Конструкция литий-ионного аккумуляторного блока: напряжение, емкость, BMS и время работы

Литий-ионный аккумулятор определяется не только емкостью. Подходящий блок должен обеспечивать требуемое напряжение, обеспечивать достаточное количество полезной энергии, поддерживать ток, потребляемый устройством, соответствовать доступному пространству и включать правильные функции защиты.

Для OEM-проекта проектирование аккумуляторной батареи также включает в себя решения по следующим вопросам:

• Выбор ячейки

• Последовательная и параллельная конфигурация

• Номинальное напряжение

• Емкость

• Пиковый и непрерывный ток

• БМС или ПКМ

• Способ зарядки

• Разъем и кабель

• Механическая интеграция

• Рабочая температура

• Ожидаемое время работы

• Требования к тестированию и производству

Аккумуляторная батарея может иметь правильную емкость, но неправильное напряжение. Он может обеспечить достаточную энергию, но выйти из строя во время пикового потребления тока. Он может соответствовать корпусу, но не иметь функций защиты или связи, необходимых главному устройству.

В этом руководстве объясняются основные принципы проектирования литий-ионных аккумуляторных батарей и показано, как команды OEM-производителей могут соединить электрические, механические и системные требования, прежде чем переходить к детальной разработке.

Информацию о коммерческих аккумуляторных батареях см. на сайте ZERNE. литиевые аккумуляторные блоки . Страница продукта предназначена для запросов о продуктах и ​​решениях, а в этой статье основное внимание уделяется инженерным решениям, лежащим в основе конструкции аккумуляторных блоков.

Быстрый ответ: что следует учитывать при проектировании литий-ионного аккумулятора?

Литий-ионный аккумулятор должен быть спроектирован с учетом следующих факторов:

1. Требуемое рабочее напряжение

2. Целевая мощность и полезная энергия

3. Непрерывный и пиковый ток

4. Последовательная и параллельная конфигурация ячеек

5. Функции защиты BMS или PCM

6. Зарядное напряжение и зарядный ток

7. Доступный батарейный отсек

8. Требования к разъему и кабелю

9. Температура эксплуатации и хранения

10. Требуемое время выполнения

11. Потребности в тестировании и соблюдении требований

12. Ожидаемый объем производства

Правильная конструкция — это та, которая удовлетворяет электрическим и механическим требованиям главного устройства, сохраняя при этом безопасное и воспроизводимое производство.

1. Начните с требований к хост-устройству

Проектирование аккумуляторной батареи должно начинаться с устройства, а не с модели батареи.

Прежде чем выбирать элементы, команда OEM должна определить:

• Рабочее напряжение устройства

• Максимальное входное напряжение

• Минимальное рабочее напряжение

• Постоянное потребление электроэнергии

• Запуск или пиковая потребляемая мощность

• Ожидаемое время работы

• Способ зарядки

• Доступное место для аккумулятора

• Расположение разъема и кабеля

• Рабочая температура

• Жизненный цикл продукта

• Ожидаемый объем производства

Батарею следует оценивать как часть целостной энергосистемы. Зарядное устройство, схема управления питанием, двигатель, контроллер, дисплей, модуль связи и другие нагрузки могут влиять на характеристики аккумулятора.

Например, устройство может потреблять лишь небольшой средний ток, но требовать высокого импульса тока при запуске двигателя или передаче данных беспроводного модуля. Если рассматривать только среднюю мощность, батарея может показаться подходящей, но выйти из строя во время реальной работы.

Для требований OEM, таких как размер, мощность, напряжение, BMS и разъем, ZERNE Индивидуальные аккумуляторные решения обеспечивают подходящую коммерческую точку входа.

2. Выберите необходимое напряжение батареи.

Напряжение определяет, сможет ли аккумулятор работать с электрической системой устройства.

Для многих стандартных литий-ионных и литий-полимерных элементов общее номинальное напряжение составляет примерно 3,6 В или 3,7 В, тогда как напряжение полной зарядки обычно составляет около 4,2 В. Точные значения зависят от химического состава и технических характеристик элемента.

Когда элементы соединены последовательно, напряжение увеличивается.

