoda zakończenia ładowania;

• niezależnie od tego, czy ładowanie odbywa się wewnątrz, czy na zewnątrz urządzenia.

Ładowarka musi odpowiadać liczbie ogniw akumulatora i wymaganiom ładowania. Odpowiednie złącze rozładowujące nie oznacza automatycznie, że pakiet nadaje się do ładowania przez ten sam interfejs.

Zespół projektowy powinien również potwierdzić, czy urządzenie obsługuje:

• ładowanie podczas pracy;

• wyjmowane ładowanie akumulatora;

• zewnętrzne stacje ładowania;

• Ładowanie przez USB;

• dedykowane ładowarki do akumulatorów;

• komunikacja pomiędzy ładowarką a BMS.

Ładowanie należy sprawdzić razem z gotową baterią, BMS, ładowarką i urządzeniem.

10. Wybierz konfigurację złącza i kabla

Złącze wpływa zarówno na parametry elektryczne, jak i na integrację mechaniczną.

Sprecyzować:

• rodzina złączy lub dokładny numer części;

• złącze współpracujące;

• aktualne wymagania;

• zapotrzebowanie na napięcie;

• liczba pinów;

• przydział mocy i sygnału;

• długość kabla;

• miernik drutu;

• kierunek wyjścia kabla;

• zamykanie i kluczowanie;

• dostępna przestrzeń instalacyjna.

Ten sam zestaw akumulatorów może wymagać różnych układów złączy dla różnych urządzeń głównych. Kompaktowy produkt do noszenia może preferować niskoprofilowe złącze, podczas gdy produkt przemysłowy może wymagać mocniejszego mocowania i większej ścieżki prądowej.

Aby zapoznać się ze szczegółowym procesem decyzyjnym dotyczącym złącza, zobacz Jak wybrać złącze dla niestandardowego zestawu baterii litowych.

11. Weź pod uwagę temperaturę pracy i środowisko

Wydajność baterii zmienia się wraz z temperaturą. Aplikacja urządzenia powinna określać, gdzie akumulator będzie działał, ładował się i pozostawał przechowywany.

Rozważać:

• normalna temperatura robocza;

• minimalna i maksymalna temperatura pracy;

• temperatura ładowania;

• temperatura przechowywania;

• narażenie na wibracje;

• wilgoć lub kurz;

• powtarzalny ruch mechaniczny;

• ciepło z pobliskiej elektroniki;

• izolacja termiczna wewnątrz obudowy.

Zimne warunki mogą zmniejszyć dostępną moc i zwiększyć opór wewnętrzny. Wysokie temperatury mogą przyspieszyć starzenie i zwiększyć wymagania w zakresie zarządzania temperaturą.

Dostawca baterii powinien łącznie ocenić ogniwo, BMS, złącze, obudowę i warunki ładowania. Twierdzenie dotyczące temperatury powinno być powiązane z ostateczną konfiguracją i warunkami testowymi, a nie odnosić się do każdego zestawu akumulatorów.

12. Wybierz pomiędzy standardowymi i niestandardowymi zestawami baterii

Standardowy akumulator litowo-jonowy może być odpowiedni, gdy:

• napięcie i pojemność są już dopasowane do urządzenia;

• wymiary pasują bez modyfikacji;

• złącze jest kompatybilne;

• aktualna zdolność jest wystarczająca;

• nie jest wymagany żaden specjalny BMS;

• oczekiwana ilość i podaż są stabilne.

Pakiet niestandardowy jest bardziej odpowiedni, gdy urządzenie wymaga:

• nietypowe wymiary;

• ukształtowana lub cienka bateria;

• określona długość kabla;

• niestandardowe złącze;

• konfiguracja szeregowa i równoległa z wieloma ogniwami;

• wyższa szybkość rozładowania;

• specjalna ochrona;

• wykrywanie temperatury;

• funkcje komunikacyjne;

• nową, specyficzną dla produktu obudowę.

Strona dotycząca komercyjnych zestawów akumulatorów jest właściwym miejscem dla ogólnego zapotrzebowania na produkty, natomiast niestandardowe rozwiązania akumulatorowe są bardziej odpowiednie, gdy akumulator musi być zaprojektowany pod kątem urządzenia.

