การออกแบบชุดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน: แรงดันไฟฟ้า ความจุ BMS และรันไทม์

ชุดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนไม่ได้ถูกกำหนดโดยความจุเพียงอย่างเดียว บรรจุภัณฑ์ที่เหมาะสมจะต้องจ่ายแรงดันไฟฟ้าตามที่ต้องการ ให้พลังงานเพียงพอต่อการใช้งาน รองรับความต้องการในปัจจุบันของอุปกรณ์ เหมาะสมกับพื้นที่ว่าง และมีฟังก์ชันการป้องกันที่เหมาะสม

สำหรับโครงการ OEM การออกแบบชุดแบตเตอรี่ยังเกี่ยวข้องกับการตัดสินใจเกี่ยวกับ:

• การเลือกเซลล์

• การกำหนดค่าแบบอนุกรมและแบบขนาน

• แรงดันไฟฟ้าที่กำหนด

• ความจุ

• กระแสสูงสุดและต่อเนื่อง

• BMS หรือ PCM

• วิธีการชาร์จ

• ขั้วต่อและสายเคเบิล

• บูรณาการทางกล

• อุณหภูมิในการทำงาน

• รันไทม์ที่คาดหวัง

• ข้อกำหนดการทดสอบและการผลิต

ก้อนแบตเตอรี่อาจมีความจุที่ถูกต้องแต่มีแรงดันไฟฟ้าไม่ถูกต้อง อาจให้พลังงานเพียงพอแต่จะล้มเหลวในช่วงที่มีความต้องการกระแสไฟฟ้าสูงสุด อาจพอดีกับกล่องหุ้ม แต่ไม่มีฟังก์ชันการป้องกันหรือการสื่อสารที่จำเป็นสำหรับอุปกรณ์โฮสต์

คู่มือนี้จะอธิบายหลักการสำคัญของการออกแบบชุดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน และแสดงให้เห็นว่าทีม OEM สามารถเชื่อมต่อข้อกำหนดด้านไฟฟ้า เครื่องกล และระบบ ก่อนที่จะเข้าสู่การพัฒนาโดยละเอียดได้อย่างไร

สำหรับโซลูชันชุดแบตเตอรี่เชิงพาณิชย์ โปรดดูที่ ZERNE ชุดแบตเตอรี่ลิเธี ยม หน้าผลิตภัณฑ์มีไว้สำหรับการสอบถามเกี่ยวกับผลิตภัณฑ์และโซลูชัน ในขณะที่บทความนี้มุ่งเน้นไปที่การตัดสินใจทางวิศวกรรมที่อยู่เบื้องหลังการออกแบบชุดแบตเตอรี่

คำตอบด่วน: สิ่งที่ควรพิจารณาในการออกแบบชุดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

ชุดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนควรได้รับการออกแบบโดยคำนึงถึงปัจจัยต่อไปนี้:

1. แรงดันไฟฟ้าในการทำงานที่ต้องการ

2. ความจุเป้าหมายและพลังงานที่ใช้ได้

3. กระแสต่อเนื่องและจุดสูงสุด

4. การกำหนดค่าอนุกรมและเซลล์แบบขนาน

5. ฟังก์ชั่นการป้องกัน BMS หรือ PCM

6. แรงดันไฟชาร์จและกระแสไฟชาร์จ

7. ช่องใส่แบตเตอรี่ที่มีอยู่

8. ข้อกำหนดของตัวเชื่อมต่อและสายเคเบิล

9. อุณหภูมิในการทำงานและการเก็บรักษา

10. รันไทม์ที่จำเป็น

11. ความต้องการการทดสอบและการปฏิบัติตามข้อกำหนด

12. ปริมาณการผลิตที่คาดหวัง

การออกแบบที่ถูกต้องคือการออกแบบที่ตอบสนองความต้องการทางไฟฟ้าและกลไกของอุปกรณ์โฮสต์ ในขณะเดียวกันก็รักษาการผลิตที่ปลอดภัยและทำซ้ำได้

1. เริ่มต้นด้วยข้อกำหนดอุปกรณ์โฮสต์

การออกแบบชุดแบตเตอรี่ควรเริ่มต้นด้วยอุปกรณ์ ไม่ใช่รุ่นแบตเตอรี่

ก่อนที่จะเลือกเซลล์ ทีม OEM ควรกำหนด:

