Lista de verificação de design de bateria de lítio personalizada para projetos OEM

Um projeto personalizado de bateria de lítio raramente falha porque o comprador não sabe a capacidade necessária. Mais frequentemente, os problemas começam quando a especificação inicial está incompleta.

Uma equipe OEM pode fornecer uma tensão e capacidade alvo, mas deixar de fora o compartimento da bateria, a corrente de pico, a posição do conector, o método de carregamento, a temperatura operacional ou os requisitos de proteção. O fornecedor pode então preparar uma cotação com base em suposições. Essas suposições podem criar problemas durante a amostragem, integração de dispositivos ou produção em massa.

Um processo prático de design de bateria personalizada deve, portanto, começar com um resumo completo do projeto. O objetivo não é fazer com que o comprador decida sozinho cada detalhe técnico. O objetivo é fornecer informações confiáveis ​​suficientes para que o fabricante avalie a viabilidade, recomende uma arquitetura de bateria adequada e identifique os requisitos que ainda precisam de confirmação.

Esta lista de verificação cobre as principais informações necessárias antes de solicitar um orçamento ou amostra de bateria personalizada.

Resposta rápida: Quais informações são necessárias para uma bateria de lítio personalizada?

Os compradores OEM normalmente devem preparar as seguintes informações:

Quanto mais completas as informações do projeto, mais fácil será avaliar uma bateria de íon de lítio personalizada antes do projeto, cotação, amostragem e produção.

1. Defina primeiro a aplicação da bateria

A bateria deve ser projetada em torno do dispositivo e não selecionada como um componente isolado.

Comece descrevendo:

• O que o dispositivo faz;

• Com que frequência opera;

• Quer funcione de forma contínua ou intermitente;

• Se possui modos standby e ativo;

• Quer seja portátil, fixo, vestível ou industrial;

• Se a bateria é substituível ou instalada permanentemente;

• Se o dispositivo se comunica sem fio;

• Se a bateria está exposta a vibrações, impactos, umidade ou mudanças de temperatura.

Por exemplo, um rastreador GPS pode passar a maior parte do tempo em espera, mas requer curtos períodos de corrente mais alta para posicionamento e transmissão de dados. Um dispositivo médico pode exigir saída estável e proteção cuidadosamente controlada. Um produto vestível pode dar maior importância à espessura, peso, flexibilidade e conforto.

As informações da aplicação ajudam o fabricante a avaliar a relação entre capacidade, demanda atual, tamanho, proteção e tempo de execução esperado.

2. Confirme os requisitos de tensão

A tensão é uma das primeiras especificações que devem ser confirmadas.

A especificação deve distinguir entre:

• Tensão nominal;

• Tensão normal de operação;

• Tensão de carga total;

• Tensão de corte;

• Faixa de tensão de entrada do dispositivo;

• Requisitos de saída do carregador.

Um dispositivo pode ser projetado em torno de uma bateria de célula única ou de uma bateria de múltiplas células. A tensão necessária pode influenciar a configuração da célula, o circuito de proteção, o sistema de carga, o conector e a estratégia de gerenciamento da bateria.

Não forneça apenas uma frase como “bateria de 12 V” sem explicar como o dispositivo e o carregador usam essa voltagem. O fabricante também precisa saber se o dispositivo aceita variação de tensão durante a descarga e se é necessária uma saída regulada.

Uma incompatibilidade de tensão pode resultar em:

• Incompatibilidade de carregamento;

• Desligamento do dispositivo;

• Capacidade útil reduzida;

• Demanda atual excessiva;

• Ativação de proteção;

• Requisitos adicionais de conversão de energia.

A tensão deve, portanto, ser revisada juntamente com a entrada de energia e o design de carregamento do dispositivo.

3. Especifique os requisitos de capacidade e energia

A capacidade geralmente é expressa em miliamperes-hora ou mAh. Uma capacidade maior pode suportar um tempo de execução mais longo, mas também pode aumentar o tamanho, o peso, o custo e o tempo de carregamento da bateria.