Эти значения являются общими ориентирами для стандартных литий-ионных или LiPo-конфигураций. Фактическая конструкция аккумулятора должна соответствовать техническим характеристикам выбранного элемента и требованиям системы зарядки.

Следует тщательно проверить диапазон входного напряжения устройства. Батарея с маркировкой 7,4 В не сохраняет напряжение ровно 7,4 В в течение всей работы. Его напряжение меняется во время зарядки и разрядки.

Номинальное напряжение и рабочее напряжение

Инженеры OEM должны различать:

• Номинальное напряжение

• Напряжение полной зарядки

• Типичное рабочее напряжение

• Напряжение отсечки

• Минимальное входное напряжение устройства

• Максимальное входное напряжение устройства

Для устройства, которое поддерживает только узкий диапазон напряжения, может потребоваться преобразователь постоянного тока, регулятор напряжения или специальная стратегия управления батареями.

Практический пример: выбор аккумулятора для устройства на 7,4 В

Если OEM-устройству требуется номинальное напряжение батареи около 7,4 В, в типичном решении могут использоваться два последовательно соединенных элемента по 3,7 В, что известно как конфигурация 2S.

Однако проектная группа все равно должна проверить:

• Принимает ли устройство напряжение полной зарядки

• Поддерживает ли зарядное устройство пакет 2S

• Требуется ли балансировка ячеек

• Поддерживает ли BMS две ячейки серии

• Может ли устройство работать при минимальном напряжении батареи

Более подробное сравнение последовательной и параллельной конфигураций см. Последовательные и параллельные аккумуляторные блоки.

3. Определите необходимую мощность

Емкость показывает, сколько электрического заряда может хранить аккумулятор, и обычно выражается в миллиампер-часах или ампер-часах.

Однако сама по себе мощность не полностью описывает доступную энергию. Энергия зависит как от напряжения, так и от мощности.

Базовые отношения таковы:

Энергия в ватт-часах = Напряжение в вольтах × Емкость в ампер-часах.

Например:

• 3,7 В × 1 Ач = 3,7 Втч

• 7,4 В × 2 Ач = 14,8 Втч

• 14,8 В × 3 Ач = 44,4 Втч

При сравнении различных конфигураций аккумуляторов ватт-часы часто более полезны, чем миллиампер-часы, поскольку напряжение может быть разным.

Пример с элементами 3,7 В, 1000 мАч

Предположим, что каждая ячейка имеет:

• Номинальное напряжение: 3,7 В

• Емкость: 1000 мАч или 1 Ач

Различные конфигурации дают разные результаты:

Последовательные соединения увеличивают напряжение. Параллельное соединение увеличивает пропускную способность. Последовательно-параллельная конфигурация может увеличить оба показателя.

Подробный расчет количества ячеек, последовательного и параллельного соединения должен быть выполнен в Как рассчитать емкость литий-ионного аккумулятора.

4. Сопоставьте непрерывный и пиковый ток

Аккумуляторная батарея должна обеспечивать достаточный ток как для нормальной работы, так и для временной пиковой нагрузки.

Покупатели OEM должны указать:

• Средний рабочий ток

• Непрерывный ток

• Пиковый ток

• Пиковая продолжительность

• Пусковой ток

• Рабочий цикл

• Минимальное напряжение аккумулятора при пиковой нагрузке

Аккумуляторный элемент, BMS, провода, точки сварки и разъем должны поддерживать необходимый ток. Аккумулятор может содержать достаточно накопленной энергии, но все равно выйти из строя, если его путь разряда не может удовлетворить текущие потребности устройства.

Непрерывный ток

Непрерывный ток — это ток, который батарея должна выдавать при нормальной работе. Это влияет на выбор ячейки, размер проводника, номинал BMS и тепловую конструкцию.

Пиковый ток

Пиковый ток может возникнуть во время:

• Запуск двигателя

• Беспроводная передача

• Обогрев

• Работа насоса

• Активация освещения

• Быстрая активность процессора

• Временный выход высокой мощности

Продолжительность пика имеет важное значение. Батарея, поддерживающая короткий импульс, не может поддерживать одинаковый ток постоянно.