• แรงดันไฟฟ้าในการทำงานของอุปกรณ์

• แรงดันไฟฟ้าขาเข้าสูงสุด

• แรงดันไฟฟ้าขั้นต่ำในการทำงาน

• ความต้องการพลังงานอย่างต่อเนื่อง

• ความต้องการพลังงานเริ่มต้นหรือจุดสูงสุด

• ระยะเวลาดำเนินการที่คาดหวัง

• วิธีการชาร์จ

• พื้นที่แบตเตอรี่ที่มีอยู่

• ตำแหน่งขั้วต่อและสายเคเบิล

• อุณหภูมิในการทำงาน

• วงจรชีวิตผลิตภัณฑ์

• ปริมาณการผลิตที่คาดหวัง

ควรประเมินแบตเตอรี่ว่าเป็นส่วนหนึ่งของระบบไฟฟ้าที่สมบูรณ์ เครื่องชาร์จ วงจรการจัดการพลังงาน มอเตอร์ ตัวควบคุม จอแสดงผล โมดูลการสื่อสาร และโหลดอื่นๆ ล้วนส่งผลต่อข้อมูลจำเพาะของแบตเตอรี่

ตัวอย่างเช่น อุปกรณ์อาจใช้กระแสไฟเฉลี่ยเพียงเล็กน้อย แต่ต้องใช้พัลส์กระแสสูงเมื่อมอเตอร์สตาร์ทหรือโมดูลไร้สายส่งสัญญาณ หากพิจารณาเฉพาะกำลังไฟโดยเฉลี่ย แบตเตอรี่อาจดูเหมาะสมแต่ใช้งานไม่ได้ระหว่างการทำงานจริง

สำหรับข้อกำหนดของ OEM เช่น ขนาด, ความจุ, แรงดันไฟฟ้า, BMS และตัวเชื่อมต่อ, ZERNE's โซลูชันแบตเตอรี่แบบกำหนดเอง เป็นจุดเริ่มต้นทางการค้าที่เกี่ยวข้อง

2. เลือกแรงดันแบตเตอรี่ที่ต้องการ

แรงดันไฟฟ้าเป็นตัวกำหนดว่าแบตเตอรี่สามารถทำงานร่วมกับระบบไฟฟ้าของอุปกรณ์ได้หรือไม่

สำหรับเซลล์ลิเธียมไอออนและลิเธียมโพลีเมอร์มาตรฐานหลายๆ เซลล์ แรงดันไฟฟ้าปกติจะอยู่ที่ประมาณ 3.6 V หรือ 3.7 V ในขณะที่แรงดันไฟฟ้าชาร์จเต็มโดยทั่วไปจะอยู่ที่ประมาณ 4.2 V ค่าที่แน่นอนขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางเคมีและข้อมูลจำเพาะของเซลล์

เมื่อเซลล์เชื่อมต่อแบบอนุกรม แรงดันไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้น

ค่าเหล่านี้เป็นจุดอ้างอิงทั่วไปสำหรับการกำหนดค่า Li-ion หรือ LiPo มาตรฐาน การออกแบบแบตเตอรี่จริงต้องเป็นไปตามเอกสารข้อมูลเซลล์ที่เลือกและข้อกำหนดของระบบการชาร์จ

ควรตรวจสอบช่วงแรงดันไฟฟ้าขาเข้าของอุปกรณ์อย่างระมัดระวัง แบตเตอรี่ที่มีป้ายกำกับ 7.4 V จะไม่คงอยู่ที่ 7.4 V อย่างแน่นอนตลอดการทำงาน แรงดันไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงระหว่างการชาร์จและการคายประจุ

แรงดันไฟฟ้าที่กำหนดและแรงดันไฟฟ้าในการทำงาน

วิศวกร OEM ควรแยกแยะระหว่าง:

• แรงดันไฟฟ้าที่กำหนด

• แรงดันไฟฟ้าที่ชาร์จเต็ม

• แรงดันไฟฟ้าใช้งานทั่วไป

• แรงดันไฟฟ้าตัด

• แรงดันไฟฟ้าขาเข้าขั้นต่ำของอุปกรณ์

• แรงดันไฟฟ้าขาเข้าสูงสุดของอุปกรณ์

อุปกรณ์ที่ยอมรับเฉพาะช่วงแรงดันไฟฟ้าที่แคบอาจต้องใช้ตัวแปลง DC-DC ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า หรือกลยุทธ์การจัดการแบตเตอรี่เฉพาะ

