Projeto da bateria de íons de lítio: tensão, capacidade, BMS e tempo de execução

Uma bateria de íons de lítio não é definida apenas pela capacidade. Um pacote adequado deve fornecer a tensão necessária, fornecer energia utilizável suficiente, suportar a demanda de corrente do dispositivo, caber no espaço disponível e incluir as funções de proteção corretas.

Para um projeto OEM, o projeto da bateria também envolve decisões sobre:

• Seleção de células

• Configuração em série e paralelo

• Tensão nominal

• Capacidade

• Corrente de pico e contínua

• BMS ou PCM

• Método de carregamento

• Conector e cabo

• Integração mecânica

• Temperatura operacional

• Tempo de execução esperado

• Requisitos de teste e produção

Uma bateria pode ter a capacidade correta, mas a voltagem errada. Pode fornecer energia suficiente, mas falhar durante o pico de demanda de corrente. Ele pode caber no gabinete, mas não possui as funções de proteção ou comunicação exigidas pelo dispositivo host.

Este guia explica os princípios básicos do design de baterias de íons de lítio e mostra como as equipes OEM podem conectar os requisitos elétricos, mecânicos e do sistema antes de avançar para o desenvolvimento detalhado.

Para soluções de baterias comerciais, consulte ZERNE's baterias de lítio . A página do produto destina-se a consultas sobre produtos e soluções, enquanto este artigo se concentra nas decisões de engenharia por trás do design da bateria.

Resposta rápida: O que deve ser considerado no projeto de baterias de íons de lítio?

Uma bateria de íons de lítio deve ser projetada de acordo com os seguintes fatores:

1. Tensão operacional necessária

2. Capacidade alvo e energia utilizável

3. Corrente contínua e de pico

4. Configuração de células em série e paralela

5. Funções de proteção BMS ou PCM

6. Tensão de carga e corrente de carga

7. Compartimento de bateria disponível

8. Requisitos de conector e cabo

9. Temperatura operacional e de armazenamento

10. Tempo de execução necessário

11. Necessidades de teste e conformidade

12. Volume de produção esperado

O projeto correto é aquele que satisfaz os requisitos elétricos e mecânicos do dispositivo host, mantendo uma produção segura e repetível.

1. Comece com os requisitos do dispositivo host

O design da bateria deve começar com o dispositivo, não com o modelo da bateria.

Antes de selecionar as células, a equipe OEM deve definir:

• Tensão operacional do dispositivo

• Tensão máxima de entrada

• Tensão operacional mínima

• Demanda contínua de energia

• Demanda de energia de inicialização ou pico

• Tempo de operação esperado

• Método de carregamento

• Espaço disponível para bateria

• Posição do conector e do cabo

• Temperatura operacional

• Ciclo de vida do produto

• Volume de produção esperado

A bateria deve ser avaliada como parte do sistema de energia completo. O carregador, o circuito de gerenciamento de energia, o motor, o controlador, o display, o módulo de comunicação e outras cargas podem afetar as especificações da bateria.

Por exemplo, um dispositivo pode consumir apenas uma pequena corrente média, mas exigir um pulso de corrente alto quando um motor dá partida ou um módulo sem fio transmite. Se apenas a potência média for considerada, a bateria pode parecer adequada, mas falhar durante a operação real.

Para requisitos de OEM, como tamanho, capacidade, tensão, BMS e conector, os ZERNE's soluções de baterias personalizadas fornecem um ponto de entrada comercial relevante.

2. Selecione a tensão necessária da bateria

A tensão determina se a bateria pode funcionar com o sistema elétrico do dispositivo.

Para muitas células padrão de íon de lítio e polímero de lítio, a tensão nominal comum é de aproximadamente 3,6 V ou 3,7 V, enquanto a tensão de carga total é comumente em torno de 4,2 V. Os valores exatos dependem da química e da especificação da célula.

Quando as células são conectadas em série, a tensão aumenta.

Esses valores são pontos de referência comuns para configurações padrão de íons de lítio ou LiPo. O projeto real da bateria deve seguir a ficha técnica da célula selecionada e os requisitos do sistema de carregamento.