Текущие и властные отношения

Когда мощность устройства известна, ток можно оценить с помощью:

Ток = Мощность ÷ Напряжение

Например, для нагрузки 20 Вт, питаемой от батареи напряжением 7,4 В, потребуется примерно:

20 Вт ÷ 7,4 В ≈ 2,7 А

В фактическом проекте следует также учитывать потери преобразования, изменение напряжения, пиковую нагрузку и температуру.

5. Выберите последовательную и параллельную конфигурацию.

Последовательно-параллельная конфигурация определяет электрическую структуру аккумуляторной батареи.

Последовательное соединение

Ячейки, соединенные последовательно, увеличивают напряжение, в то время как емкость в ампер-часах остается примерно равной емкости одной ячейки.

Блок 2S1P из элементов 3,7 В, 1000 мАч обеспечивает примерно:

• Номинальное напряжение 7,4 В

• Емкость 1000 мАч

Параллельное соединение

Ячейки, соединенные параллельно, увеличивают емкость и ток, в то время как напряжение остается примерно равным напряжению одной ячейки.

Пакет 1С2П, изготовленный из тех же ячеек, обеспечивает примерно:

• Номинальное напряжение 3,7 В

• Емкость 2000 мАч

Последовательно-параллельное соединение

Пакет 2S2P обеспечивает примерно:

• Номинальное напряжение 7,4 В

• Емкость 2000 мАч

При проектировании также необходимо учитывать:

• Сопоставление ячеек

• Балансировка

• Защита

• Способ сварки или соединения

• Размеры упаковки

• Выработка тепла

• Архитектура BMS

Принцип прост, но окончательный проект следует сверить с реальным устройством и производственным процессом. Статья Последовательные и параллельные аккумуляторные блоки обеспечивают более узкое сравнение.

6. Выберите правильный формат ячейки и уровень производительности.

Физические и электрические характеристики элемента влияют на всю конструкцию упаковки.

Важные параметры ячейки включают в себя:

• Формат ячейки

• Размеры

• Номинальная мощность

• Скорость разряда

• Внутреннее сопротивление

• Производительность цикла

• Рабочая температура

• Условия зарядки

• Масса

• Доступность

• Стабильность производства

Ячейки мешочка могут поддерживать тонкие или фигурные конструкции. Цилиндрические ячейки могут иметь стандартизированные размеры и механическую стабильность. Лучший формат зависит от хост-устройства и требуемой производительности.

Выбор ячейки не должен основываться только на емкости. Ячейка с более высокой емкостью может оказаться непригодной, если она не может обеспечить требуемый ток или не умещается в доступном пространстве.

Подробное сравнение форматов цилиндрических ячеек см. Батарея 26650 и 18650: размер, напряжение и емкость.

Сопоставление ячеек

Для пакетов с несколькими ячейками ячейки должны сопоставляться по соответствующим параметрам, таким как:

• Емкость

• Напряжение

• Внутреннее сопротивление

• Производственная партия

• Состояние старения

Несоответствие ячеек может повлиять на балансировку, полезную емкость, температуру и срок службы. Подробное обсуждение этого вопроса доступно в Почему литий-ионные аккумуляторы становятся нестабильными и что делать.

7. Решите, нужен ли пакету PCM или BMS.

Защитная электроника является неотъемлемой частью большинства литиевых аккумуляторных батарей.

ПКМ

Модуль схемы защиты может подойти для более простой конфигурации батареи. Он может обеспечивать основные функции, такие как:

• Защита от перезаряда

• Защита от переразряда

• Защита от перегрузки по току

• Защита от короткого замыкания

БМС

Более совершенная система управления батареями может потребоваться, когда блок включает в себя несколько элементов или требует дополнительных функций управления и связи.

BMS может поддерживать:

• Мониторинг напряжения ячейки

• Балансировка ячеек

• Текущий мониторинг

• Мониторинг температуры

• Оценка состояния

• Обнаружение неисправностей

• Связь с хост-устройством

• Контроль зарядки и разрядки

• Запись событий или неисправностей

Когда BMS более уместна?