ตัวอย่างการปฏิบัติ: การเลือกแบตเตอรี่สำหรับอุปกรณ์ 7.4 V

หากอุปกรณ์ OEM ต้องการแรงดันไฟฟ้าแบตเตอรี่ระบุประมาณ 7.4 V โซลูชันทั่วไปอาจใช้เซลล์ 3.7 V สองเซลล์ต่ออนุกรมกัน หรือที่เรียกว่าการกำหนดค่า 2S

อย่างไรก็ตาม ทีมออกแบบยังต้องตรวจสอบ:

• ไม่ว่าอุปกรณ์จะยอมรับแรงดันไฟฟ้าที่ชาร์จเต็มหรือไม่

• เครื่องชาร์จรองรับแพ็ค 2S หรือไม่

• จำเป็นต้องปรับสมดุลเซลล์หรือไม่

• BMS รองรับเซลล์สองชุดหรือไม่

• ไม่ว่าอุปกรณ์จะทำงานที่แรงดันไฟฟ้าแพ็คขั้นต่ำหรือไม่

สำหรับการเปรียบเทียบแบบอนุกรมและการกำหนดค่าแบบขนานที่เน้นมากขึ้น โปรดดูที่ ซีรีส์เทียบกับชุดแบตเตอรี่แบบขนาน.

3. กำหนดความจุที่ต้องการ

ความจุจะอธิบายปริมาณประจุไฟฟ้าที่แบตเตอรี่สามารถเก็บได้ และโดยทั่วไปจะแสดงเป็นมิลลิแอมป์ชั่วโมงหรือแอมป์ชั่วโมง

อย่างไรก็ตาม ความจุเพียงอย่างเดียวไม่สามารถอธิบายพลังงานที่มีอยู่ได้ครบถ้วน พลังงานขึ้นอยู่กับทั้งแรงดันและความจุ

ความสัมพันธ์พื้นฐานคือ:

พลังงานเป็นวัตต์-ชั่วโมง = แรงดันไฟฟ้าเป็นโวลต์ × ความจุเป็นแอมป์-ชั่วโมง

ตัวอย่างเช่น:

• 3.7 โวลต์ × 1 อา = 3.7 วัตต์ชั่วโมง

• 7.4 โวลต์ × 2 อา = 14.8 วัตต์ชั่วโมง

• 14.8 โวลต์ × 3 อา = 44.4 วัตต์ชั่วโมง

เมื่อเปรียบเทียบการกำหนดค่าแบตเตอรี่ที่แตกต่างกัน วัตต์-ชั่วโมงมักจะมีประโยชน์มากกว่ามิลลิแอมป์-ชั่วโมง เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าอาจแตกต่างกัน

ตัวอย่างด้วยเซลล์ 3.7 V, 1000 mAh

สมมติว่าแต่ละเซลล์มี:

• แรงดันไฟฟ้าที่กำหนด: 3.7 โวลต์

• ความจุ: 1,000 mAh หรือ 1 Ah

การกำหนดค่าที่แตกต่างกันจะให้ผลลัพธ์ที่แตกต่างกัน:

การเชื่อมต่อแบบอนุกรมจะเพิ่มแรงดันไฟฟ้า การเชื่อมต่อแบบขนานช่วยเพิ่มความจุ การกำหนดค่าแบบอนุกรม-ขนานสามารถเพิ่มทั้งสองอย่างได้

การคำนวณโดยละเอียดของจำนวนเซลล์ การเชื่อมต่อแบบอนุกรม และการเชื่อมต่อแบบขนานควรได้รับการจัดการ วิธีการคำนวณความจุของชุดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน.

4. จับคู่กระแสต่อเนื่องและกระแสสูงสุด

ก้อนแบตเตอรี่ต้องมีกระแสไฟฟ้าเพียงพอสำหรับทั้งการทำงานปกติและความต้องการสูงสุดชั่วคราว

ผู้ซื้อ OEM ควรระบุ:

• กระแสไฟในการทำงานโดยเฉลี่ย

• กระแสต่อเนื่อง

• กระแสสูงสุด

• ระยะเวลาสูงสุด

• ปัจจุบันเริ่มต้น

• รอบหน้าที่

• แรงดันไฟแบตเตอรี่ขั้นต่ำระหว่างโหลดสูงสุด

เซลล์แบตเตอรี่, BMS, สายไฟ, จุดเชื่อม และขั้วต่อต้องรองรับกระแสไฟที่ต้องการทั้งหมด แพ็คอาจมีพลังงานที่เก็บไว้เพียงพอแต่ยังคงล้มเหลวหากเส้นทางจำหน่ายไม่สามารถรองรับความต้องการในปัจจุบันของอุปกรณ์ได้

