วิธีการออกแบบชุดแบตเตอรี่ 18650 ด้วย BMS

การออกแบบชุดแบตเตอรี่ 18650 ด้วย BMS ต้องใช้มากกว่าการเชื่อมต่อหลายเซลล์เข้าด้วยกัน อุปกรณ์ต้องตรงกับแรงดันไฟฟ้า ความจุ กระแสไฟฟ้า ขนาด วิธีการชาร์จ อุณหภูมิในการทำงาน และข้อกำหนดในการป้องกันของอุปกรณ์

การออกแบบที่เชื่อถือได้จะรวมเซลล์ที่เข้ากันอย่างเหมาะสม การกำหนดค่าแบบอนุกรม-ขนานที่ถูกต้อง ระบบการจัดการแบตเตอรี่ที่เหมาะสม การปรับสมดุลของเซลล์ การป้องกันทางกลไก และการทดสอบการตรวจสอบความถูกต้องแบบควบคุม

ชุดแบตเตอรี่ 18650 พร้อม BMS คืออะไร?

ชุดแบตเตอรี่ 18650 ผลิตขึ้นโดยการเชื่อมต่อเซลล์ลิเธียมไอออน 18650 ทรงกระบอกแบบอนุกรม ขนาน หรือทั้งสองอย่างรวมกัน

• การเชื่อมต่อแบบอนุกรมจะเพิ่มแรงดันไฟฟ้า

• การเชื่อมต่อแบบขนานช่วยเพิ่มความจุและความสามารถในปัจจุบัน

• BMS จะตรวจสอบและปกป้องก้อนแบตเตอรี่ระหว่างการชาร์จและการคายประจุ

ตัวอย่างเช่น ชุดแบตเตอรี่ 3S2P มีกลุ่มอนุกรมสามกลุ่ม โดยมีเซลล์สองเซลล์เชื่อมต่อแบบขนานภายในแต่ละกลุ่ม แพ็คมีทั้งหมดหกเซลล์

BMS ที่ออกแบบอย่างเหมาะสมอาจให้:

• การป้องกันการชาร์จไฟเกินของเซลล์

• การป้องกันการคายประจุของเซลล์มากเกินไป

• การป้องกันกระแสเกิน

• ป้องกันการลัดวงจร

• การป้องกันอุณหภูมิเกิน

• ป้องกันการชาร์จที่อุณหภูมิต่ำ

• การตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าของเซลล์

• ปรับสมดุลของเซลล์

• ฟังก์ชั่นการสื่อสารหรือมาตรวัดน้ำมันเชื้อเพลิง

BMS ไม่ใช่เครื่องชาร์จหรือตัวแปลงแรงดันไฟฟ้า ไม่สามารถเปลี่ยนที่ชาร์จที่ออกแบบมาอย่างเหมาะสม เซลล์ที่เหมาะสม สายไฟที่ถูกต้อง หรือการป้องกันทางกลไกที่เพียงพอ

1. เริ่มต้นด้วยข้อกำหนดของอุปกรณ์

การออกแบบแบตเตอรี่ควรเริ่มต้นด้วยอุปกรณ์มากกว่าเซลล์แบตเตอรี่ที่มีอยู่

ก่อนที่จะเลือกเซลล์หรือ BMS ให้กำหนด:

• แรงดันไฟฟ้าในการทำงานที่ต้องการ

• แรงดันไฟฟ้าขาเข้าขั้นต่ำและสูงสุด

• เวลาทำการที่ต้องการ

• กระแสต่อเนื่อง

• กระแสไฟสูงสุดหรือสตาร์ทอัพ

• กำลังชาร์จปัจจุบัน

• พื้นที่ติดตั้งที่มีอยู่

• ข้อกำหนดของตัวเชื่อมต่อและสายเคเบิล

• อุณหภูมิในการทำงาน

• อายุการใช้งานของวงจรที่คาดหวัง

• ข้อกำหนดด้านการสื่อสาร

• ข้อกำหนดการรับรองและการขนส่ง

กำหนดช่วงแรงดันไฟฟ้าที่ต้องการ

อุปกรณ์อาจต้องใช้เอาต์พุต 12 V ที่มีการควบคุม แบตเตอรี่ปกติ 11.1 V หรือช่วงอินพุตที่กว้างขึ้น ข้อกำหนดเหล่านี้ไม่สามารถใช้แทนกันได้

การออกแบบควรคำนึงถึง:

• แรงดันแบตเตอรี่ที่กำหนด

• แรงดันการชาร์จสูงสุด

• แรงดันไฟฟ้าขั้นต่ำในการทำงาน

• BMS ตัดแรงดันไฟฟ้าเกิน

• เครื่องตัดแรงดันไฟฟ้า BMS

• แรงดันตกคร่อมโหลด

• ข้อกำหนดแรงดันไฟฟ้าของตัวแปลง DC-DC ใด ๆ

จำนวนอนุกรมที่เลือกจะกำหนดแรงดันไฟฟ้าที่กำหนด การชาร์จเต็ม และแรงดันไฟฟ้าตัดของชุด ที่ คู่มือแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ 18650 แสดงให้เห็นว่าค่าเหล่านี้เปลี่ยนแปลงไปอย่างไรในการกำหนดค่าแพ็คทั่วไป

วัดกระแสต่อเนื่องและกระแสสูงสุด

อุปกรณ์อาจดึงกระแสไฟเพียงเล็กน้อยระหว่างการทำงานปกติ แต่ต้องใช้พัลส์กระแสสูงเมื่อมอเตอร์ เครื่องส่ง ปั๊ม หรือโมดูลไร้สายเริ่มทำงาน

การออกแบบควรแยกแยะระหว่าง:

