Lithium-Ion Battery Pack Design: Spänning, Kapacitet, BMS och Runtime

Ett litiumjonbatteri definieras inte enbart av kapacitet. Ett lämpligt paket måste leverera erforderlig spänning, ge tillräckligt med användbar energi, stödja enhetens aktuella behov, passa det tillgängliga utrymmet och innehålla rätt skyddsfunktioner.

För ett OEM-projekt involverar batteripaketdesign också beslut om:

• Cellval

• Serie och parallell konfiguration

• Nominell spänning

• Kapacitet

• Topp och kontinuerlig ström

• BMS eller PCM

• Laddningsmetod

• Kontakt och kabel

• Mekanisk integration

• Driftstemperatur

• Förväntad körtid

• Test- och produktionskrav

Ett batteripaket kan ha rätt kapacitet men fel spänning. Det kan ge tillräckligt med energi men misslyckas under toppströmbehov. Det kan passa i höljet men sakna de skydds- eller kommunikationsfunktioner som krävs av värdenheten.

Den här guiden förklarar huvudprinciperna för design av litiumjonbatteripaket och visar hur OEM-team kan ansluta elektriska, mekaniska och systemkrav innan de går in i detaljerad utveckling.

För kommersiella batteripaketlösningar, se ZERNE's litiumbatteripaket . Produktsidan är avsedd för produkt- och lösningsförfrågningar, medan den här artikeln fokuserar på de tekniska besluten bakom batteripaketdesign.

Snabbt svar: Vad bör övervägas i design av litiumjonbatteripaket?

Ett litiumjonbatteri bör utformas genom att matcha följande faktorer:

1. Erforderlig driftspänning

2. Målkapacitet och användbar energi

3. Kontinuerlig och toppström

4. Serie- och parallellcellskonfiguration

5. BMS- eller PCM-skyddsfunktioner

6. Laddspänning och laddström

7. Tillgängligt batterifack

8. Krav på kontakt och kabel

9. Drifts- och lagringstemperatur

10. Krävd körtid

11. Test- och efterlevnadsbehov

12. Förväntad produktionsvolym

Den korrekta designen är den som uppfyller värdenhetens elektriska och mekaniska krav samtidigt som säker och repeterbar produktion bibehålls.

1. Börja med värdenhetskraven

Batteripaketets design bör börja med enheten, inte med en batterimodell.

Innan du väljer celler bör OEM-teamet definiera:

• Enhetens driftspänning

• Maximal inspänning

• Minsta driftspänning

• Kontinuerlig effektbehov

• Start eller toppeffektbehov

• Förväntad drifttid

• Laddningsmetod

• Tillgängligt batteriutrymme

• Kontaktdon och kabelposition

• Driftstemperatur

• Produktens livscykel

• Förväntad produktionsvolym

Batteriet bör utvärderas som en del av det kompletta kraftsystemet. Laddaren, strömstyrningskretsen, motorn, styrenheten, displayen, kommunikationsmodulen och andra belastningar kan alla påverka batterispecifikationen.

Till exempel kan en enhet endast förbruka en liten medelström men kräva en hög strömpuls när en motor startar eller en trådlös modul sänder. Om endast medeleffekt beaktas, kan batteriet verka lämpligt men misslyckas under faktisk drift.

För OEM-krav som storlek, kapacitet, spänning, BMS och kontakt, ZERNE's anpassade batterilösningar ger en relevant kommersiell ingång.

2. Välj erforderlig batterispänning

Spänning avgör om batteriet kan fungera med enhetens elsystem.

För många vanliga litiumjon- och litiumpolymerceller är den vanliga nominella spänningen cirka 3,6 V eller 3,7 V, medan fullladdningsspänningen vanligtvis är cirka 4,2 V. De exakta värdena beror på cellkemin och specifikationen.

När celler kopplas i serie ökar spänningen.

Dessa värden är vanliga referenspunkter för standard Li-ion- eller LiPo-konfigurationer. Den faktiska batteridesignen måste följa det valda celldatabladet och laddningssystemkraven.