กระแสต่อเนื่อง

กระแสไฟต่อเนื่องคือกระแสที่แบตเตอรี่ต้องส่งระหว่างการทำงานปกติ โดยส่งผลต่อการเลือกเซลล์ ขนาดตัวนำ อัตรา BMS และการออกแบบการระบายความร้อน

กระแสสูงสุด

กระแสไฟสูงสุดอาจเกิดขึ้นระหว่าง:

• การสตาร์ทมอเตอร์

• การส่งสัญญาณไร้สาย

• เครื่องทำความร้อน

• การทำงานของปั๊ม

• การเปิดใช้งานแสงสว่าง

• กิจกรรมโปรเซสเซอร์ที่รวดเร็ว

• เอาต์พุตกำลังสูงชั่วคราว

ระยะเวลาของจุดสูงสุดเป็นสิ่งสำคัญ แบตเตอรี่ที่รองรับพัลส์สั้นอาจไม่รองรับกระแสไฟฟ้าเดิมอย่างต่อเนื่อง

ความสัมพันธ์ปัจจุบันและอำนาจ

เมื่อทราบพลังงานของอุปกรณ์ สามารถประมาณกระแสได้โดยใช้:

กระแส = กำลัง KW แรงดัน

ตัวอย่างเช่น โหลด 20 W ที่จ่ายโดยแบตเตอรี่ 7.4 V จะต้องประมาณ:

20 วัตต์ ۞ 7.4 โวลต์ ۞ 2.7 ก

การออกแบบจริงควรคำนึงถึงการสูญเสียการแปลง ความแปรผันของแรงดันไฟฟ้า ความต้องการสูงสุด และอุณหภูมิด้วย

5. เลือกซีรี่ส์และการกำหนดค่าแบบขนาน

การกำหนดค่าแบบอนุกรม-ขนานจะกำหนดโครงสร้างทางไฟฟ้าของก้อนแบตเตอรี่

การเชื่อมต่อแบบอนุกรม

เซลล์ที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมจะเพิ่มแรงดันไฟฟ้า ในขณะที่ความจุของแอมป์-ชั่วโมงยังคงเท่ากับความจุของเซลล์หนึ่งโดยประมาณ

ชุด 2S1P ที่สร้างจากเซลล์ 3.7 V, 1000 mAh จะให้:

• แรงดันไฟฟ้าปกติ 7.4 V

• ความจุ 1,000 มิลลิแอมป์

การเชื่อมต่อแบบขนาน

เซลล์ที่เชื่อมต่อแบบขนานจะเพิ่มความจุและความสามารถในปัจจุบัน ในขณะที่แรงดันไฟฟ้ายังคงเท่ากับเซลล์หนึ่งโดยประมาณ

แพ็ค 1S2P ที่สร้างจากเซลล์เดียวกันจะให้ค่าประมาณ:

• แรงดันไฟฟ้าปกติ 3.7 V

• ความจุ 2000 มิลลิแอมป์

การเชื่อมต่อแบบอนุกรม-ขนาน

แพ็ค 2S2P ให้ประมาณ:

• แรงดันไฟฟ้าปกติ 7.4 V

• ความจุ 2000 มิลลิแอมป์

การออกแบบยังต้องคำนึงถึง:

• การจับคู่เซลล์

• การปรับสมดุล

• การป้องกัน

• วิธีการเชื่อมหรือการเชื่อมต่อ

• ขนาดบรรจุ

• การสร้างความร้อน

• สถาปัตยกรรมบีเอ็มเอส

หลักการนั้นเรียบง่าย แต่ควรตรวจสอบการออกแบบขั้นสุดท้ายกับอุปกรณ์และกระบวนการผลิตจริง บทความ Series และ Parallel Battery Packs ให้การเปรียบเทียบที่แคบกว่า

6. เลือกรูปแบบเซลล์ที่เหมาะสมและเกรดประสิทธิภาพ

ลักษณะทางกายภาพและทางไฟฟ้าของเซลล์ส่งผลต่อการออกแบบบรรจุภัณฑ์ที่สมบูรณ์

พารามิเตอร์เซลล์ที่สำคัญได้แก่:

• รูปแบบเซลล์

• ขนาด

• ความจุที่กำหนด

• อัตราการคายประจุ

• ความต้านทานภายใน

• ประสิทธิภาพของวงจร

• อุณหภูมิในการทำงาน

• เงื่อนไขการชาร์จ

• น้ำหนัก

• ความพร้อมใช้งาน

• ความสม่ำเสมอในการผลิต

เซลล์กระเป๋าอาจรองรับการออกแบบที่บางหรือมีรูปร่างได้ เซลล์ทรงกระบอกอาจมีขนาดที่เป็นมาตรฐานและความสม่ำเสมอทางกล รูปแบบที่ดีที่สุดขึ้นอยู่กับอุปกรณ์โฮสต์และประสิทธิภาพที่ต้องการ

การเลือกเซลล์ไม่ควรขึ้นอยู่กับความจุเพียงอย่างเดียว เซลล์ที่มีความจุสูงกว่าอาจไม่เหมาะสมหากไม่สามารถจ่ายกระแสไฟที่ต้องการหรือพอดีกับพื้นที่ว่างได้

สำหรับการเปรียบเทียบรูปแบบเซลล์ทรงกระบอกโดยเฉพาะ โปรดดู 26650 กับ 18650 แบตเตอรี่: ขนาด แรงดันไฟฟ้า และความจุ.

การจับคู่เซลล์

สำหรับแพ็คหลายเซลล์ ควรจับคู่เซลล์ตามพารามิเตอร์ที่เกี่ยวข้อง เช่น:

• ความจุ

• แรงดันไฟฟ้า

• ความต้านทานภายใน

• ชุดการผลิต

• สภาพความชรา

ความไม่สอดคล้องกันของเซลล์อาจส่งผลต่อความสมดุล ความสามารถในการใช้งาน อุณหภูมิ และอายุการใช้งาน การอภิปรายโดยละเอียดเกี่ยวกับปัญหานี้มีอยู่ที่ เหตุใดชุดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจึงไม่สอดคล้องกันและต้องทำอย่างไร.

7. ตัดสินใจว่า Pack ต้องการ PCM หรือ BMS

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ป้องกันเป็นส่วนสำคัญของชุดแบตเตอรี่ลิเธียมแบบชาร์จไฟได้ส่วนใหญ่

พีซีเอ็ม

โมดูลวงจรป้องกันอาจเหมาะสำหรับการกำหนดค่าแบตเตอรี่ที่ง่ายกว่า สามารถให้ฟังก์ชันพื้นฐานเช่น:

• การป้องกันการชาร์จไฟเกิน

• การป้องกันการคายประจุมากเกินไป

• การป้องกันกระแสเกิน

• ป้องกันการลัดวงจร

บีเอ็มเอส

อาจจำเป็นต้องมีระบบการจัดการแบตเตอรี่ขั้นสูงยิ่งขึ้นเมื่อชุดประกอบด้วยหลายเซลล์หรือต้องการฟังก์ชันการควบคุมและการสื่อสารเพิ่มเติม

BMS อาจสนับสนุน:

• การตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าของเซลล์

• ปรับสมดุลของเซลล์

• การตรวจสอบปัจจุบัน

• การตรวจสอบอุณหภูมิ

• การประมาณค่าสถานะ

• การตรวจจับข้อผิดพลาด

• การสื่อสารกับอุปกรณ์โฮสต์

• การควบคุมการชาร์จและการคายประจุ

• การบันทึกเหตุการณ์หรือข้อผิดพลาด

เมื่อใดที่ BMS เหมาะสมกว่า?

โดยทั่วไป BMS จะมีความเกี่ยวข้องมากกว่าเมื่อ:

• แบตเตอรี่ประกอบด้วยเซลล์หลายเซลล์ต่อเนื่องกัน

• จำเป็นต้องมีการปรับสมดุลของเซลล์

• อุปกรณ์ต้องการข้อมูลสถานะแบตเตอรี่

• แบตเตอรี่ทำงานภายใต้กระแสไฟสูง

• แอปพลิเคชันต้องการการตรวจสอบข้อผิดพลาดโดยละเอียด

• อุปกรณ์โฮสต์สื่อสารกับแบตเตอรี่

• โครงการนี้ต้องการฟังก์ชันแบตเตอรี่อัจฉริยะ

การออกแบบควรกำหนดข้อกำหนด BMS ก่อนที่จะผลิตต้นแบบ การเปลี่ยนจากบอร์ดป้องกันพื้นฐานเป็น BMS อัจฉริยะในภายหลังอาจส่งผลต่อขนาดแบตเตอรี่ ขั้วต่อ เฟิร์มแวร์ การทดสอบ และค่าใช้จ่าย

หากต้องการทราบความเป็นมาเพิ่มเติมว่าการจัดการแบตเตอรี่ส่งผลต่อสถานะการชาร์จและพฤติกรรมของแบตเตอรี่อย่างไร โปรดดู เหตุใดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน 1 เปอร์เซ็นต์สุดท้ายของคุณจึงเก็บพลังงานได้ดีกว่าที่คุณคิด.