A faixa de tensão de entrada do dispositivo deve ser verificada cuidadosamente. Uma bateria rotulada como 7,4 V não permanece exatamente em 7,4 V durante a operação. Sua tensão muda durante o carregamento e descarregamento.

Tensão Nominal e Tensão Operacional

Os engenheiros OEM devem distinguir entre:

• Tensão nominal

• Tensão de carga total

• Tensão operacional típica

• Tensão de corte

• Tensão mínima de entrada do dispositivo

• Tensão máxima de entrada do dispositivo

Um dispositivo que aceita apenas uma faixa estreita de tensão pode exigir um conversor CC-CC, um regulador de tensão ou uma estratégia específica de gerenciamento de bateria.

Exemplo Prático: Escolhendo uma Bateria para um Dispositivo de 7,4 V

Se um dispositivo OEM exigir uma tensão nominal de bateria de aproximadamente 7,4 V, uma solução típica pode usar duas células de 3,7 V em série, conhecida como configuração 2S.

No entanto, a equipe de design ainda deve verificar:

• Se o dispositivo aceita a tensão de carga total

• Se o carregador suporta o pacote 2S

• Se o balanceamento celular é necessário

• Se o BMS suporta duas células em série

• Se o dispositivo pode operar com a tensão mínima do pacote

Para uma comparação mais focada de configurações em série e paralelas, consulte Baterias em série vs. baterias paralelas.

3. Determine a capacidade necessária

A capacidade descreve quanta carga elétrica a bateria pode armazenar e é comumente expressa em miliamperes-hora ou amperes-hora.

Contudo, a capacidade por si só não descreve completamente a energia disponível. A energia depende da tensão e da capacidade.

A relação básica é:

Energia em watts-hora = Tensão em volts × Capacidade em ampères-hora

Por exemplo:

• 3,7 V × 1 Ah = 3,7 Wh

• 7,4 V × 2 Ah = 14,8 Wh

• 14,8 V × 3 Ah = 44,4 Wh

Ao comparar diferentes configurações de bateria, os watts-hora costumam ser mais úteis do que os miliamperes-hora porque a voltagem pode ser diferente.

Exemplo com células de 3,7 V, 1000 mAh

Suponha que cada célula tenha:

• Tensão nominal: 3,7 V

• Capacidade: 1000 mAh ou 1 Ah

Configurações diferentes produzem resultados diferentes:

As conexões em série aumentam a tensão. Conexões paralelas aumentam a capacidade. Uma configuração série-paralelo pode aumentar ambos.

O cálculo detalhado da contagem de células, conexão em série e conexão paralela deve ser tratado em Como calcular a capacidade da bateria de íons de lítio.

4. Combine a corrente contínua e de pico

Uma bateria deve fornecer corrente suficiente para operação normal e picos de demanda temporários.

Os compradores OEM devem identificar:

• Corrente operacional média

• Corrente contínua

• Corrente de pico

• Duração do pico

• Atual de inicialização

• Ciclo de trabalho

• Tensão mínima da bateria durante pico de carga

A célula da bateria, o BMS, os fios, os pontos de soldagem e o conector devem suportar a corrente necessária. Um pacote pode conter energia armazenada suficiente, mas ainda assim falhar se o seu caminho de descarga não puder suportar a demanda atual do dispositivo.

Corrente Contínua

Corrente contínua é a corrente que a bateria deve fornecer durante a operação normal. Afeta a seleção da célula, o tamanho do condutor, a classificação BMS e o design térmico.

Corrente de pico

A corrente de pico pode ocorrer durante:

• Partida do motor

• Transmissão sem fio

• Aquecimento

• Operação da bomba

• Ativação de iluminação

• Atividade rápida do processador

• Saída temporária de alta potência

A duração do pico é importante. Uma bateria que suporta pulsos curtos pode não suportar a mesma corrente continuamente.