• กระแสไฟทำงานต่อเนื่อง

• ปัจจุบันเริ่มต้น

• กระแสสูงสุดในระยะสั้น

• กำลังชาร์จปัจจุบัน

• ปัจจุบันสแตนด์บาย

• กระแสไฟเฉลี่ยระหว่างรอบการทำงานที่สมบูรณ์

BMS ที่รองรับกระแสเฉลี่ยแต่ไม่สามารถจัดการกับกระแสสูงสุดได้อาจตัดการเชื่อมต่อแพ็คระหว่างการเริ่มต้นระบบ

อุปกรณ์กำลังสูงอาจจำเป็นต้องมี แบตเตอรี่คายประจุสูง แทนเซลล์ 18650 ที่เน้นพลังงานมาตรฐาน

ตรวจสอบพื้นที่ว่าง

การออกแบบทางกายภาพควรพิจารณามากกว่าเส้นผ่านศูนย์กลางและความยาวของเซลล์ นอกจากนี้ยังต้องรวมถึง:

• ระยะห่างระหว่างเซลล์

• วัสดุฉนวน

• บัสบาร์นิกเกิลหรือทองแดง

• ขนาดบอร์ด BMS

• ส่วนประกอบการป้องกัน

• เทอร์มิสเตอร์

• สายเคเบิลและขั้วต่อ

• ผนังกั้น

• จุดยึด

• พื้นที่กระจายความร้อน

แบตเตอรี่อาจมีข้อกำหนดทางไฟฟ้าที่ถูกต้อง แต่ยังคงไม่สามารถใส่เข้าไปในอุปกรณ์ได้หลังจากที่เพิ่ม BMS, สายไฟ และฉนวนแล้ว

2. เลือกและจับคู่เซลล์ 18650

ควรเลือกเซลล์ตามโปรไฟล์การโหลดจริงและสภาพแวดล้อมการทำงาน

ข้อกำหนดที่สำคัญ ได้แก่ :

• เคมีของเซลล์

• แรงดันไฟฟ้าที่กำหนด

• ความจุสูงสุด

• กระแสคายประจุต่อเนื่องสูงสุด

• ความสามารถในการปล่อยพัลส์

• กระแสไฟชาร์จที่แนะนำ

• ช่วงอุณหภูมิในการทำงาน

• สภาวะวงจรชีวิต

• แรงดันประจุสูงสุด

• เงื่อนไขการตัดจำหน่าย

• ขนาดของเซลล์

• ความต้านทานภายใน

เอกสารข้อมูลของผู้ผลิตเซลล์ควรมีความสำคัญมากกว่าข้อกำหนดทั่วไปทางออนไลน์ เซลล์ 18650 สองเซลล์อาจมีขนาดทางกายภาพเท่ากัน แต่ความจุ ประสิทธิภาพการคายประจุ และขีดจำกัดการชาร์จแตกต่างกันโดยสิ้นเชิง

อย่าผสมเซลล์ที่ไม่ตรงกัน

เซลล์ที่ใช้ในแพ็คเดียวกันโดยปกติควรจะมีลักษณะเหมือนกัน:

• ผู้ผลิต

• แบบอย่าง

• เคมี

• ความจุสูงสุด

• ชุดการผลิต หากเป็นไปได้

• อายุและประวัติการใช้งาน

การผสมเซลล์ใหม่และเซลล์ใช้แล้ว ยี่ห้อที่แตกต่างกัน หรือรุ่นความจุที่แตกต่างกันสามารถสร้างความไม่สมดุลของแรงดันไฟฟ้าและการแบ่งปันกระแสไฟฟ้าที่ไม่สม่ำเสมอ

เซลล์ที่อ่อนกว่าอาจถึงเกณฑ์การประจุไฟเกินหรือแรงดันไฟตกก่อนเซลล์อื่น จากนั้น BMS อาจตัดการเชื่อมต่อแพ็คทั้งหมด แม้ว่าแรงดันไฟโดยรวมของแพ็คจะถือว่ายอมรับได้ก็ตาม

สำหรับการผลิต OEM ควรตรวจสอบเซลล์ขาเข้าสำหรับ:

• แรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด

• ความจุ

• ความต้านทานภายใน

• ความเสียหายทางกายภาพ

• สภาพฉนวน

• ความสม่ำเสมอมาก

ไม่ควรใช้เซลล์ที่ได้รับการกู้คืนหรือเซลล์ที่ไม่ได้รับการยืนยันในชุดแบตเตอรี่เชิงพาณิชย์

3. กำหนดซีรี่ส์และการกำหนดค่าแบบขนาน

ปกติการกำหนดค่าแบบอนุกรม-ขนานจะเขียนเป็น S และ P โดย สัญกรณ์ S/P กำหนดวิธีรวมแรงดันไฟฟ้า ความจุ และความสามารถในปัจจุบัน ความสัมพันธ์เหล่านี้แสดงให้เห็นผ่านเรื่องทั่วไป การกำหนดค่าแบตเตอรี่แบบอนุกรมและแบบขนาน 18650.