8. ประมาณการรันไทม์แบตเตอรี่

ระยะเวลาการทำงานขึ้นอยู่กับพลังงานที่ใช้ได้ของแบตเตอรี่และความต้องการพลังงานที่แท้จริงของอุปกรณ์

การประมาณพื้นฐานคือ:

รันไทม์โดยประมาณ = พลังงานแบตเตอรี่ × ประสิทธิภาพการใช้งาน KW พลังงานของอุปกรณ์

สำหรับแบตเตอรี่ที่ระบุโดยแรงดันไฟฟ้าและความจุ:

พลังงานแบตเตอรี่ = แรงดันไฟฟ้าที่กำหนด × ความจุเป็นแอมป์-ชั่วโมง

ตัวอย่างรันไทม์

สมมติ:

• ก้อนแบตเตอรี่: 7.4 V, 2000 mAh

• พลังงานที่กำหนด: 7.4 V × 2 Ah = 14.8 Wh

• ประสิทธิภาพระบบใช้งานได้โดยประมาณ: 85%

• กำลังไฟของอุปกรณ์: 5 วัตต์

พลังงานที่ใช้ได้:

14.8 วัตต์ × 0.85 = 12.58 วัตต์

รันไทม์โดยประมาณ:

12.58 Wh ۞ 5 W ۞ 2.5 ชม

นี่เป็นการประมาณการทางวิศวกรรม ไม่ใช่การรับประกันเวลาการทำงาน

รันไทม์จริงอาจได้รับผลกระทบจาก:

• โหลดอุปกรณ์แปรผัน

• ประสิทธิภาพการแปลงแรงดันไฟฟ้า

• การตั้งค่าการตัดแบตเตอรี่

• อุณหภูมิ

• อายุแบตเตอรี่

• อัตราการคายประจุ

• ความต้านทานของเซลล์

• ขีดจำกัดการป้องกัน BMS

• ปริมาณการใช้อุปกรณ์สแตนด์บาย

สำหรับวิธีคำนวณรันไทม์ที่สมบูรณ์ โปรดดู วิธีการคำนวณรันไทม์สำหรับชุดแบตเตอรี่ลิเธียม.

9. ตรวจสอบบูรณาการทางกล

ประสิทธิภาพทางไฟฟ้าเป็นเพียงส่วนหนึ่งของการออกแบบชุดแบตเตอรี่ แบตเตอรี่จะต้องพอดีกับผลิตภัณฑ์โฮสต์อย่างปลอดภัย

การออกแบบควรกำหนด:

• ความยาวสูงสุด

• ความกว้างสูงสุด

• ความหนาสูงสุด

• ทิศทางการติดตั้ง

• วิธีการติดตั้ง

• การเข้าถึงตัวเชื่อมต่อ

• ทางออกเคเบิล

• ขีดจำกัดการบีบอัด

• การสัมผัสการสั่นสะเทือน

• แหล่งความร้อน

• ข้อกำหนดการบริการและการเปลี่ยนทดแทน

ไม่ควรบีบอัดแบตเตอรี่แบบซองด้วยขอบคมหรือแรงกดที่มีความเข้มข้น บรรจุภัณฑ์ทรงกระบอกอาจต้องมีตัวยึด ตัวเว้นระยะ หรือการป้องกันโครงสร้าง ช่องใส่แบตเตอรี่ควรคำนึงถึงความทนทานต่อการผลิตและสภาพแวดล้อมการทำงานที่คาดหวัง

การออกแบบช่องโดยละเอียด ค่าเผื่อระยะห่าง ความร้อน และการบวมจะครอบคลุมแยกต่างหากใน การออกแบบช่องใส่แบตเตอรี่ LiPo: การกวาดล้างและการบวม.