Relação Atual e de Poder

Quando a potência do dispositivo é conhecida, a corrente pode ser estimada usando:

Corrente = Potência ÷ Tensão

Por exemplo, uma carga de 20 W alimentada por uma bateria de 7,4 V exigiria aproximadamente:

20 W ÷ 7,4 V ≈ 2,7 A

O projeto real também deve considerar perdas de conversão, variação de tensão, pico de demanda e temperatura.

5. Escolha a configuração em série e paralelo

A configuração série-paralelo define a estrutura elétrica da bateria.

Conexão em série

As células conectadas em série aumentam a tensão enquanto a capacidade de amp-hora permanece aproximadamente igual à de uma célula.

Um pacote 2S1P feito de células de 3,7 V e 1000 mAh fornece aproximadamente:

• Tensão nominal de 7,4V

• Capacidade de 1000mAh

Conexão Paralela

Células conectadas em paralelo aumentam a capacidade e a capacidade de corrente enquanto a tensão permanece aproximadamente igual à de uma célula.

Um pacote 1S2P feito das mesmas células fornece aproximadamente:

• Tensão nominal de 3,7V

• Capacidade de 2.000mAh

Conexão Série-Paralelo

Um pacote 2S2P fornece aproximadamente:

• Tensão nominal de 7,4 V

• Capacidade de 2.000mAh

O projeto também deve considerar:

• Correspondência de células

• Equilíbrio

• Proteção

• Método de soldagem ou conexão

• Dimensões do pacote

• Geração de calor

• Arquitetura BMS

O princípio é simples, mas o design final deve ser verificado em relação ao dispositivo e ao processo de produção reais. O artigo Pacotes de baterias em série versus paralelos fornecem uma comparação mais restrita.

6. Selecione o formato de célula correto e a nota de desempenho

As características físicas e elétricas da célula afetam o design completo do pacote.

Parâmetros celulares importantes incluem:

• Formato de célula

• Dimensões

• Capacidade nominal

• Taxa de descarga

• Resistência interna

• Desempenho do ciclo

• Temperatura operacional

• Condições de carregamento

• Peso

• Disponibilidade

• Consistência de produção

As células da bolsa podem suportar designs finos ou moldados. As células cilíndricas podem oferecer dimensões padronizadas e consistência mecânica. O melhor formato depende do dispositivo host e do desempenho necessário.

A seleção de células não deve ser baseada apenas na capacidade. Uma célula com maior capacidade pode ser inadequada se não puder fornecer a corrente necessária ou caber no espaço disponível.

Para uma comparação específica de formatos de células cilíndricas, consulte Bateria 26650 vs. 18650: tamanho, tensão e capacidade.

Correspondência de células

Para pacotes multicélulas, as células devem ser combinadas de acordo com parâmetros relevantes, tais como:

• Capacidade

• Tensão

• Resistência interna

• Lote de produção

• Condição de envelhecimento

A inconsistência celular pode afetar o equilíbrio, a capacidade utilizável, a temperatura e a vida útil. Uma discussão detalhada sobre esse assunto está disponível em Por que as baterias de íons de lítio se tornam inconsistentes e o que fazer.

7. Decida se o pacote precisa de um PCM ou BMS

A eletrônica de proteção é uma parte essencial da maioria das baterias recarregáveis ​​de lítio.

PCM

Um módulo de circuito de proteção pode ser adequado para uma configuração de bateria mais simples. Ele pode fornecer funções básicas como:

• Proteção contra sobrecarga

• Proteção contra descarga excessiva

• Proteção contra sobrecorrente

• Proteção contra curto-circuito

BMS

Um sistema de gerenciamento de bateria mais avançado pode ser necessário quando o conjunto inclui múltiplas células ou precisa de funções adicionais de controle e comunicação.

Um BMS pode suportar:

• Monitoramento de tensão celular

• Equilíbrio celular

• Monitoramento atual

• Monitoramento de temperatura

• Estimativa do estado de carga

• Detecção de falhas

• Comunicação com o dispositivo host

• Controle de carga e descarga

• Gravação de eventos ou falhas

Quando um BMS é mais apropriado?