Enhetens inspänningsområde bör kontrolleras noggrant. Ett batteri märkt 7,4 V ligger inte kvar på exakt 7,4 V under hela driften. Dess spänning ändras under laddning och urladdning.

Nominell spänning och driftspänning

OEM-ingenjörer bör skilja mellan:

• Nominell spänning

• Fulladdad spänning

• Typisk driftspänning

• Brytspänning

• Enhetens lägsta inspänning

• Enhetens maximala inspänning

En enhet som endast accepterar ett smalt spänningsområde kan kräva en DC-DC-omvandlare, spänningsregulator eller specifik batterihanteringsstrategi.

Praktiskt exempel: Att välja ett batteri för en 7,4 V-enhet

Om en OEM-enhet kräver en nominell batterispänning på cirka 7,4 V, kan en typisk lösning använda två 3,7 V-celler i serie, känd som en 2S-konfiguration.

Dock måste designteamet fortfarande kontrollera:

• Om enheten accepterar full laddningsspänning

• Om laddaren stödjer 2S-paketet

• Om cellbalansering krävs

• Om BMS stöder två serieceller

• Om enheten kan arbeta med lägsta packspänning

För en mer fokuserad jämförelse av serie- och parallellkonfigurationer, se Serie kontra parallella batteripaket.

3. Bestäm den erforderliga kapaciteten

Kapaciteten beskriver hur mycket elektrisk laddning batteriet kan lagra och uttrycks vanligtvis i milliampertimmar eller amperetimmar.

Kapaciteten ensam beskriver dock inte fullt ut den tillgängliga energin. Energi beror på både spänning och kapacitet.

Grundförhållandet är:

Energi i wattimmar = Spänning i volt × Kapacitet i amperetimmar

Till exempel:

• 3,7 V × 1 Ah = 3,7 Wh

• 7,4 V × 2 Ah = 14,8 Wh

• 14,8 V × 3 Ah = 44,4 Wh

När man jämför olika batterikonfigurationer är wattimmar ofta mer användbara än milliampetimmar eftersom spänningen kan vara annorlunda.

Exempel med 3,7 V, 1000 mAh celler

Antag att varje cell har:

• Nominell spänning: 3,7 V

• Kapacitet: 1000 mAh eller 1 Ah

Olika konfigurationer ger olika resultat:

Serieanslutningar ökar spänningen. Parallella anslutningar ökar kapaciteten. En serieparallell konfiguration kan öka båda.

Den detaljerade beräkningen av cellantal, seriekoppling och parallellkoppling ska hanteras i Hur man beräknar litiumjonbatteriets kapacitet.

4. Matcha kontinuerlig och toppström

Ett batteripaket måste ge tillräckligt med ström för både normal drift och tillfälligt toppbehov.

OEM-köpare bör identifiera:

• Genomsnittlig driftström

• Kontinuerlig ström

• Toppström

• Topplängd

• Startström

• Arbetscykel

• Minsta batterispänning under toppbelastning

Battericellen, BMS, kablar, svetspunkter och kontaktdon måste alla stödja den ström som krävs. Ett paket kan innehålla tillräckligt med lagrad energi men fortfarande misslyckas om dess urladdningsväg inte kan stödja enhetens aktuella behov.

Kontinuerlig ström

Kontinuerlig ström är den ström som batteriet måste leverera under normal drift. Det påverkar cellval, ledarstorlek, BMS-klassificering och termisk design.

Toppström

Toppström kan uppstå under:

• Motorstart

• Trådlös överföring

• Uppvärmning

• Pumpdrift

• Aktivering av belysning

• Snabb processoraktivitet

• Tillfälligt hög effekt

Toppens varaktighet är viktig. Ett batteri som stöder en kort puls kanske inte stöder samma ström kontinuerligt.