• S หมายถึงจำนวนกลุ่มเซลล์ที่เชื่อมต่อแบบอนุกรม

• P หมายถึงจำนวนเซลล์ที่เชื่อมต่อแบบขนานในแต่ละกลุ่ม

ความสัมพันธ์พื้นฐานได้แก่:

แรงดันไฟฟ้าที่กำหนดของแพ็ค µ จำนวนอนุกรม × แรงดันไฟฟ้าระบุของเซลล์ ความจุของแพ็ค µ จำนวนนับขนาน × ความจุของเซลล์ จำนวนเซลล์ทั้งหมด = จำนวนอนุกรม × จำนวนขนาน 

ความสามารถในปัจจุบันยังเพิ่มขึ้นตามการนับแบบขนาน แต่ผลลัพธ์ที่แท้จริงขึ้นอยู่กับอัตราการคายประจุของเซลล์ พิกัด BMS รอยเชื่อม สายไฟ ขั้วต่อ และสภาวะความร้อน

การกำหนดค่าแพ็ค 18650 ทั่วไป

แรงดันไฟฟ้าที่แน่นอนขึ้นอยู่กับเอกสารข้อมูลของเซลล์และระบบการชาร์จที่ใช้สำหรับแบตเตอรี่

ตัวอย่าง: การออกแบบแพ็ค 3S2P

สมมติว่าเซลล์ 18650 ที่เลือกมี:

• แรงดันไฟฟ้าที่กำหนด: 3.6 โวลต์

• ความจุ: 2.5 แอมป์

• การคายประจุต่อเนื่องสูงสุด: 10 A

แพ็ค 3S2P จะให้ประมาณ:

• แรงดันไฟฟ้าที่กำหนด: 10.8 โวลต์

• ความจุ: 5 แอมป์

• พลังงาน: ประมาณ 54 Wh

• เซลล์ทั้งหมด: 6

• ความสามารถกระแสไฟฟ้าแบบขนานตามทฤษฎี: ประมาณ 20 A ก่อนที่จะพิจารณา BMS สายไฟ อุณหภูมิ และระยะขอบด้านความปลอดภัย

หากแรงดันไฟฟ้าระบุของเซลล์ที่ระบุคือ 3.7 V โดยทั่วไปจะอธิบายว่าแพ็คระบุเป็น 11.1 V แทน

BMS สำหรับตัวอย่างนี้ต้องได้รับการออกแบบสำหรับการกำหนดค่าเซลล์ 3 ซีรีส์ 4S BMS ไม่เหมาะเพียงเพราะมีพิกัดแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่า

ทำความเข้าใจกับกลุ่มซีรีส์ในชุดคู่ขนาน

ในแพ็ค 3S2P นั้น BMS มักจะตรวจสอบกลุ่มซีรีส์สามกลุ่ม แทนที่จะเป็นแรงดันไฟฟ้าของเซลล์ที่เป็นอิสระอย่างสมบูรณ์หกกลุ่ม

เซลล์ทั้งสองในแต่ละกลุ่มขนานใช้แรงดันไฟฟ้าเดียวกัน BMS จะตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าของแต่ละกลุ่มซีรี่ส์และปรับสมดุลกลุ่มระหว่างการชาร์จ

สิ่งนี้ทำให้การจับคู่เซลล์และการสร้างกลุ่มคู่ขนานมีความสำคัญ การเชื่อมต่อที่ไม่ดี เซลล์เสียหาย หรือการเชื่อมที่มีความต้านทานสูงภายในกลุ่มขนานกลุ่มเดียว อาจทำให้เกิดการกระจายกระแสที่ไม่สม่ำเสมอ

4. คำนวณความจุ พลังงาน และรันไทม์

โดยปกติความจุจะแสดงเป็นแอมแปร์-ชั่วโมง ในขณะที่พลังงานแสดงเป็นวัตต์-ชั่วโมง 

การคำนวณพลังงานโดยประมาณคือ:

พลังงานแพ็คในหน่วย Wh µ แรงดันไฟฟ้าที่กำหนด × ความจุในหน่วย Ah 

สำหรับตัวอย่าง 3S2P:

10.8 V × 5 Ah = ประมาณ 54 Wh 

จากนั้นสามารถคำนวณรันไทม์โดยประมาณได้ดังนี้:

รันไทม์เป็นชั่วโมง µ พลังงานแบตเตอรี่ที่ใช้งานได้เป็น Wh ۞ กำลังของอุปกรณ์เป็น W 

หากอุปกรณ์กินไฟต่อเนื่อง 10 W:

54 Wh ÷ 10 W = ประมาณ 5.4 ชั่วโมง 

ในทางปฏิบัติ รันไทม์ที่ใช้งานได้จะลดลงเนื่องจาก:

• การสูญเสียตัวแปลง DC-DC

• ขีดจำกัดการตัด BMS

• แรงดันตกคร่อมโหลด

• อุณหภูมิของเซลล์

• ริ้วรอยก่อนวัย

• อัตราการไหลสูง

• สำรองความปลอดภัย

• การเปลี่ยนแปลงการใช้พลังงานของอุปกรณ์

สำหรับอุปกรณ์ที่โหลดแบบแปรผัน พลังงานโดยเฉลี่ยตลอดวงจรการทำงานทั้งหมดจะมีประโยชน์มากกว่าพลังงานสูงสุดเพียงอย่างเดียว เพื่อการประมาณที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้น ให้รวมแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดกับพลังงานที่ใช้ได้ ประสิทธิภาพการแปลง ขีดจำกัดการตัด อุณหภูมิ และโปรไฟล์โหลดจริงใน ความจุของก้อนแบตเตอรี่ 18650 และการคำนวณรันไทม์.