Forneça as seguintes informações sempre que possível:

• Capacidade necessária em mAh ou Ah;

• Tempo de execução alvo;

• Corrente média de operação;

• Corrente de espera;

• Duração da corrente de pico;

• Ciclo de trabalho;

• Reserva de bateria esperada;

• Frequência de carregamento;

• Peso aceitável da bateria.

Para aplicações de maior potência, também pode ser útil discutir a energia em watts-hora:

Energia (Wh)=Tensão Nominal (V)×Capacidade (Ah)

O tempo de execução útil de uma bateria depende não apenas de sua capacidade nominal, mas também da carga do dispositivo, da temperatura operacional, da taxa de descarga, das configurações de corte, das condições de carga e da eficiência do sistema.

Uma especificação OEM útil não deve simplesmente declarar:

Bateria necessária: 3,7 V, 2.000 mAh.

Deve explicar:

O dispositivo requer uma bateria recarregável com tensão nominal compatível com o sistema, uma capacidade alvo de aproximadamente 2.000 mAh, uma corrente operacional definida, um requisito de corrente de pico e um tempo de execução mínimo esperado sob condições operacionais especificadas.

A capacidade final deve ser confirmada através de testes de amostra, em vez de ser selecionada apenas a partir de um valor de catálogo.

4. Defina Corrente Normal, Contínua e de Pico

A demanda atual afeta a seleção das células, a queda de tensão, a resistência interna, as configurações de proteção e o comportamento térmico.

O briefing do design deve separar:

• Corrente operacional normal;

• Corrente máxima contínua;

• Corrente de pico;

• Corrente de inicialização ou de partida;

• Duração da corrente de pico;

• Frequência dos eventos de pico;

• Corrente de carregamento.

Um dispositivo que consome uma corrente média baixa ainda pode exigir uma bateria capaz de fornecer uma corrente de curto prazo muito mais alta. Se isso não for identificado durante a fase de projeto, a bateria poderá sofrer queda excessiva de tensão ou acionar proteção contra sobrecorrente.

A corrente de pico deve ser descrita com um período de tempo. Por exemplo:

• 2 A para operação normal;

• 5 Um pico por 3 segundos;

• Evento de pico repetido uma vez a cada 10 minutos.

Esta informação é mais útil do que uma declaração geral como “bateria de alta corrente”.

5. Meça o espaço disponível na bateria

O ajuste mecânico é uma parte essencial do design de bateria personalizada.

Forneça um desenho, modelo 3D ou medidas precisas do compartimento da bateria, incluindo:

• Comprimento máximo;

• Largura máxima;

• Espessura máxima;

• Altura disponível;

• Direção de instalação;

• Pontos de montagem;

• Método de retenção;

• Espaço livre ao redor da bateria;

• Espaço para placa de proteção;

• Espaço para conector e fios;

• Roteamento de cabos;

• Acesso para substituição ou inspeção.

Não meça apenas o compartimento vazio. O projeto também deve considerar:

• Isolamento;

• Materiais de proteção;

• Altura do conector;

• Raio de curvatura do cabo;

• Tolerância de fabricação;

• Liberação de montagem;

• Dissipação de calor;

• Compressão mecânica;

• Possível variação dimensional durante a produção.

Para produtos compactos, uma diferença na posição do conector ou na direção da saída do cabo pode impedir o encaixe da bateria, mesmo quando as dimensões da célula parecem corretas.

ZERNE soluções personalizadas de baterias de lítio podem ser avaliadas de acordo com as dimensões, capacidade, sistema de proteção, conector e condições de aplicação necessários. O design final ainda precisa ser confirmado em relação ao gabinete real do dispositivo.

6. Decida o formato e a estrutura da bateria

Uma bateria de lítio personalizada pode usar um formato retangular padrão, um formato fino, um design curvo ou outro formato adequado ao equipamento.

A especificação deve identificar se a bateria precisa de:

• Uma forma retangular padrão;

• Estrutura fina e plana;

• Uma forma curva ou moldada;

• Uma bateria multicelular;

• Um estojo removível;

• Um invólucro rígido;

• Uma estrutura de montagem personalizada;

• Uma orientação celular específica.