Um BMS é geralmente mais relevante quando:

• A bateria contém várias células em série

• O equilíbrio celular é necessário

• O dispositivo precisa de informações sobre o status da bateria

• A bateria opera sob alta corrente

• A aplicação requer monitoramento detalhado de falhas

• O dispositivo host se comunica com a bateria

• O projeto requer uma função de bateria inteligente

O projeto deve definir os requisitos do BMS antes da produção do protótipo. Mudar posteriormente de uma placa de proteção básica para um BMS inteligente pode afetar as dimensões, o conector, o firmware, os testes e o custo da bateria.

Para obter informações adicionais sobre como o gerenciamento da bateria afeta o status de carga e o comportamento da bateria, consulte Por que o último 1% da sua bateria de íon de lítio resiste melhor do que você pensa.

8. Estimar o tempo de execução da bateria

O tempo de execução depende da energia utilizável da bateria e da demanda real de energia do dispositivo.

Uma estimativa básica é:

Tempo de execução estimado = energia da bateria × eficiência utilizável ÷ potência do dispositivo

Para uma bateria especificada por tensão e capacidade:

Energia da bateria = Tensão nominal × Capacidade em amperes-hora

Exemplo de tempo de execução

Assumir:

• Bateria: 7,4 V, 2.000 mAh

• Energia nominal: 7,4 V × 2 Ah = 14,8 Wh

• Eficiência estimada do sistema utilizável: 85%

• Potência do dispositivo: 5 W

Energia utilizável:

14,8 Wh × 0,85 = 12,58 Wh

Tempo de execução estimado:

12,58 Wh ÷ 5 W ≈ 2,5 horas

Esta é uma estimativa de engenharia e não um tempo de operação garantido.

O tempo de execução real pode ser afetado por:

• Carga variável do dispositivo

• Eficiência de conversão de tensão

• Configurações de corte de bateria

• Temperatura

• Idade da bateria

• Taxa de descarga

• Resistência celular

• Limites de proteção BMS

• Consumo em espera do dispositivo

Para um método completo de cálculo de tempo de execução, consulte Como calcular o tempo de execução de uma bateria de lítio.

9. Verifique a integração mecânica

O desempenho elétrico é apenas uma parte do design da bateria. A bateria também deve caber com segurança no produto host.

O projeto deve definir:

• Comprimento máximo

• Largura máxima

• Espessura máxima

• Direção de instalação

• Método de montagem

• Acesso ao conector

• Saída de cabo

• Limites de compressão

• Exposição à vibração

• Fontes de calor

• Requisitos de serviço e substituição

Uma bateria tipo bolsa não deve ser comprimida por arestas afiadas ou pressão concentrada. Um pacote cilíndrico pode necessitar de suportes, espaçadores ou proteção estrutural. O compartimento da bateria deve levar em conta as tolerâncias de fabricação e o ambiente operacional esperado.

O projeto detalhado do compartimento, a folga, as tolerâncias de calor e de expansão são abordados separadamente em Design do compartimento da bateria LiPo: folga e inchaço.

Neste artigo, o princípio principal do design é:

O compartimento da bateria deve ser projetado junto com a bateria, e não depois que a bateria já tiver sido selecionada.

10. Defina os requisitos do conector e do cabo

O conector e o cabo fazem parte da interface da bateria.

As equipes OEM devem especificar:

• Tipo de conector

• Número de pinos

• Classificação atual

• Classificação de tensão

• Polaridade

• Método de bloqueio

• Comprimento do cabo

• Calibre do fio

• Posição de saída do fio

• Alívio de tensão

• Espaço para instalação

• Sinal necessário ou linhas de comunicação

O conector de alimentação pode ser diferente do conector de comunicação. Um BMS inteligente pode exigir pinos de sinal adicionais para comunicação de dados, detecção de temperatura ou identificação.

A seleção do conector também deve considerar a montagem, os ciclos de acoplamento, a vibração e a manutenção em campo.

A seleção detalhada do conector está fora do escopo desta visão geral do projeto e é abordada em Como escolher um conector para uma bateria de lítio personalizada.

11. Considere os requisitos de cobrança

A bateria deve ser compatível com o carregador e o sistema de carregamento.