ที่ เครื่องคิดเลขชุดแบตเตอรี่ 18650 สามารถประมาณการเบื้องต้นของจำนวนอนุกรม จำนวนขนาน แรงดันไฟฟ้าของชุด ความจุ พลังงาน และรันไทม์

5. เลือก BMS ที่ถูกต้อง

ควรเลือก BMS หลังจากกำหนดการกำหนดค่าแบบอนุกรม-ขนานแล้ว

ข้อกำหนด BMS ควรตรงกับพารามิเตอร์ต่อไปนี้

จำนวนซีรี่ส์

BMS ต้องตรงกับจำนวนกลุ่มซีรีส์:

• แพ็ค 2S → 2S BMS

• แพ็ค 3S → 3S BMS

• แพ็ค 4S → 4S BMS

• แพ็ค 6S → 6S BMS

จำนวนอนุกรมมีความสำคัญมากกว่าจำนวนเซลล์ทั้งหมด แพ็ค 3S2P ยังคงต้องใช้ 3S BMS

กระแสต่อเนื่องและกระแสสูงสุด

อัตราการปล่อยประจุอย่างต่อเนื่องของ BMS ควรเกินกระแสต่อเนื่องของอุปกรณ์ พิกัดสูงสุดควรครอบคลุมการสตาร์ทและกระแสไฟฟ้าชั่วคราวด้วย

การออกแบบควรพิจารณาเส้นทางปัจจุบันที่สมบูรณ์ ได้แก่:

• อัตราการปล่อยเซลล์

• ระดับ BMS MOSFET

• การเชื่อมต่อระหว่างนิกเกิลหรือทองแดง

• ฟิวส์

• สายไฟ

• ขั้วต่อ

• ร่องรอย PCB

• อุณหภูมิของตู้

BMS อาจมีพิกัดกระแสไฟสูง แต่ยังต้องมีการลดพิกัดเมื่อติดตั้งในตู้ขนาดเล็กที่มีการระบายอากาศไม่ดี

กำลังชาร์จปัจจุบัน

BMS จะต้องรองรับกระแสไฟชาร์จที่ต้องการ อุปกรณ์ชาร์จ เซลล์ BMS ขั้วต่อ และสายไฟควรใช้งานร่วมกันได้

ควรเลือกกระแสไฟชาร์จตามข้อกำหนดการชาร์จของเซลล์และอายุการใช้งานที่ต้องการ การชาร์จที่เร็วขึ้นไม่ใช่การชาร์จที่ดีกว่าโดยอัตโนมัติ หากทำให้เกิดความร้อนมากเกินไปหรือเร่งการแก่ของเซลล์

เกณฑ์การป้องกัน

พารามิเตอร์ BMS ต่อไปนี้จำเป็นต้องได้รับการตรวจสอบอย่างรอบคอบ:

• เกณฑ์แรงดันไฟฟ้าเกินของเซลล์

• เกณฑ์แรงดันไฟกระชากของเซลล์

• เกณฑ์กระแสเกิน

• การตอบสนองการลัดวงจร

• เกณฑ์อุณหภูมิเกิน

• ขีดจำกัดการชาร์จที่อุณหภูมิต่ำ

• เงื่อนไขการฟื้นตัว

• เวลาล่าช้าในการป้องกัน

• ปรับสมดุลแรงดันสตาร์ท

• ปรับสมดุลปัจจุบัน

ค่าเหล่านี้ต้องเข้ากันได้กับเอกสารข้อมูลเซลล์และข้อกำหนด BMS ชุดเกณฑ์การป้องกันสากลไม่เหมาะสำหรับเซลล์ 18650 ทุกเซลล์

การตรวจสอบเซลล์ การควบคุมการชาร์จและการคายประจุ และการจัดการข้อผิดพลาดเป็นแกนหลักของ โครงสร้างระบบการจัดการแบตเตอรี่.

ฟังก์ชั่นการสื่อสารและมาตรวัดน้ำมันเชื้อเพลิง

แอปพลิเคชั่นบางตัวต้องการการปกป้องขั้นพื้นฐานเท่านั้น อื่นๆ ต้องการ:

• การประมาณค่าสถานะ

• การติดตามสถานะของสุขภาพ

• การรับรองความถูกต้องของแบตเตอรี่

• การสื่อสาร SMBus, I⊃2;C, CAN หรือ UART

• การคำนวณรันไทม์ที่เหลือ

• การบันทึกข้อผิดพลาด

• การสื่อสารระหว่างอุปกรณ์โฮสต์

อุปกรณ์ทางการแพทย์ อุปกรณ์อุตสาหกรรม และผลิตภัณฑ์พกพาอัจฉริยะอาจต้องใช้ BMS อัจฉริยะแทนแผงป้องกันพื้นฐาน

6. BMS ปกป้องชุดแบตเตอรี่ 18650 อย่างไร

โดยปกติ BMS จะตรวจสอบกลุ่มซีรีส์แต่ละกลุ่มและตัดการเชื่อมต่อแบตเตอรี่เมื่อตรวจพบสภาพที่ไม่ปลอดภัย

การอ่านค่าแรงดันไฟฟ้าระดับแพ็คไม่สามารถเปิดเผยสภาพของแต่ละกลุ่มซีรีส์ได้เสมอไป กลุ่มที่อ่อนแอกลุ่มหนึ่งอาจถึงขีดจำกัดการป้องกันในขณะที่แรงดันไฟฟ้ารวมของชุดยังคงปรากฏเป็นปกติ

ด้วยเหตุผลดังกล่าว แพ็คหลายเซลล์จึงจำเป็นต้องมีตรรกะการตรวจจับและการป้องกันกลุ่มเซลล์ที่เชื่อถือได้ มากกว่าการตรวจสอบแรงดันไฟฟ้ารวมทั่วไป

7. เหตุใดการปรับสมดุลของเซลล์จึงมีความสำคัญ

เซลล์ในชุดแพ็คจะไม่เหมือนกันทุกประการตลอดอายุการใช้งาน

ความไม่สมดุลของแรงดันไฟฟ้าสามารถเกิดขึ้นได้เนื่องจาก:

• ความแตกต่างด้านการผลิตเล็กน้อย

• ความต้านทานภายในไม่เท่ากัน

• สถานะการชาร์จเริ่มต้นที่แตกต่างกัน

• อุณหภูมิไม่สม่ำเสมอ

• ริ้วรอยก่อนวัย

• ความแตกต่างในการปลดปล่อยตัวเอง

• ความต้านทานการเชื่อมหรือตัวเชื่อมต่อไม่สอดคล้องกัน

• การทำงานด้วยกระแสสูงซ้ำๆ

กลุ่มซีรีส์ที่อ่อนแอที่สุดสามารถจำกัดความจุการใช้งานของทั้งแพ็กได้ อาจถึงขีดจำกัดแรงดันไฟฟ้าด้านบนระหว่างการชาร์จ หรือขีดจำกัดแรงดันไฟฟ้าล่างในระหว่างการคายประจุก่อนกลุ่มอื่นๆ เนื่องจากความแตกต่างในด้านความจุ ความต้านทานภายใน และแรงดันไฟฟ้าส่งผลต่อทั้งการแบ่งกระแสและระยะเวลาในการป้องกัน การจับคู่เซลล์ในชุดแบตเตอรี่ 18650 ควรถือเป็นส่วนหนึ่งของกระบวนการออกแบบ

การปรับสมดุลเซลล์แบบพาสซีฟ

การปรับสมดุลแบบพาสซีฟเป็นแนวทางที่ง่ายกว่า จะช่วยลดแรงดันไฟฟ้าของกลุ่มเซลล์ไฟฟ้าแรงสูงโดยการแปลงพลังงานส่วนเกินจำนวนเล็กน้อยให้เป็นความร้อน

ข้อดีหลักคือ:

• การออกแบบวงจรอย่างง่าย

• ต้นทุนที่ต่ำกว่า

• บูรณาการได้ง่าย

• ความพร้อมกว้าง

• ความเหมาะสมกับชุดแบตเตอรี่ขนาดกะทัดรัดจำนวนมาก

ข้อจำกัดคือพลังงานส่วนเกินจะสูญเสียไปในรูปของความร้อน การปรับสมดุลแบบพาสซีฟอาจใช้เวลานานเมื่อความไม่สมดุลมีนัยสำคัญ

การปรับสมดุลเซลล์ที่ใช้งานอยู่

การปรับสมดุลแบบแอคทีฟจะถ่ายโอนพลังงานจากกลุ่มแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าไปยังกลุ่มแรงดันไฟฟ้าต่ำ แทนที่จะกระจายพลังงานส่วนเกินทั้งหมดไปเป็นความร้อน

แนวทางนี้สามารถนำเสนอ:

• ลดการสูญเสียสมดุล

• ประสิทธิภาพที่ดีขึ้นในแพ็คที่ใหญ่ขึ้น

• การใช้กำลังการผลิตที่มีอยู่อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น

• เหมาะสมกว่าสำหรับสภาวะการปั่นจักรยานที่มีความต้องการสูง

ข้อเสียเปรียบได้แก่:

• ต้นทุนที่สูงขึ้น

• วงจรควบคุมที่ซับซ้อนมากขึ้น

• งานออกแบบและการตรวจสอบเพิ่มเติม

• ข้อควรพิจารณาเกี่ยวกับพื้นที่และความร้อนที่มากขึ้น

การปรับสมดุลแบบพาสซีฟมักเหมาะสำหรับบรรจุภัณฑ์ที่มีขนาดกะทัดรัดและคำนึงถึงต้นทุนซึ่งมีเซลล์ที่เข้ากันดี การปรับสมดุลแบบแอคทีฟจะน่าสนใจยิ่งขึ้นเมื่อบรรจุภัณฑ์มีขนาดใหญ่ หมุนเวียนบ่อยครั้ง พื้นที่จำกัด หรือจำเป็นต้องรักษาความสม่ำเสมอของแรงดันไฟฟ้าในระยะยาว

การปรับสมดุลช่วยซ่อมแซมเซลล์ที่ไม่ดีหรือไม่?

ไม่ได้ การปรับสมดุลสามารถแก้ไขความแตกต่างที่จำกัดระหว่างเซลล์ที่มีสุขภาพดีได้ แต่ไม่สามารถซ่อมแซมเซลล์ที่เสียหาย มีอายุมากขึ้น หรือมีการปลดปล่อยตัวเองอย่างผิดปกติได้

หากกลุ่มซีรีส์หนึ่งแยกออกจากกลุ่มอื่นๆ ซ้ำๆ ให้ตรวจสอบ:

• ความจุของเซลล์

• ความต้านทานภายใน

• การรั่วไหลหรือการปลดปล่อยตัวเอง

• คุณภาพการเชื่อม

• สายตรวจจับ BMS

• ความแตกต่างของอุณหภูมิ

• ความต้านทานของตัวเชื่อมต่อ

ความไม่สมดุลซ้ำๆ มักเป็นสัญญาณว่าการออกแบบเซลล์ การเชื่อมต่อ หรือแพ็คจำเป็นต้องได้รับการดูแล การเพิ่มกระแสสมดุลเพียงอย่างเดียวอาจไม่สามารถแก้ปัญหาได้

8. การออกแบบชุดเครื่องกลและไฟฟ้า

ประสิทธิภาพทางไฟฟ้าเป็นเพียงส่วนหนึ่งของชุดแบตเตอรี่ 18650 ที่เชื่อถือได้

ใช้กระบวนการเชื่อมต่อโครงข่ายที่มีการควบคุม

โดยทั่วไปชุดแบตเตอรี่เชิงพาณิชย์จะใช้การเชื่อมแบบจุดแบบควบคุมหรือวิธีการเชื่อมต่อโครงข่ายอื่นที่มีคุณสมบัติเหมาะสม การบัดกรีโดยตรงกับเซลล์ลิเธียมไอออนทรงกระบอกสามารถถ่ายเทความร้อนที่มากเกินไปไปยังเซลล์ และสร้างความเสี่ยงด้านความน่าเชื่อถือในระยะยาว