13. Oceń wsparcie OEM dostawcy

Wybór pakietu akumulatorów oznacza również ocenę, czy dostawca może wesprzeć projekt poza przykładową wyceną.

Zapytaj dostawcę o:

• wybór komórek;

• konstrukcja zestawu akumulatorów;

• Integracja z BMS lub PCM;

• dostosowywanie złączy i kabli;

• pobieranie próbek prototypowych;

• testy elektryczne;

• kontrole dopasowania mechanicznego;

• spójność produkcji;

• kontrola przychodzących materiałów;

• kontrola przesyłki;

• dokumentacja techniczna;

• zmiany inżynieryjne;

• wsparcie podczas produkcji pilotażowej.

Dostawca powinien być w stanie wyjaśnić, w jaki sposób zatwierdzona próbka staje się konfiguracją do produkcji masowej.

Szersze spojrzenie na przejście od prototypu do produkcji można znaleźć w artykule Proces produkcji akumulatorów litowo-jonowych dla projektów OEM.

14. Sprawdź, czy akumulator znajduje się w urządzeniu

Zestaw baterii nie powinien być zatwierdzany wyłącznie na podstawie arkusza specyfikacji dostawcy. Ostateczną próbkę należy przetestować na rzeczywistym urządzeniu OEM.

Walidacja elektryczna

Sprawdzać:

• zakres napięcia;

• zachowanie ładunku;

• wydajność rozładowania;

• normalny prąd;

• prąd szczytowy;

• zapad napięcia;

• reakcja na ochronę baterii;

• kompatybilność ładowarki;

• Komunikacja BMS, jeśli ma to zastosowanie.

Walidacja mechaniczna

Sprawdzać:

• dopasowanie obudowy;

• dopasowanie złącza;

• prowadzenie kabli;

• utrzymanie baterii;

• ciśnienie lub ruch wewnątrz przedziału;

• dostęp do montażu i serwisu;

• interferencję z otaczającymi częściami.

Walidacja czasu wykonania

Zmierz rzeczywisty czas pracy urządzenia w ramach:

• normalna praca;

• praca przy dużym obciążeniu;

• cykle czuwania lub snu;

• wielokrotne uruchomienie;

• realistyczne warunki temperaturowe.

Walidacja produkcji

Potwierdzać:

• wymiary pozostają spójne;

• położenie złącza i kabla jest powtarzalne;

• etykiety i oznaczenia biegunowości są prawidłowe;

• elementy zabezpieczające odpowiadają zatwierdzonej próbce;

• dostępne są zapisy z testów;

• zmiany techniczne wymagają zatwierdzenia.

Istniejący niestandardowa lista kontrolna sprawdzania próbek akumulatorów stanowi przydatne odniesienie do zatwierdzenia przedprodukcyjnego.

15. Najczęstsze błędy w selekcji

Wybieranie tylko według mAh

Większa pojemność nie gwarantuje dłuższego czasu pracy w przypadku, gdy pakiet jest za duży, za ciężki lub niekompatybilny z napięciem urządzenia.

Ignorowanie prądu szczytowego

Średni prąd może wyglądać na akceptowalny, podczas gdy rozruch lub obciążenia silnika powodują spadek napięcia lub wyłączenie zabezpieczeń.

Traktując napięcie nominalne jako pełny zakres pracy

Urządzenie musi dostosować się do napięcia ładowania, napięcia rozładowania i warunków odcięcia.

Wybór akumulatora przed sprawdzeniem obudowy

Konflikty mechaniczne często pojawiają się po dołączeniu złącza, BMS i kabla do rzeczywistej koperty opakowania.

Zbyt późny wybór BMS

BMS może wpływać na wydajność prądową, układ pinów złącza, zachowanie podczas ładowania i wymiary opakowania.

Zatwierdzenie próbki bez badania jej w urządzeniu

Same testy laboratoryjne mogą nie wykryć zakłóceń kabli, akumulacji ciepła, konfliktów sygnałów ani zachowań związanych z wyłączaniem po stronie urządzenia.