Os compradores OEM devem definir:

• Tensão de carregamento

• Corrente de carregamento

• Tempo de carregamento

• Método de carregamento

• Tolerância de saída do carregador

• Limites de temperatura

• Método de rescisão de cobrança

• Requisitos de balanceamento

• Se a bateria está carregada dentro ou fora do dispositivo

Uma bateria 2S não pode ser carregada usando um carregador projetado para uma única célula. O sistema de carregamento deve corresponder à configuração do pacote e aos componentes eletrônicos de proteção.

O BMS ou PCM também deve ser compatível com as condições de funcionamento do carregador. O comportamento de carregamento pode afetar a vida útil, a temperatura e a segurança da bateria, por isso deve ser testado com o dispositivo e o carregador reais.

12. Crie uma especificação completa de design de bateria

Antes de solicitar um protótipo, a equipe OEM deve combinar os requisitos elétricos, mecânicos e de interface em uma especificação controlada.

Uma especificação útil deve incluir:

Um pacote de requisitos detalhado reduz reprojetos e facilita a comparação das cotações dos fornecedores.

13. Exemplo de OEM funcional: Projetando uma bateria de 7,4 V

Suponha que um dispositivo OEM exija:

• Tensão nominal: aproximadamente 7,4 V

• Capacidade alvo: 2.000 mAh

• Potência média: 5 W

• Corrente de pico: maior que a corrente operacional normal

• Espaço de instalação retangular compacto

• Operação recarregável

• Monitoramento do status da bateria

Uma possível direção de projeto preliminar poderia ser:

• Duas células em série para uma configuração 2S

• Dois caminhos de células paralelos para a capacidade necessária

• Um BMS com balanceamento celular

• Monitoramento de temperatura

• Um conector personalizado

• Um pacote projetado em torno do gabinete do dispositivo host

• Verificação de tempo de execução sob carga real de 5 W

O uso de duas células de 1.000 mAh em paralelo para cada grupo de série produz um pacote aproximado de 7,4 V e 2.000 mAh.

A energia nominal é:

7,4 V × 2 Ah = 14,8 Wh

Usando uma eficiência útil estimada de 85% do sistema, a energia utilizável esperada é aproximadamente:

14,8 Wh × 0,85 = 12,58 Wh

Com uma carga contínua de 5 W, a estimativa de tempo de execução inicial é aproximadamente:

12,58 Wh ÷ 5 W = 2,5 horas

Antes da aprovação, a equipe de projeto ainda deve verificar:

• Demanda atual real

• Resposta atual de pico

• Compatibilidade do carregador

• Configurações do BMS

• Comportamento térmico

• Ajuste mecânico

• Confiabilidade do conector

• Tempo de execução em condições reais do dispositivo

Este exemplo ilustra a lógica do design. Não deve substituir uma revisão de engenharia de bateria específica da aplicação.

Erros comuns de design de baterias de íons de lítio

Selecionando a capacidade antes de verificar a tensão

Uma bateria com mAh suficiente ainda pode ser incompatível com o dispositivo se a faixa de voltagem estiver errada.

Usando apenas corrente média

A demanda de pico pode causar queda de tensão, corte do BMS ou superaquecimento do conector, mesmo quando o consumo médio parece aceitável.

Tratando a Tensão Nominal como Constante

A tensão da bateria muda durante o carregamento e descarregamento. O dispositivo deve tolerar toda a faixa operacional.

Escolhendo um BMS tarde demais

As dimensões, fiação, comunicação e testes do BMS podem afetar todo o design do pacote.

Ignorando restrições mecânicas

Uma bateria que funciona eletricamente pode não caber no gabinete ou pode sofrer compressão prejudicial.

Assumindo que o tempo de execução é igual à capacidade nominal

A capacidade nominal não é igual à energia utilizável sob todas as condições de carga e temperatura.

Comparando pacotes apenas por capacidade

Dois pacotes com a mesma capacidade podem diferir na qualidade da célula, capacidade de descarga, funções do BMS, dimensões e testes.