Aktuellt och maktförhållande

När enhetens effekt är känd kan strömmen uppskattas med:

Ström = Effekt ÷ Spänning

Till exempel skulle en belastning på 20 W från ett 7,4 V-batteri kräva ungefär:

20 W ÷ 7,4 V ≈ 2,7 A

Den faktiska konstruktionen bör också beakta omvandlingsförluster, spänningsvariationer, toppbehov och temperatur.

5. Välj serie och parallell konfiguration

Den serieparallella konfigurationen definierar batteripaketets elektriska struktur.

Serieanslutning

Celler kopplade i serie ökar spänningen medan kapaciteten i amperetimmar förblir ungefär lika med en cells.

Ett 2S1P-paket tillverkat av 3,7 V, 1000 mAh-celler ger ungefär:

• 7,4 V nominell spänning

• Kapacitet 1000 mAh

Parallell anslutning

Parallellkopplade celler ökar kapaciteten och strömkapaciteten medan spänningen förblir ungefär lika med den för en cell.

Ett 1S2P-paket tillverkat av samma celler ger ungefär:

• 3,7 V nominell spänning

• 2000 mAh kapacitet

Serie-parallell anslutning

Ett 2S2P-paket ger ungefär:

• 7,4 V nominell spänning

• 2000 mAh kapacitet

Designen måste också beakta:

• Cellmatchning

• Balansering

• Skydd

• Svets- eller anslutningsmetod

• Förpackningsmått

• Värmegenerering

• BMS arkitektur

Principen är enkel, men den slutliga designen bör kontrolleras mot den faktiska enheten och tillverkningsprocessen. Artikeln Serier kontra parallella batteripaket ger en snävare jämförelse.

6. Välj rätt cellformat och prestationsgrad

Cellens fysiska och elektriska egenskaper påverkar den kompletta förpackningsdesignen.

Viktiga cellparametrar inkluderar:

• Cellformat

• Mått

• Nominell kapacitet

• Utsläppshastighet

• Inre motstånd

• Cykelprestanda

• Driftstemperatur

• Laddningsförhållanden

• Vikt

• Tillgänglighet

• Produktionskonsistens

Påsceller kan stödja tunna eller formade mönster. Cylindriska celler kan erbjuda standardiserade dimensioner och mekanisk konsistens. Det bästa formatet beror på värdenheten och den prestanda som krävs.

Cellurval bör inte baseras på enbart kapacitet. En cell med högre kapacitet kan vara olämplig om den inte kan ge den erforderliga strömmen eller passa det tillgängliga utrymmet.

För en specifik jämförelse av cylindriska cellformat, se 26650 vs. 18650 batteri: storlek, spänning och kapacitet.

Cellmatchning

För flercellspaket bör celler matchas enligt relevanta parametrar som:

• Kapacitet

• Spänning

• Inre motstånd

• Produktionsbatch

• Åldrande tillstånd

Cellinkonsekvens kan påverka balansering, användbar kapacitet, temperatur och livslängd. En detaljerad diskussion om denna fråga finns tillgänglig i Varför litiumjonbatterier blir inkonsekventa och vad man ska göra.

7. Bestäm om paketet behöver en PCM eller BMS

Skyddselektronik är en viktig del av de flesta uppladdningsbara litiumbatterier.

PCM

En skyddskretsmodul kan vara lämplig för en enklare batterikonfiguration. Det kan tillhandahålla grundläggande funktioner som:

• Överladdningsskydd

• Överurladdningsskydd

• Överströmsskydd

• Kortslutningsskydd

BMS

Ett mer avancerat batterihanteringssystem kan behövas när paketet innehåller flera celler eller behöver ytterligare kontroll- och kommunikationsfunktioner.

En BMS kan stödja:

• Cellspänningsövervakning

• Cellbalansering

• Aktuell övervakning

• Temperaturövervakning

• Uppskattning av laddningstillstånd

• Feldetektering

• Kommunikation med värdenheten

• Laddnings- och urladdningskontroll

• Händelse- eller felregistrering

När är en BMS mer lämplig?