การออกแบบการเชื่อมต่อโครงข่ายควรควบคุม:

• ความแข็งแรงในการเชื่อม

• ความต้านทานเส้นทางปัจจุบัน

• การสร้างความร้อน

• ความต้านทานการสั่นสะเทือน

• ขนาดแท็บและบัสบาร์

• ลักษณะการทำงานของฟิวส์ลิงค์

• การทำซ้ำการผลิต

ปกป้องขั้วเซลล์

ขั้วบวกของเซลล์ 18650 ควรได้รับการปกป้องด้วยส่วนประกอบฉนวนที่เหมาะสม เช่น วงแหวนฉนวนและการป้องกันกระดาษปลา

แพ็คอาจต้องการ:

• ตัวแยกเซลล์

• แผ่นฉนวน

• สิ่งกีดขวางเทอร์มินัล

• วัสดุป้องกันรอยขีดข่วน

• วัสดุไม่ลามไฟ

• ป้องกันการเคลื่อนไหวของเซลล์

• เคลียร์รอบบอร์ด BMS

เซลล์ที่หลวมหรือฉนวนที่เสียหายอาจทำให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจรภายในได้

ออกแบบเส้นทางความร้อน

การออกแบบการระบายความร้อนควรพิจารณาทั้งเซลล์และ BMS

การออกแบบอาจรวมถึง:

• เทอร์มิสเตอร์ที่ติดอยู่กับตำแหน่งเซลล์ตัวแทน

• การตรวจวัดอุณหภูมิใกล้บริเวณที่ร้อนที่สุด

• เส้นทางความร้อนอยู่ห่างจาก MOSFET

• การระบายอากาศหรือการถ่ายเทความร้อนของตู้

• ระยะห่างระหว่างส่วนประกอบที่สร้างความร้อน

• ป้องกันแหล่งความร้อนภายนอก

ตำแหน่งเทอร์มิสเตอร์ควรสะท้อนถึงความเสี่ยงด้านความร้อนที่เกิดขึ้นจริง การวางเซ็นเซอร์ให้ห่างจากเซลล์อาจทำให้การอ่านอุณหภูมิไม่ถูกต้อง

เลือกสายไฟและขั้วต่ออย่างระมัดระวัง

การเลือกสายเคเบิลและตัวเชื่อมต่อควรคำนึงถึง:

• กระแสต่อเนื่อง

• กระแสสูงสุด

• ความยาวสายเคเบิล

• แรงดันไฟฟ้าตก

• อุณหภูมิ

• การเคลื่อนไหวทางกล

• รอบการผสมพันธุ์

• ข้อกำหนดในการล็อค

• การป้องกันขั้ว

ขั้วต่อที่ได้รับการจัดอันดับสำหรับกระแสไฟเฉลี่ยอาจยังคงทำงานล้มเหลวภายใต้พัลส์สตาร์ทซ้ำหรืออุณหภูมิสูงขึ้น

9. ทดสอบและตรวจสอบชุดแบตเตอรี่

บรรจุภัณฑ์ที่พร้อมสำหรับการผลิตควรได้รับการตรวจสอบความถูกต้องทางไฟฟ้า ทางกล ทางความร้อน และด้านการใช้งาน

การทดสอบระดับเซลล์

ก่อนการประกอบ การทดสอบความจุและความสมบูรณ์ของแบตเตอรี่ 18650 จะให้ความจุ ความต้านทานภายใน และข้อมูลแรงดันไฟฟ้าที่จำเป็นสำหรับการจับคู่เซลล์

• เอกลักษณ์ของเซลล์

• แรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด

• ความจุ

• ความต้านทานภายใน

• สภาพร่างกาย

• ฉนวนกันความร้อน

• การจับคู่ระหว่างเซลล์

การทดสอบระดับแพ็ค

หลังการประกอบ ให้ตรวจสอบ:

• แรงดันไฟฟ้ารวมของแพ็ค

• แรงดันไฟฟ้าของทุกซีรีย์กรุ๊ป

• ลำดับสาย BMS ที่ถูกต้อง

• ลักษณะการชาร์จ

• พฤติกรรมการคายประจุ

• การป้องกันการชาร์จไฟเกิน

• การป้องกันการคายประจุมากเกินไป

• การป้องกันกระแสเกิน

• การตอบสนองการลัดวงจรในการตั้งค่าห้องปฏิบัติการที่มีการควบคุม

• ป้องกันอุณหภูมิ

• พฤติกรรมที่สมดุล

• ขั้วต่อขั้ว

• ฟังก์ชั่นการสื่อสาร ถ้ามี

การทดสอบแอปพลิเคชัน

ควรทดสอบชุดอุปกรณ์ภายในอุปกรณ์ขั้นสุดท้ายด้วย

การทดสอบที่เกี่ยวข้องอาจรวมถึง:

• การทดสอบการเริ่มต้นและโหลดสูงสุด

• รันไทม์ต่อเนื่อง

• เวลาในการชาร์จ

• การทำงานที่อุณหภูมิต่ำและสูง

• อุณหภูมิของตู้

• การทดสอบการสั่นสะเทือนและการตก

• การทดสอบวงจร

• การทดสอบกระแสไฟสแตนด์บาย

• การจัดเก็บข้อมูลระยะยาว

• การทดสอบการขนส่งและการรับรอง

การทดสอบควรดำเนินการผ่านตัวอย่าง ขั้นตอนนำร่อง และขั้นตอนการผลิต แบตเตอรี่ที่ทำงานได้ดีในห้องปฏิบัติการแบบเปิดอาจทำงานแตกต่างออกไปภายในตู้ขนาดกะทัดรัด