BMS обычно более актуальна, когда:

• Аккумулятор содержит несколько ячеек, соединенных последовательно.

• Требуется балансировка ячеек

• Устройству необходима информация о состоянии батареи.

• Аккумулятор работает под высоким током.

• Приложение требует детального мониторинга неисправностей

• Хост-устройство обменивается данными с аккумулятором

• Для проекта требуется интеллектуальная функция батареи

В проекте должны быть определены требования к BMS до того, как будет изготовлен прототип. Последующий переход с базовой защитной платы на интеллектуальную BMS может повлиять на размеры батареи, разъем, встроенное ПО, тестирование и стоимость.

Дополнительные сведения о том, как управление аккумулятором влияет на состояние заряда и поведение аккумулятора, см. Почему последний 1 процент вашей литий-ионной батареи держится лучше, чем вы думаете.

8. Оцените время работы от батареи

Время работы зависит от полезной энергии аккумулятора и фактической потребляемой мощности устройства.

Базовая оценка такова:

Расчетное время работы = энергия аккумулятора × полезная эффективность ÷ мощность устройства.

Для аккумулятора, указанного по напряжению и емкости:

Энергия аккумулятора = Номинальное напряжение × Емкость в ампер-часах.

Пример времени выполнения

Предполагать:

• Аккумулятор: 7,4 В, 2000 мАч.

• Номинальная энергия: 7,4 В × 2 Ач = 14,8 Втч

• Расчетная полезная эффективность системы: 85 %.

• Мощность устройства: 5 Вт

Полезная энергия:

14,8 Втч × 0,85 = 12,58 Втч

Предполагаемое время работы:

12,58 Втч ÷ 5 Вт ≈ 2,5 часа

Это инженерная оценка, а не гарантированное время работы.

На фактическое время выполнения могут влиять следующие факторы:

• Переменная нагрузка устройства

• Эффективность преобразования напряжения

• Настройки отключения батареи

• Температура

• Срок службы батареи

• Скорость разряда

• Сопротивление клеток

• Пределы защиты BMS

• Потребление устройства в режиме ожидания

Полный метод расчета времени выполнения см. Как рассчитать время работы литиевой батареи.

9. Проверьте механическую интеграцию

Электрические характеристики — это только одна часть конструкции аккумуляторной батареи. Аккумулятор также должен надежно вставляться в основной продукт.

В проекте должны быть определены:

• Максимальная длина

• Максимальная ширина

• Максимальная толщина

• Направление установки

• Способ крепления

• Доступ к разъему

• Выход кабеля

• Пределы сжатия

• Воздействие вибрации

• Источники тепла

• Требования к обслуживанию и замене

Аккумулятор в чехле не следует сжимать острыми краями или концентрированным давлением. Цилиндрическая упаковка может потребовать держателей, прокладок или структурной защиты. Батарейный отсек должен учитывать производственные допуски и ожидаемую рабочую среду.

Подробная конструкция отсека, зазоры, допуски на тепло и набухание описаны отдельно в Конструкция отсека для батарей LiPo: зазор и вздутие.

В этой статье основной принцип проектирования таков:

Батарейный отсек следует проектировать вместе с аккумуляторным блоком, а не после того, как аккумулятор уже выбран.

10. Определите требования к разъему и кабелю.

Разъем и кабель являются частью интерфейса аккумулятора.

Команды OEM должны указать:

• Тип разъема

• Количество контактов

• Текущий рейтинг

• Номинальное напряжение

• Полярность

• Метод блокировки

• Длина кабеля

• Калибр проволоки

• Положение выхода провода

• Снятие напряжения

• Место для установки

• Требуемые сигнальные линии или линии связи

Разъем питания может отличаться от разъема связи. Интеллектуальной BMS могут потребоваться дополнительные сигнальные контакты для передачи данных, измерения температуры или идентификации.

При выборе соединителя также следует учитывать сборку, циклы соединения, вибрацию и техническое обслуживание на месте.

Подробный выбор разъема выходит за рамки данного обзора конструкции и рассматривается в разделе Как выбрать разъем для индивидуального литиевого аккумулятора.