Porównywanie dostawców wyłącznie według ceny jednostkowej

Niższa cena początkowa może nie obejmować wsparcia technicznego, pobierania próbek, walidacji, dokumentacji lub spójności produkcji.

16. Lista kontrolna wyboru zestawu akumulatorów OEM

Przed zatwierdzeniem pakietu akumulatorów litowo-jonowych należy potwierdzić:

• Zakres napięcia urządzenia jest udokumentowany.

• Nominalne i maksymalne napięcie akumulatora są kompatybilne.

• Zdefiniowano prąd średni, ciągły i szczytowy.

• Docelowy czas działania opiera się na realistycznej mocy urządzenia.

• Wymiary akumulatora obejmują złącze i BMS.

• Waga mieści się w limicie urządzenia.

• Odpowiedni jest format i konfiguracja komórki.

• Potwierdzono wymagania BMS lub PCM.

• Zgodność ładowarki została zweryfikowana.

• Złącze, długość kabla i układ pinów są zatwierdzone.

• Zdefiniowano zakresy temperatur pracy i ładowania.

• Próbki prototypowe są testowane w rzeczywistym urządzeniu.

• Wymagania dotyczące kontroli produkcji są udokumentowane.

• Zatwierdzenie zmian konstrukcyjnych jest uzgadniane z dostawcą.

Często zadawane pytania

Jaka specyfikacja jest najważniejsza przy wyborze akumulatora litowo-jonowego?

Zgodność napięciowa jest pierwszym wymaganiem, ale przed zatwierdzeniem należy ocenić również prąd, energię użytkową, wymiary, BMS, ładowarkę, złącze i środowisko pracy.

Jakiej pojemności baterii potrzebuje urządzenie OEM?

Pojemność zależy od średniej mocy urządzenia, wymaganego czasu pracy, wydajności systemu, odcięcia rozładowania i warunków pracy. Wydrukowanej wartości mAh nie należy traktować jako dokładnej pojemności użytkowej gotowego produktu.

Czy standardowy akumulator nadaje się do produkcji OEM?

Pakiet standardowy może być odpowiedni, jeśli jego napięcie, pojemność, wymiary, prąd, złącze, zabezpieczenie i warunki zasilania odpowiadają urządzeniu. Dostosowanie jest często potrzebne, gdy urządzenie ma mało miejsca lub ma specjalne wymagania elektryczne.

Czy wszystkie akumulatory litowo-jonowe wymagają BMS?

Wymagany system ochrony i zarządzania zależy od konfiguracji ogniwa, składu chemicznego, ładowarki, prądu i zastosowania. Dostawca powinien zalecić odpowiednią architekturę ochrony dla gotowego opakowania.

Czy akumulator powinien zostać przetestowany zanim urządzenie wejdzie do masowej produkcji?

Tak. Przed masową produkcją akumulator należy przetestować w rzeczywistym urządzeniu. W planie zatwierdzenia należy uwzględnić warunki elektryczne, mechaniczne, ładowania, czasu pracy i warunki środowiskowe.

Jakie informacje powinien przesłać nabywca OEM producentowi akumulatorów?

Podaj zakres napięcia urządzenia, profil mocy i prądu, docelowy czas pracy, wymiary komory baterii, limit wagi, złącze, wymagania dotyczące kabli, metodę ładowania, środowisko pracy, oczekiwaną ilość i wymagane testy.

Wniosek

Wybór akumulatora litowo-jonowego do urządzenia OEM wymaga oceny na poziomie systemu. Napięcie i pojemność są ważnymi punktami wyjścia, ale stanowią tylko część decyzji.

Finalny pakiet musi także zapewniać wymagany prąd, pasować do obudowy, współpracować z ładowarką, w razie potrzeby poprawnie komunikować się z urządzeniem, zawierać odpowiednie zabezpieczenia i zachować spójność podczas produkcji.

Zespoły OEM powinny przygotować pełny arkusz wymagań i sprawdzić baterię znajdującą się w rzeczywistym urządzeniu przed masową produkcją.

W przypadku projektów wymagających niestandardowych wymiarów, konfiguracji ogniw, BMS, złącza lub projektu kabla, skontaktuj się z firmą ZERNE, aby uzyskać pomoc dotyczącą niestandardowego zestawu baterii litowych.