En BMS är vanligtvis mer relevant när:

• Batteriet innehåller flera celler i serie

• Cellbalansering krävs

• Enheten behöver information om batteristatus

• Batteriet arbetar under hög ström

• Applikationen kräver detaljerad felövervakning

• Värdenheten kommunicerar med batteriet

• Projektet kräver en smart batterifunktion

Designen bör definiera BMS-kraven innan prototypen produceras. Att ändra från ett grundläggande skyddskort till ett smart BMS senare kan påverka batteridimensioner, kontakt, firmware, testning och kostnad.

För ytterligare bakgrund om hur batterihantering påverkar laddningsstatus och batteribeteende, se Varför ditt litiumjonbatteris sista 1 procent håller bättre än du tror.

8. Uppskatta batteridrifttid

Drifttiden beror på batteriets användbara energi och enhetens faktiska effektbehov.

En grundläggande uppskattning är:

Uppskattad körtid = Batterienergi × användbar effektivitet ÷ enhetseffekt

För ett batteri specificerat av spänning och kapacitet:

Batterienergi = Nominell spänning × Kapacitet i amperetimmar

Runtime Exempel

Anta:

• Batteripaket: 7,4 V, 2000 mAh

• Nominell energi: 7,4 V × 2 Ah = 14,8 Wh

• Beräknad användbar systemeffektivitet: 85 %

• Enhetens effekt: 5 W

Användbar energi:

14,8 Wh × 0,85 = 12,58 Wh

Beräknad körtid:

12,58 Wh ÷ 5 W ≈ 2,5 timmar

Detta är en teknisk uppskattning, inte en garanterad drifttid.

Faktisk körtid kan påverkas av:

• Variabel enhetsbelastning

• Spänningskonverteringseffektivitet

• Inställningar för batteriavstängning

• Temperatur

• Batteriets ålder

• Utsläppshastighet

• Cellresistens

• BMS-skyddsgränser

• Enhetens standbyförbrukning

För en fullständig beräkningsmetod för körtid, se Hur man beräknar körtid för ett litiumbatteri.

9. Kontrollera mekanisk integration

Elektrisk prestanda är bara en del av batteripaketets design. Batteriet måste också passa säkert i värdprodukten.

Designen bör definiera:

• Maximal längd

• Maximal bredd

• Maximal tjocklek

• Installationsriktning

• Monteringsmetod

• Anslutningsåtkomst

• Kabelutgång

• Kompressionsgränser

• Vibrationsexponering

• Värmekällor

• Service- och byteskrav

Ett påsebatteri bör inte komprimeras av vassa kanter eller koncentrerat tryck. En cylindrisk förpackning kan kräva hållare, distanser eller strukturellt skydd. Batterifacket bör ta hänsyn till tillverkningstoleranser och den förväntade driftsmiljön.

Detaljerad design av fack, spelrum, värme- och svullnadsmöjlighet täcks separat i LiPo batterifack Design: Clearance & svullnad.

I den här artikeln är huvuddesignprincipen:

Batterifacket bör utformas tillsammans med batteripaketet, inte efter att batteriet redan har valts.

10. Definiera anslutnings- och kabelkrav

Kontakten och kabeln är en del av batterigränssnittet.

OEM-team bör ange:

• Typ av koppling

• Antal stift

• Aktuellt betyg

• Spänningsvärde

• Polaritet

• Låsningsmetod

• Kabellängd

• Trådmätare

• Trådutgångsläge

• Dragavlastning

• Plats för installation

• Nödvändiga signal- eller kommunikationslinjer

Strömkontakten kan skilja sig från kommunikationskontakten. Ett smart BMS kan kräva ytterligare signalstift för datakommunikation, temperaturavkänning eller identifiering.

Anslutningsvalet bör också beakta montering, sammankopplingscykler, vibrationer och fältunderhåll.

Det detaljerade kontaktvalet ligger utanför ramen för denna designöversikt och tas upp i Hur man väljer en kontakt för ett anpassat litiumbatteripaket.

11. Överväg laddningskrav

Batteripaketet måste vara kompatibelt med laddaren och laddningssystemet.