11. Учитывайте требования к зарядке

Аккумулятор должен быть совместим с зарядным устройством и системой зарядки.

Покупатели OEM должны определить:

• Зарядное напряжение

• Зарядный ток

• Время зарядки

• Способ зарядки

• Допуск на выход зарядного устройства

• Температурные пределы

• Метод прекращения заряда

• Требования к балансировке

• Заряжается ли аккумулятор внутри или снаружи устройства

Аккумуляторную батарею 2S нельзя заряжать с помощью зарядного устройства, рассчитанного на одну ячейку. Система зарядки должна соответствовать конфигурации аккумулятора и защитной электронике.

BMS или PCM также должны быть совместимы с условиями эксплуатации зарядного устройства. Поведение при зарядке может повлиять на срок службы аккумулятора, температуру и безопасность, поэтому его следует проверять на реальном устройстве и зарядном устройстве.

12. Создайте полную спецификацию конструкции батареи.

Прежде чем запрашивать прототип, команда OEM должна объединить электрические, механические требования и требования к интерфейсу в одну контролируемую спецификацию.

Полезная спецификация должна включать:

Подробный пакет требований сокращает необходимость повторного проектирования и упрощает сравнение предложений поставщиков.

13. Пример работающего OEM-производителя: разработка аккумуляторной батареи на 7,4 В.

Предположим, что OEM-устройству требуется:

• Номинальное напряжение: примерно 7,4 В

• Целевая емкость: 2000 мАч

• Средняя мощность: 5 Вт

• Пиковый ток: выше нормального рабочего тока

• Компактное прямоугольное пространство для установки

• Аккумуляторная работа

• Мониторинг состояния батареи

Возможным предварительным направлением проектирования может быть:

• Две ячейки последовательно для конфигурации 2S.

• Два параллельных пути ячеек для необходимой производительности

• BMS с балансировкой ячеек

• Мониторинг температуры

• Пользовательский соединитель

• Пакет, разработанный для корпуса хост-устройства

• Проверка времени работы при фактической нагрузке 5 Вт

При параллельном использовании двух аккумуляторов емкостью 1000 мАч для каждой группы серий получается блок питания примерно 7,4 В, 2000 мАч.

Номинальная энергия составляет:

7,4 В × 2 Ач = 14,8 Втч

При расчетном КПД системы, равном 85 %, ожидаемая полезная энергия составит примерно:

14,8 Втч × 0,85 = 12,58 Втч

При постоянной нагрузке 5 Вт начальная оценка времени работы составляет примерно:

12,58 Втч ÷ 5 Вт = 2,5 часа

Перед утверждением проектная группа должна еще проверить:

• Фактический текущий спрос

• Пиковый ток реакции

• Совместимость зарядного устройства

• Настройки БМС

• Термическое поведение

• Механическая посадка

• Надежность разъема

• Время работы в реальных условиях устройства

Этот пример иллюстрирует логику проектирования. Он не должен заменять обзор разработки аккумуляторов для конкретного применения.

Распространенные ошибки при проектировании литий-ионных аккумуляторов

Выбор мощности перед проверкой напряжения

Аккумулятор с достаточным количеством мАч может оказаться несовместимым с устройством, если у него неправильный диапазон напряжения.

Использование только среднего тока

Пиковая нагрузка может привести к падению напряжения, отключению BMS или перегреву разъема, даже если среднее потребление кажется приемлемым.

Рассматривая номинальное напряжение как постоянное

Напряжение аккумулятора меняется во время зарядки и разрядки. Устройство должно выдерживать полный рабочий диапазон.

Выбрать BMS слишком поздно

Размеры BMS, проводка, связь и тестирование могут повлиять на всю конструкцию упаковки.

Игнорирование механических ограничений

Батарея, работающая электрически, может не подходить к корпусу или подвергаться опасному сжатию.

Предполагая, что время работы равно номинальной мощности

Номинальная мощность не равна полезной энергии при любых нагрузках и температурных условиях.

Сравнение пакетов только по емкости

Две упаковки одинаковой емкости могут отличаться качеством элементов, способностью к разрядке, функциями BMS, размерами и результатами испытаний.