Lista de verificação de projeto de bateria de íon de lítio

Antes de aprovar um projeto, confirme:

• A faixa de tensão do dispositivo é definida

• As tensões nominal, mínima e máxima da bateria são identificadas

• Capacidade e energia utilizável são definidas

• Corrente contínua e de pico são conhecidas

• A configuração em série e paralela é selecionada

• Modelo de célula e grau de desempenho são identificados

• Os requisitos de correspondência de células são definidos

• As funções PCM ou BMS são especificadas

• As condições de carregamento estão confirmadas

• As dimensões da bateria são controladas

• Os requisitos de conector e cabo estão documentados

• A temperatura operacional é definida

• A meta de tempo de execução é declarada

• O teste de integração host-dispositivo está planejado

• Os critérios de aprovação do protótipo são definidos

• Os requisitos de produção e controle de mudanças são compreendidos

Para critérios mais amplos de compra de OEM, consulte Como escolher uma bateria recarregável de íons de lítio para um dispositivo OEM.

Perguntas frequentes

Qual é o fator mais importante no design da bateria de íons de lítio?

O fator mais importante é adequar a bateria aos requisitos elétricos e mecânicos completos do dispositivo host. Tensão, capacidade, corrente, BMS, dimensões e carga devem ser avaliadas em conjunto.

Como calculo a energia de uma bateria de íons de lítio?

Multiplique a tensão nominal pela capacidade em amperes-hora. Por exemplo, uma bateria de 7,4 V e 2 Ah possui aproximadamente 14,8 Wh de energia nominal.

Conectar células em série aumenta a capacidade?

Não. As conexões em série aumentam principalmente a tensão. Conexões paralelas aumentam a capacidade e a capacidade atual. Uma configuração série-paralelo pode aumentar a tensão e a capacidade.

Toda bateria de lítio precisa de um BMS?

O sistema de proteção necessário depende da configuração e aplicação do pacote. Um pacote simples de célula única pode usar um PCM, enquanto um pacote de múltiplas células pode exigir um BMS com funções de balanceamento e monitoramento.

Por quanto tempo uma bateria de lítio funciona em um dispositivo?

O tempo de execução depende da energia da bateria, potência do dispositivo, eficiência de conversão, configurações de corte, temperatura e variação de carga. Uma estimativa básica são os watts-hora da bateria divididos pela potência do dispositivo, ajustados para eficiência utilizável.

Qual é a diferença entre uma bateria personalizada e uma bateria padrão?

Uma bateria personalizada é projetada de acordo com a tensão, capacidade, corrente, dimensões, conector, BMS e requisitos de aplicação do produto OEM. Um pacote padrão geralmente usa uma configuração predefinida.

A tensão ou a capacidade devem ser selecionadas primeiro?

A faixa de tensão do dispositivo normalmente deve ser estabelecida primeiro. A capacidade pode então ser selecionada de acordo com o tempo de execução, espaço disponível, demanda atual e limitações de peso.

Conclusão

O projeto da bateria de íons de lítio é um processo de nível de sistema. Um design confiável deve conectar:

• Tensão

• Capacidade

• Energia

• Demanda atual

• Configuração em série e paralelo

• Seleção de células

• PCM ou BMS

• Carregando

• Tempo de execução

• Integração mecânica

• Requisitos do conector

• Necessidades de teste e produção

Uma célula de 3,7 V pode ser configurada em diferentes conjuntos de baterias, dependendo da tensão e capacidade necessárias. No entanto, a configuração elétrica é apenas uma parte do projeto. A bateria também deve funcionar corretamente com o carregador, dispositivo host, sistema de proteção e gabinete mecânico.

Se você estiver desenvolvendo uma bateria de íon de lítio personalizada, compartilhe a aplicação, tensão alvo, capacidade, demanda de corrente, dimensões, requisitos de conector, meta de tempo de execução e volume de produção esperado com a equipe técnica da ZERNE. A ZERNE oferece suporte ao desenvolvimento de baterias de lítio personalizadas para projetos OEM e ODM, desde a revisão inicial dos requisitos até o desenvolvimento de amostras e planejamento de produção.