OEM-köpare bör definiera:

• Laddningsspänning

• Laddström

• Laddningstid

• Laddningsmetod

• Laddarens utgångstolerans

• Temperaturgränser

• Metod för uppsägning av avgifter

• Balanseringskrav

• Oavsett om batteriet är laddat inuti eller utanför enheten

Ett 2S-batteri kan inte laddas med en laddare avsedd för en enda cell. Laddningssystemet måste matcha packkonfigurationen och skyddselektroniken.

BMS eller PCM bör också vara kompatibel med laddarens driftsförhållanden. Laddningsbeteende kan påverka batteriets livslängd, temperatur och säkerhet, så det bör testas med den faktiska enheten och laddaren.

12. Bygg en komplett batteridesignspecifikation

Innan man begär en prototyp bör OEM-teamet kombinera de elektriska, mekaniska och gränssnittskraven till en kontrollerad specifikation.

En användbar specifikation bör innehålla:

Ett detaljerat kravpaket minskar omkonstruktioner och gör leverantörsofferter lättare att jämföra.

13. Fungerande OEM Exempel: Designa ett 7,4 V batteripaket

Anta att en OEM-enhet kräver:

• Nominell spänning: cirka 7,4 V

• Målkapacitet: 2000 mAh

• Medeleffekt: 5 W

• Toppström: högre än normal driftström

• Kompakt rektangulärt installationsutrymme

• Uppladdningsbar drift

• Övervakning av batteristatus

En möjlig preliminär designriktning kan vara:

• Två celler i serie för en 2S-konfiguration

• Två parallella cellvägar för erforderlig kapacitet

• En BMS med cellbalansering

• Temperaturövervakning

• En anpassad kontakt

• Ett paket designat runt värdenhetens hölje

• Körtidsverifiering under den faktiska belastningen på 5 W

Att använda två 1000 mAh-celler parallellt för varje seriegrupp ger ett ungefärligt 7,4 V, 2000 mAh-paket.

Den nominella energin är:

7,4 V × 2 Ah = 14,8 Wh

Med uppskattningsvis 85 % användbar systemeffektivitet är den förväntade användbara energin ungefär:

14,8 Wh × 0,85 = 12,58 Wh

Vid en kontinuerlig 5 W belastning är den initiala uppskattningen av körtiden ungefär:

12,58 Wh ÷ 5 W = 2,5 timmar

Före godkännande måste designteamet fortfarande verifiera:

• Aktuell efterfrågan

• Toppströmsvar

• Laddare kompatibilitet

• BMS-inställningar

• Termiskt beteende

• Mekanisk passform

• Anslutningens tillförlitlighet

• Körtid under verkliga enhetsförhållanden

Detta exempel illustrerar designlogiken. Den bör inte ersätta en applikationsspecifik batteriteknisk granskning.

Vanliga designmisstag för litiumjonbatteripaket

Välja kapacitet innan du kontrollerar spänningen

Ett batteri med tillräckligt med mAh kan fortfarande vara inkompatibelt med enheten om dess spänningsområde är fel.

Använder endast medelström

Toppbehov kan orsaka spänningsfall, BMS-avstängning eller överhettning av kontaktdon även när genomsnittlig förbrukning verkar acceptabel.

Behandla nominell spänning som konstant

Batterispänningen ändras under laddning och urladdning. Enheten måste tåla hela driftområdet.

Att välja en BMS för sent

BMS-dimensioner, ledningar, kommunikation och testning kan påverka hela förpackningsdesignen.

Ignorera mekaniska begränsningar

Ett batteri som fungerar elektriskt kanske inte passar i höljet eller kan uppleva skadlig kompression.

Förutsatt att körtiden är lika med nominell kapacitet

Nominell kapacitet är inte lika med användbar energi under alla belastnings- och temperaturförhållanden.

Jämför paket endast efter kapacitet

Två paket med samma kapacitet kan skilja sig åt i cellkvalitet, urladdningskapacitet, BMS-funktioner, dimensioner och testning.