Контрольный список проектирования литий-ионного аккумулятора

Прежде чем утвердить дизайн, подтвердите:

• Диапазон напряжения устройства определен

• Определены номинальное, минимальное и максимальное напряжение батареи.

• Определены мощность и полезная энергия.

• Известны непрерывный и пиковый ток.

• Выбрана последовательная и параллельная конфигурация.

• Определяются модель ячейки и класс производительности.

• Определены требования к сопоставлению ячеек.

• Указаны функции PCM или BMS

• Условия зарядки подтверждены

• Размеры батареи контролируются

• Требования к разъемам и кабелям документированы.

• Рабочая температура определяется

• Указана цель выполнения

• Запланировано тестирование интеграции хост-устройства.

• Определены критерии утверждения прототипа

• Понятны требования к производству и контролю изменений

Более широкие критерии закупок OEM см. Как выбрать литий-ионную аккумуляторную батарею для OEM-устройства.

Часто задаваемые вопросы

Что является наиболее важным фактором при проектировании литий-ионного аккумулятора?

Наиболее важным фактором является соответствие батареи полным электрическим и механическим требованиям главного устройства. Напряжение, мощность, ток, BMS, размеры и зарядка должны оцениваться вместе.

Как рассчитать энергию литий-ионного аккумулятора?

Умножьте номинальное напряжение на емкость в ампер-часах. Например, аккумуляторная батарея напряжением 7,4 В, 2 Ач имеет номинальную энергию примерно 14,8 Втч.

Повышает ли последовательное соединение ячеек емкость?

Нет. Последовательные соединения в первую очередь повышают напряжение. Параллельные соединения увеличивают мощность и ток. Последовательно-параллельная конфигурация позволяет увеличить как напряжение, так и емкость.

Нужна ли каждому литиевому аккумуляторному блоку BMS?

Требуемая система защиты зависит от конфигурации пакета и применения. Простой блок с одной ячейкой может использовать PCM, тогда как пакет с несколькими ячейками может потребовать BMS с функциями балансировки и мониторинга.

Как долго литиевый аккумулятор будет работать на устройстве?

Время работы зависит от энергии аккумулятора, мощности устройства, эффективности преобразования, настроек отключения, температуры и изменения нагрузки. Базовая оценка представляет собой количество ватт-часов батареи, разделенное на мощность устройства с поправкой на полезную эффективность.

В чем разница между специальным аккумулятором и стандартным аккумулятором?

Специальный аккумулятор разрабатывается с учетом напряжения, емкости, тока, размеров, разъема, BMS и требований применения OEM-продукта. Стандартный пакет обычно использует предопределенную конфигурацию.

Что следует выбирать в первую очередь: напряжение или мощность?

Обычно сначала необходимо определить диапазон напряжения устройства. Затем емкость можно выбрать в соответствии с временем работы, доступным пространством, текущим спросом и ограничениями по весу.

Заключение

Проектирование литий-ионного аккумуляторного блока — это процесс системного уровня. Надежная конструкция должна соединять:

• Напряжение

• Емкость

• Энергия

• Текущий спрос

• Последовательная и параллельная конфигурация

• Выбор ячейки

• ПКМ или БМС

• Зарядка

• Время выполнения

• Механическая интеграция

• Требования к разъему

• Тестирование и производственные потребности

Элемент 3,7 В можно сконфигурировать в различные аккумуляторные блоки в зависимости от требуемого напряжения и емкости. Однако электрическая конфигурация — это только одна часть конструкции. Аккумулятор также должен правильно работать с зарядным устройством, главным устройством, системой защиты и механическим корпусом.

Если вы разрабатываете индивидуальный литий-ионный аккумулятор, сообщите технической команде ZERNE о применении, целевом напряжении, емкости, потребляемом токе, размерах, требованиях к разъемам, целевом времени автономной работы и ожидаемом объеме производства. ZERNE поддерживает разработку индивидуальных литиевых аккумуляторных батарей для проектов OEM и ODM, от первоначального анализа требований до разработки образцов и планирования производства.