A escolha deve ser baseada na estrutura do dispositivo e nos requisitos de produção. Um formato totalmente personalizado pode melhorar a utilização do espaço, mas também pode afetar o ferramental, a montagem, a inspeção, a embalagem e a consistência da produção.

Para um compartimento retangular regular, uma estrutura padrão pode ser mais prática. Para dispositivos irregulares ou altamente compactos, uma bateria moldada ou fina pode proporcionar melhor integração.

Antes de se comprometerem com uma estrutura totalmente personalizada, as equipes OEM também podem comparar as vantagens e desvantagens entre um bateria de lítio personalizada e uma bateria pronta para uso.

O projeto também deve definir se a bateria requer:

• Conexão em série;

• Conexão paralela;

• Configuração série-paralelo;

• Correspondência de células;

• Uma placa de proteção separada;

• Um BMS habilitado para comunicação.

7. Especifique o conector e a fiação

O conector faz parte da interface da bateria e deve ser confirmado antes da amostragem.

Fornecer:

• Marca ou série do conector, se necessário;

• Número de pinos;

• Orientação do conector;

• Localização do conector;

• Comprimento do cabo;

• Bitola do fio;

• Direção de saída do fio;

• Polaridade;

• Equilibrar os requisitos de lead;

• Arranjo do cabo de carga e do cabo de descarga.

Uma bateria pode ter a tensão e a capacidade corretas, mas ainda assim falhar na integração do dispositivo porque o conector não é compatível com a placa-mãe ou porque o cabo sai pelo lado errado.

O conector deve ser revisado juntamente com:

• Espaço disponível;

• Direção de inserção;

• Método de bloqueio;

• Condições de vibração;

• Sequência de montagem;

• Requisitos de serviço;

• Corrente necessária.

Para considerações mais detalhadas sobre conectores, consulte Conectores de bateria LiPo e opções de fiação personalizadas.

8. Definir requisitos de PCM, BMS e sensor de temperatura

O sistema de proteção deve ser selecionado de acordo com a arquitetura da bateria e os requisitos do dispositivo.

O resumo do design deve esclarecer se o projeto precisa de:

• Proteção contra sobrecarga;

• Proteção contra descarga excessiva;

• Proteção contra sobrecorrente;

• Proteção contra curto-circuito;

• Monitoramento de temperatura;

• Equilíbrio celular;

• Informações sobre o estado da carga;

• Funções de comunicação;

• Controle de carga e descarga;

• Uma interface de bateria inteligente.

Uma bateria de célula única pode usar um circuito de proteção com funções relativamente simples. Uma bateria multicelular pode exigir um BMS mais avançado para monitoramento de células, balanceamento, registro de falhas, comunicação ou integração de sistemas.

O comprador também deverá explicar a função do sistema de proteção:

• O carregador é controlado pela bateria?

• O dispositivo precisa de informações sobre o status da bateria?

• É necessário um NTC?

• O dispositivo se comunica através de SMBus, CAN ou outro protocolo?

• O BMS precisa estar localizado dentro ou fora do compartimento da bateria?

Para uma explicação geral sobre a seleção do sistema de proteção, link para PCM vs. BMS para baterias LiPo.

9. Descreva o ambiente operacional

O desempenho da bateria e os requisitos de design podem mudar significativamente com o ambiente operacional.

A especificação deve incluir:

• Faixa de temperatura operacional;

• Temperatura de armazenamento;

• Temperatura de carregamento;

• Umidade;

• Vibração;

• Choque;

• Exposição à poeira ou água;

• Altitude;

• Uso interno ou externo;

• Vida útil esperada;

• Duração do armazenamento antes da instalação.

A temperatura é especialmente importante porque as condições de carga e descarga podem não ser as mesmas. Uma bateria usada ao ar livre, dentro de um dispositivo industrial ou perto de um componente gerador de calor pode precisar de avaliação térmica adicional.