10. ข้อผิดพลาดทั่วไปในการออกแบบชุดแบตเตอรี่ 18650

การเลือก BMS ก่อนที่จะกำหนด Pack

BMS ควรเป็นไปตามจำนวนอนุกรม กระแสไฟฟ้า วิธีการชาร์จ ข้อกำหนดด้านอุณหภูมิ และความต้องการด้านการสื่อสาร การเลือก BMS ทั่วไปก่อนมักจะสร้างปัญหาในการบูรณาการ

อาศัยเฉพาะแรงดันไฟฟ้ารวมเท่านั้น

แรงดันไฟฟ้ารวมไม่ได้แสดงว่ากลุ่มอนุกรมหนึ่งมีกำลังอ่อนกว่ากลุ่มอื่นๆ อย่างมีนัยสำคัญหรือไม่ การตรวจสอบกลุ่มบุคคลเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับแพ็คหลายเซลล์

การใช้เซลล์ที่แตกต่างกันในหนึ่งแพ็ค

ความจุที่แตกต่างกัน ความต้านทานภายใน หรือระดับการเสื่อมสภาพอาจทำให้เกิดการแบ่งปันกระแสไฟฟ้าที่ไม่สม่ำเสมอและการตัดการเชื่อมต่อการป้องกันก่อนเวลาอันควร

การปฏิบัติต่อ BMS เสมือนเป็นเครื่องชาร์จ

BMS สามารถปกป้องและตรวจสอบแพ็คได้ แต่ไม่สามารถแทนที่เครื่องชาร์จด้วย โปรไฟล์การชาร์จ จับคู่ทางเคมีและอนุกรม ที่ เครื่องชาร์จยังคงต้องแสดงแรงดันไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า การควบคุม CC/CV และพฤติกรรมการสิ้นสุดตามที่ระบุไว้สำหรับชุดที่เลือก

ไม่สนใจกระแสสูงสุด

อุปกรณ์อาจทำงานในระหว่างการทำงานปกติแต่จะปิดเมื่อมอเตอร์ เครื่องส่ง ปั๊ม หรือโปรเซสเซอร์สร้างกระแสไฟกระชากระยะสั้น

ไม่เหลือขอบความร้อน

พิกัดเซลล์และ BMS สามารถลดลงได้ด้วยอุณหภูมิแวดล้อมที่สูง การระบายอากาศไม่ดี และตัวเครื่องขนาดกะทัดรัด

ข้ามการตรวจสอบความสมดุล

BMS อาจมีฟังก์ชันการปรับสมดุล แต่ไม่ได้พิสูจน์โดยอัตโนมัติว่าพฤติกรรมของกระแสไฟสมดุล แรงดันการเปิดใช้งาน เวลา และอุณหภูมิมีความเหมาะสมสำหรับการใช้งาน

11. ข้อมูลสำหรับผู้ผลิตแบตเตอรี่ OEM

ผู้ผลิตแบตเตอรี่สามารถพัฒนาโซลูชันที่แม่นยำยิ่งขึ้นได้เมื่อข้อกำหนดเบื้องต้นเสร็จสมบูรณ์

แพ็คเกจข้อกำหนดที่เป็นประโยชน์ควรประกอบด้วย:

เมื่อมีการกำหนดข้อกำหนดเหล่านี้ ZERNE ก็สามารถพัฒนาได้ โซลูชันชุดแบตเตอรี่ 18650 แบบกำหนดเอง สำหรับแรงดันไฟฟ้า ความจุ ขนาด ขั้วต่อ BMS และเงื่อนไขการผลิตที่ต้องการ สำหรับโครงการที่ต้องการแพ็คสำเร็จรูปแทนที่จะเป็นเซลล์แบบหลวม ZERNE's ตัวเลือก ชุดแบตเตอรี่ 18650 สามารถกำหนดค่าได้ตามข้อกำหนดทางไฟฟ้าและเครื่องกลที่ต้องการ

คำถามที่พบบ่อย

ต้องใช้เซลล์ 18650 กี่เซลล์ในการสร้างแบตเตอรี่

จำนวนเซลล์ทั้งหมดคำนวณได้ดังนี้:

เซลล์ทั้งหมด = จำนวนอนุกรม × จำนวนขนาน 

ตัวอย่างเช่น แพ็ค 3S2P ต้องใช้หกเซลล์

ฉันต้องใช้ BMS ใดสำหรับชุดแบตเตอรี่ 3S2P 18650

โดยปกติแล้วแพ็ค 3S2P ต้องใช้ BMS ที่ออกแบบมาสำหรับกลุ่มซีรีส์สามกลุ่ม การนับแบบขนานส่งผลต่อความจุและความสามารถในปัจจุบัน ในขณะที่พิกัดซีรีส์ BMS จะต้องตรงกับจำนวนกลุ่มซีรีส์

พิกัดปัจจุบันของ BMS จะต้องตรงกับข้อกำหนดการรับน้ำหนักต่อเนื่องและสูงสุดของแพ็คด้วย

ก้อนแบตเตอรี่ 18650 ทุกก้อนจำเป็นต้องมี BMS หรือไม่

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนหลายเซลล์แบบชาร์จซ้ำได้ส่วนใหญ่จำเป็นต้องมีระบบป้องกันและการตรวจสอบที่เหมาะสม สถาปัตยกรรมที่แน่นอนอาจเป็น BMS, PCM หรือระบบแบตเตอรี่อัจฉริยะขั้นสูงขึ้นอยู่กับแอปพลิเคชัน

อุปกรณ์เชิงพาณิชย์ควรใช้การออกแบบการป้องกันตามโปรไฟล์ความเสี่ยงที่แท้จริง แทนที่จะเป็นบอร์ดทั่วไปที่เลือกตามแรงดันไฟฟ้าเท่านั้น