Designchecklista för litiumjonbatteripaket

Innan du godkänner en design, bekräfta:

• Enhetens spänningsområde är definierat

• Nominell, lägsta och maximal batterispänning identifieras

• Kapacitet och användbar energi definieras

• Kontinuerlig ström och toppström är kända

• Serie- och parallellkonfiguration är vald

• Cellmodell och prestationsgrad identifieras

• Cellmatchningskrav definieras

• PCM- eller BMS-funktioner är specificerade

• Laddningsförhållandena är bekräftade

• Batteridimensioner kontrolleras

• Krav på kontakt och kabel är dokumenterade

• Drifttemperaturen är definierad

• Körtidsmål anges

• Integreringstestning av värdenhet är planerad

• Kriterier för prototypgodkännande definieras

• Produktions- och förändringskontrollkrav är förstådda

För bredare OEM-inköpskriterier, se Hur man väljer ett uppladdningsbart litiumjonbatteri för en OEM-enhet.

FAQ

Vilken är den viktigaste faktorn i design av litiumjonbatterier?

Den viktigaste faktorn är att matcha batteriet till värdenhetens kompletta elektriska och mekaniska krav. Spänning, kapacitet, ström, BMS, dimensioner och laddning ska utvärderas tillsammans.

Hur beräknar jag energin hos ett litiumjonbatteri?

Multiplicera nominell spänning med kapacitet i amperetimmar. Till exempel har ett 7,4 V, 2 Ah batteripaket cirka 14,8 Wh nominell energi.

Ökar kapaciteten att ansluta celler i serie?

Nej. Serieanslutningar ökar i första hand spänningen. Parallella anslutningar ökar kapaciteten och strömkapaciteten. En serieparallell konfiguration kan öka både spänning och kapacitet.

Behöver alla litiumbatterier ett BMS?

Vilket skyddssystem som krävs beror på paketets konfiguration och applikation. Ett enkelt encellspaket kan använda ett PCM, medan ett flercellspaket kan kräva ett BMS med balanserings- och övervakningsfunktioner.

Hur länge kommer ett litiumbatteripaket att driva en enhet?

Körtiden beror på batterienergi, enhetseffekt, konverteringseffektivitet, cutoff-inställningar, temperatur och belastningsvariation. En grundläggande uppskattning är batteriwattimmar dividerat med enhetens effekt, justerat för användbar effektivitet.

Vad är skillnaden mellan ett anpassat batteripaket och ett standardbatteri?

Ett anpassat batteripaket är designat utifrån OEM-produktens spänning, kapacitet, ström, dimensioner, kontaktdon, BMS och applikationskrav. Ett standardpaket använder vanligtvis en fördefinierad konfiguration.

Ska spänning eller kapacitet väljas först?

Enhetens spänningsområde bör normalt fastställas först. Kapacitet kan sedan väljas efter körtid, tillgängligt utrymme, aktuellt behov och viktbegränsningar.

Slutsats

Design av litiumjonbatterier är en process på systemnivå. En pålitlig design måste ansluta:

• Spänning

• Kapacitet

• Energi

• Aktuell efterfrågan

• Serie och parallell konfiguration

• Cellval

• PCM eller BMS

• Laddar

• Körning

• Mekanisk integration

• Krav på kontaktdon

• Test- och produktionsbehov

En 3,7 V-cell kan konfigureras till olika batteripaket beroende på erforderlig spänning och kapacitet. Den elektriska konfigurationen är dock bara en del av designen. Batteriet måste också fungera korrekt med laddaren, värdenheten, skyddssystemet och det mekaniska höljet.

Om du utvecklar ett anpassat litiumjonbatteri, dela applikationen, målspänning, kapacitet, aktuell efterfrågan, dimensioner, kontaktkrav, körtidsmål och förväntad produktionsvolym med ZERNE tekniska team. ZERNE stöder anpassad utveckling av litiumbatteripaket för OEM- och ODM-projekt, från initial kravgenomgång till provutveckling och produktionsplanering.