O projeto também deve identificar se o compartimento da bateria é:

• Totalmente fechado;

• Ventilado;

• Perto de uma fonte de calor;

• Exposto à luz solar direta;

• Sujeito a movimentos mecânicos repetidos.

Esses detalhes devem ser considerados antes de selecionar a célula, o sistema de proteção, o invólucro e o plano de testes.

10. Confirme os requisitos de carregamento

Uma bateria personalizada deve ser compatível com o sistema de carregamento pretendido.

Fornecer:

• Tipo de carregador;

• Tensão de saída do carregador;

• Corrente máxima de carga;

• Método de carregamento;

• Requisitos de cobrança de saldo;

• Conector de carregamento;

• Limites de temperatura de carregamento;

• Tempo de carregamento esperado;

• Se o carregamento ocorre dentro do dispositivo.

O fabricante da bateria deve compreender como o carregador, a bateria, o sistema de proteção e o dispositivo funcionam juntos. Uma especificação de bateria que exclua o carregador pode estar incompleta.

O carregador não deve ser selecionado apenas de acordo com a capacidade nominal da bateria. Também deve corresponder à configuração da bateria, configurações de proteção, tensão de carga, limites de corrente e condições de aplicação.

11. Preparar requisitos de teste e validação

Antes da produção em massa, o design da bateria deve ser validado em relação ao dispositivo.

O resumo inicial do projeto deve identificar o escopo de validação esperado, como:

• Teste de capacidade;

• Testes de carga e descarga;

• Verificação de tempo de execução;

• Testes de pico de corrente;

• Medição de resistência interna;

• Monitoramento de temperatura;

• Inspeção de conectores e cabos;

• Ajuste mecânico;

• Testes de vibração ou impacto;

• Carregamento e descarregamento repetidos;

• Teste de integração em nível de dispositivo.

As condições de teste devem ser definidas tão claramente quanto possível. Os resultados de capacidade podem variar dependendo da corrente, temperatura, tensão de corte, método de carregamento e equipamento de teste.

A amostra deve representar o projeto de produção pretendido. Se a célula, a placa de proteção, o conector, o fio ou o invólucro forem alterados após o teste, o projeto poderá exigir revisão adicional ou revalidação.

Para uma visão passo a passo da revisão de requisitos, desenvolvimento de protótipos, validação, produção piloto e produção em massa, consulte Do protótipo à produção em massa: estágios de desenvolvimento de baterias personalizadas.

Este artigo concentra-se nas informações necessárias antes do projeto e da cotação. Critérios detalhados de aceitação de amostras devem ser tratados em um guia de validação de amostra de bateria separado.

12. Identifique as necessidades de conformidade e documentação

Os requisitos de conformidade dependem da construção da bateria, do mercado de destino, da categoria do produto, do método de transporte e dos requisitos do cliente.

Antes da cotação, identifique se o projeto pode exigir:

• Documentação de teste UN 38.3;

• FDS ou MSDS;

• Especificações do produto;

• Etiquetas de bateria;

• Documentos de transporte;

• RoHS ou outras declarações materiais;

• Requisitos específicos do mercado;

• Registros de inspeção específicos do cliente.

O comprador também deve esclarecer:

• Países de destino;

• Método de envio;

• Classificação do produto;

• Se a bateria é enviada instalada no equipamento;

• Se o cliente necessita de relatório de teste ou declaração;

• Se os documentos devem abranger um modelo específico de bateria ou projeto de produção.

A certificação e a documentação de transporte devem ser analisadas em relação à construção final da bateria. Um documento para um protótipo anterior pode não representar automaticamente um projeto de produção posterior.

13. Lista de verificação de especificações de bateria OEM

Antes de solicitar um orçamento, confirme os seguintes itens.

Aplicativo

• Nome do dispositivo e aplicativo;

• Modos de operação;

• Alvo de tempo de execução;

• Ambiente operacional;

• Estágio de produção esperado.