BMS ปรับสมดุลเซลล์ทั้งหมดโดยอัตโนมัติหรือไม่

มีเพียง BMS ที่มีฟังก์ชันการปรับสมดุลเท่านั้นที่สามารถสร้างสมดุลกลุ่มอนุกรมได้ ถึงกระนั้นก็ตาม การปรับสมดุลมักได้รับการออกแบบมาเพื่อแก้ไขความแตกต่างที่จำกัดระหว่างกลุ่มที่มีสุขภาพดี

ไม่สามารถซ่อมแซมเซลล์ที่เสียหายหรือเสื่อมสภาพอย่างรุนแรงได้

สามารถใช้เซลล์ 18650 ที่แตกต่างกันในแบตเตอรี่ก้อนเดียวกันได้หรือไม่

โดยทั่วไปไม่แนะนำ เซลล์ในชุดเดียวกันควรตรงกันในรุ่น เคมี ความจุ อายุ และสภาพทางไฟฟ้า

การใช้เซลล์ที่ไม่ตรงกันอาจทำให้เกิดการชาร์จไม่สม่ำเสมอ ความจุลดลง เกิดความร้อนสูงเกิน และตัดการป้องกันก่อนกำหนด

แพ็ค 3S2P มีประสิทธิภาพมากกว่าแพ็ค 3S1P หรือไม่

แพ็ค 3S2P มีแรงดันไฟฟ้าปกติเหมือนกับแพ็ค 3S1P แต่มีความจุประมาณสองเท่าและความสามารถด้านกระแสไฟมากกว่าเมื่อเซลล์ถูกจับคู่อย่างเหมาะสม

นอกจากนี้ยังมีเซลล์จำนวนมากเป็นสองเท่าและต้องการพื้นที่ทางกายภาพมากขึ้น

การปรับสมดุลแบบพาสซีฟหรือแอคทีฟดีกว่ากัน?

ไม่มีตัวเลือกใดที่เหมาะกับทุกการใช้งาน

การปรับสมดุลแบบพาสซีฟมักเหมาะสำหรับแพ็คขนาดกะทัดรัดและคำนึงถึงต้นทุนซึ่งมีเซลล์ที่เข้ากันดี การปรับสมดุลที่ใช้งานอยู่อาจคุ้มค่าเมื่อประสิทธิภาพ การใช้กำลังการผลิต ขนาดบรรจุภัณฑ์ หรือประสิทธิภาพที่ไม่สมดุลในระยะยาวเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่ง

BMS สามารถเพิ่มแรงดันแบตเตอรี่ได้หรือไม่?

ไม่ BMS จะตรวจสอบและปกป้องแบตเตอรี่ มันไม่ทำงานเป็นตัวแปลงบูสต์

หากอุปกรณ์ต้องการแรงดันไฟฟ้าเอาต์พุตที่ได้รับการควบคุม อาจจำเป็นต้องใช้ตัวแปลง DC-DC แยกต่างหาก

ควรทดสอบแพ็ค 18650 ก่อนการผลิตจำนวนมากอย่างไร

ควรทดสอบบรรจุภัณฑ์ที่ระดับเซลล์และต้นแบบก่อน ตามด้วยการทดสอบการชาร์จ การคายประจุ การป้องกัน การปรับสมดุล ความร้อน กลไก และการทดสอบการใช้งาน

แผนการทดสอบขั้นสุดท้ายควรสะท้อนถึงเอกสารข้อมูลของเซลล์ ข้อมูลจำเพาะ BMS ข้อกำหนดของอุปกรณ์ และมาตรฐานการปฏิบัติตามข้อกำหนดที่เกี่ยวข้อง

บทสรุป

ชุดแบตเตอรี่ 18650 ที่เชื่อถือได้พร้อม BMS เริ่มต้นด้วยข้อกำหนดของอุปกรณ์ การออกแบบควรดำเนินการผ่านการเลือกเซลล์ การกำหนดค่าแบบอนุกรม-ขนาน การคำนวณความจุและกระแสไฟฟ้า การเลือก BMS การออกแบบการป้องกัน การปรับสมดุล บูรณาการทางกล และการทดสอบการตรวจสอบความถูกต้อง

หลักการสำคัญคือ:

• จับคู่แรงดันไฟฟ้าของแพ็คกับช่วงการทำงานที่สมบูรณ์ของอุปกรณ์

• ใช้เซลล์ที่มีคุณสมบัติที่เข้ากันได้และสภาพทางไฟฟ้า

• เลือก BMS ตามจำนวนอนุกรม กระแสไฟ การชาร์จ อุณหภูมิ และข้อกำหนดด้านการสื่อสาร

• ตรวจสอบแต่ละกลุ่มซีรีส์แทนที่จะอาศัยเฉพาะแรงดันไฟฟ้ารวมเท่านั้น

• ตรวจสอบความสมดุลและการป้องกันภายใต้สภาวะการทำงานที่สมจริง

• ถือว่าโครงสร้างทางกล ขั้วต่อ ฉนวน และการออกแบบการระบายความร้อนเป็นส่วนหนึ่งของความปลอดภัยของแบตเตอรี่

สำหรับนักพัฒนาอุปกรณ์ที่ต้องการแพ็คที่ปรับให้เข้ากับแรงดันไฟฟ้า ความจุ ขนาด ขั้วต่อ BMS และข้อกำหนดการผลิตเฉพาะ การออกแบบแบตเตอรี่ที่ปรับแต่งเองสามารถลดความเสี่ยงในการบูรณาการตั้งแต่ต้นแบบจนถึงการผลิตจำนวนมาก