Elétrica

• Tensão nominal;

• Tensão de carga total;

• Capacidade;

• Corrente normal;

• Corrente de pico;

• Corrente de carga;

• Requisitos de corte.

Mecânico

• Comprimento máximo;

• Largura máxima;

• Espessura máxima;

• Limite de peso;

• Espaço do conector;

• Método de montagem;

• Rota do cabo;

• Liberação do gabinete.

Proteção e Interface

• PCM ou BMS;

• NTC;

• Equilíbrio celular;

• Comunicação;

• Conector;

• Comprimento do fio;

• Posição de saída do fio.

Produção e Conformidade

• Quantidade de protótipo;

• Volume de produção estimado;

• Requisitos de teste de amostra;

• Mercado-alvo;

• Necessidades de documentação;

• Requisitos de embalagem e envio.

Se o projeto estiver caminhando para a cotação, os principais direcionadores de custos também deverão ser revisados. Um guia separado sobre o custo da bateria de lítio personalizada e os fatores de preços do OEM podem ajudar as equipes de compras a se prepararem para essa discussão.

Perguntas frequentes

Qual é a primeira etapa no design de bateria personalizada?

O primeiro passo é definir a aplicação do dispositivo e seus requisitos elétricos, mecânicos, ambientais e de produção. Uma bateria deve ser projetada em torno do equipamento e não selecionada apenas pela tensão ou capacidade.

Que informações devo enviar a um fabricante de bateria personalizada?

Envie a tensão da bateria, capacidade, demanda de corrente, dimensões, detalhes do conector, aplicação, ambiente operacional, quantidade esperada e quaisquer requisitos de PCM/BMS, testes ou conformidade.

Uma bateria de lítio personalizada pode ser fabricada em um tamanho específico?

Dimensões personalizadas da bateria podem ser desenvolvidas de acordo com a estrutura do dispositivo e o espaço de instalação disponível. O tamanho final deve incluir isolamento, componentes de proteção, conectores, cabos, tolerâncias e folga de montagem.

Preciso especificar o BMS antes de solicitar um orçamento?

Você deve explicar o dispositivo e os requisitos de proteção, mas talvez não seja necessário selecionar o modelo exato do BMS. O fabricante pode recomendar um PCM ou BMS adequado após revisar a configuração da bateria, corrente, método de carregamento, necessidades de comunicação e condições operacionais.

Por que os detalhes do conector são importantes?

O conector afeta a compatibilidade elétrica, montagem, roteamento de cabos, espaço disponível e capacidade de manutenção. O tipo de conector, polaridade, posição, comprimento do cabo e direção de saída do fio devem ser confirmados antes da amostragem.

O que deve ser testado antes da produção em massa?

A amostra pode precisar de testes de capacidade, carga e descarga, tempo de execução, corrente, temperatura, ajuste mecânico, conector e integração de dispositivos. O plano de validação final deve corresponder à aplicação e às especificações acordadas.

Conclusão

Uma especificação completa é a base de um projeto bem-sucedido de bateria de lítio personalizada.

Antes de solicitar uma cotação ou amostra, os compradores OEM devem definir a aplicação, tensão, capacidade, demanda atual, dimensões, estrutura da bateria, conector, sistema de proteção, método de carregamento, ambiente operacional, requisitos de teste, expectativas de produção e documentos de conformidade.

O objetivo de uma lista de verificação de design de bateria personalizada não é forçar o comprador a tomar todas as decisões técnicas sozinho. O objetivo é fornecer ao fabricante da bateria informações confiáveis ​​suficientes para avaliar a viabilidade, identificar riscos, recomendar um projeto adequado e preparar um orçamento mais preciso.

Para um projeto de bateria de lítio personalizada, compartilhe a aplicação do seu dispositivo, capacidade alvo, tensão, espaço disponível na bateria, demanda atual, requisitos de conector, quantidade esperada e necessidades de teste com a equipe de engenharia de bateria personalizada da ZERNE. A equipe pode revisar as especificações iniciais e ajudar a desenvolver uma solução de bateria adequada para amostragem e produção.