ในบทความนี้ หลักการออกแบบหลักคือ:

ช่องใส่แบตเตอรี่ควรได้รับการออกแบบร่วมกับชุดแบตเตอรี่ ไม่ใช่หลังจากเลือกแบตเตอรี่แล้ว

10. กำหนดข้อกำหนดของตัวเชื่อมต่อและสายเคเบิล

ขั้วต่อและสายเคเบิลเป็นส่วนหนึ่งของอินเทอร์เฟซแบตเตอรี่

ทีม OEM ควรระบุ:

• ประเภทตัวเชื่อมต่อ

• จำนวนพิน

• เรตติ้งปัจจุบัน

• ระดับแรงดันไฟฟ้า

• ขั้ว

• วิธีการล็อค

• ความยาวสายเคเบิล

• เกจวัดลวด

• ตำแหน่งทางออกของสายไฟ

• บรรเทาความเครียด

• พื้นที่สำหรับติดตั้ง

• สัญญาณหรือสายสื่อสารที่จำเป็น

ขั้วต่อสายไฟอาจแตกต่างจากขั้วต่อการสื่อสาร BMS อัจฉริยะอาจต้องใช้พินสัญญาณเพิ่มเติมสำหรับการสื่อสารข้อมูล การตรวจจับอุณหภูมิ หรือการระบุตัวตน

การเลือกตัวเชื่อมต่อควรพิจารณาถึงการประกอบ รอบการผสมพันธุ์ การสั่นสะเทือน และการบำรุงรักษาภาคสนาม

การเลือกตัวเชื่อมต่อโดยละเอียดอยู่นอกขอบเขตของภาพรวมการออกแบบนี้ และได้รับการแก้ไขแล้ว วิธีเลือกตัวเชื่อมต่อสำหรับชุดแบตเตอรี่ลิเธียมแบบกำหนดเอง.

11. พิจารณาข้อกำหนดในการชาร์จ

ก้อนแบตเตอรี่จะต้องเข้ากันได้กับเครื่องชาร์จและระบบการชาร์จ

ผู้ซื้อ OEM ควรกำหนด:

• แรงดันไฟฟ้าในการชาร์จ

• กำลังชาร์จปัจจุบัน

• เวลาในการชาร์จ

• วิธีการชาร์จ

• ความทนทานต่อเอาต์พุตของเครื่องชาร์จ

• ขีดจำกัดอุณหภูมิ

• วิธีการยุติการชาร์จ

• ข้อกำหนดด้านความสมดุล

• ไม่ว่าจะชาร์จแบตเตอรี่ภายในหรือภายนอกอุปกรณ์

ไม่สามารถชาร์จชุดแบตเตอรี่ 2S โดยใช้เครื่องชาร์จที่ออกแบบมาสำหรับเซลล์เดียวได้ ระบบการชาร์จจะต้องตรงกับการกำหนดค่าแพ็คและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ป้องกัน

BMS หรือ PCM ควรเข้ากันได้กับสภาพการทำงานของเครื่องชาร์จด้วย ลักษณะการชาร์จอาจส่งผลต่ออายุการใช้งาน อุณหภูมิ และความปลอดภัยของแบตเตอรี่ ดังนั้น ควรทดสอบกับอุปกรณ์และอุปกรณ์ชาร์จจริง

12. สร้างข้อกำหนดการออกแบบแบตเตอรี่ที่สมบูรณ์

ก่อนที่จะขอต้นแบบ ทีมงาน OEM ควรรวมข้อกำหนดทางไฟฟ้า เครื่องกล และอินเทอร์เฟซไว้ในข้อกำหนดที่ได้รับการควบคุมเพียงหนึ่งเดียว

ข้อกำหนดที่เป็นประโยชน์ควรประกอบด้วย:

แพคเกจข้อกำหนดโดยละเอียดช่วยลดการออกแบบใหม่และทำให้ใบเสนอราคาของซัพพลายเออร์เปรียบเทียบได้ง่ายขึ้น

13. ตัวอย่าง OEM ที่ใช้งานได้: การออกแบบชุดแบตเตอรี่ 7.4 V

สมมติว่าอุปกรณ์ OEM ต้องการ:

• แรงดันไฟฟ้าที่กำหนด: ประมาณ 7.4 V

• ความจุเป้าหมาย: 2000 mAh

• กำลังไฟฟ้าเฉลี่ย: 5 วัตต์

• กระแสไฟสูงสุด: สูงกว่ากระแสไฟทำงานปกติ

• พื้นที่ติดตั้งทรงสี่เหลี่ยมขนาดกะทัดรัด

• การทำงานแบบชาร์จไฟได้

• การตรวจสอบสถานะแบตเตอรี่

ทิศทางการออกแบบเบื้องต้นที่เป็นไปได้อาจเป็น:

• สองเซลล์ต่อเนื่องกันสำหรับการกำหนดค่า 2S

• เส้นทางเซลล์คู่ขนานสองเส้นทางสำหรับความจุที่ต้องการ

• BMS พร้อมการปรับสมดุลของเซลล์

• การตรวจสอบอุณหภูมิ

• ตัวเชื่อมต่อแบบกำหนดเอง

• แพ็กที่ออกแบบมารอบๆ กล่องหุ้มอุปกรณ์โฮสต์

• การตรวจสอบรันไทม์ภายใต้โหลด 5 W จริง

การใช้เซลล์ 1000 mAh สองเซลล์ขนานกันสำหรับแต่ละกลุ่มซีรีส์จะทำให้เกิดแบตเตอรี่ขนาด 2000 mAh ประมาณ 7.4 V

พลังงานที่ระบุคือ:

7.4 โวลต์ × 2 อา = 14.8 วัตต์ชั่วโมง

เมื่อใช้ประสิทธิภาพระบบที่ใช้งานได้ประมาณ 85% พลังงานที่ใช้งานได้ที่คาดหวังจะอยู่ที่ประมาณ:

14.8 วัตต์ × 0.85 = 12.58 วัตต์

ที่โหลดต่อเนื่อง 5 W ค่าประมาณรันไทม์เริ่มต้นจะอยู่ที่ประมาณ:

12.58 Wh ÷ 5 W = 2.5 ชั่วโมง

ก่อนที่จะอนุมัติ ทีมออกแบบจะต้องตรวจสอบ:

• ความต้องการในปัจจุบันที่แท้จริง

• การตอบสนองกระแสสูงสุด

• ความเข้ากันได้ของเครื่องชาร์จ

• การตั้งค่าบีเอ็มเอส

• พฤติกรรมความร้อน

• พอดีกับกลไก

• ความน่าเชื่อถือของตัวเชื่อมต่อ

• รันไทม์ภายใต้เงื่อนไขอุปกรณ์จริง

ตัวอย่างนี้แสดงให้เห็นถึงตรรกะการออกแบบ ไม่ควรแทนที่การตรวจสอบทางวิศวกรรมแบตเตอรี่เฉพาะแอปพลิเคชัน

ข้อผิดพลาดทั่วไปในการออกแบบชุดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

การเลือกความจุก่อนตรวจสอบแรงดันไฟฟ้า

แบตเตอรี่ที่มี mAh เพียงพออาจยังเข้ากันไม่ได้กับอุปกรณ์หากช่วงแรงดันไฟฟ้าไม่ถูกต้อง

ใช้กระแสเฉลี่ยเท่านั้น

ความต้องการสูงสุดอาจทำให้แรงดันไฟฟ้าตก การตัด BMS หรือตัวเชื่อมต่อเกิดความร้อนสูงเกินไป แม้ว่าปริมาณการใช้โดยเฉลี่ยจะถือว่ายอมรับได้ก็ตาม

การรักษาแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดเป็นค่าคงที่

แรงดันไฟแบตเตอรี่เปลี่ยนแปลงระหว่างการชาร์จและการคายประจุ อุปกรณ์ต้องทนต่อช่วงการทำงานที่สมบูรณ์

การเลือก BMS สายเกินไป

ขนาด BMS สายไฟ การสื่อสาร และการทดสอบอาจส่งผลต่อการออกแบบบรรจุภัณฑ์ทั้งหมด

ละเลยข้อจำกัดทางกล

แบตเตอรี่ที่ทำงานด้วยระบบไฟฟ้าอาจไม่พอดีกับตัวเครื่องหรืออาจมีการบีบอัดที่เป็นอันตราย

สมมติว่ารันไทม์เท่ากับความจุพิกัด

ความจุพิกัดไม่เท่ากับพลังงานที่ใช้ได้ในทุกสภาวะโหลดและอุณหภูมิ

การเปรียบเทียบแพ็คตามความจุเท่านั้น

บรรจุภัณฑ์สองชิ้นที่มีความจุเท่ากันอาจแตกต่างกันในด้านคุณภาพเซลล์ ความสามารถในการคายประจุ ฟังก์ชัน BMS ขนาด และการทดสอบ

รายการตรวจสอบการออกแบบชุดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

ก่อนที่จะอนุมัติการออกแบบ ให้ยืนยัน:

• กำหนดช่วงแรงดันไฟฟ้าของอุปกรณ์

• มีการระบุแรงดันไฟฟ้าแบตเตอรี่ที่กำหนด ต่ำสุด และสูงสุด

• มีการกำหนดกำลังการผลิตและพลังงานที่ใช้ได้

• ทราบกระแสต่อเนื่องและกระแสสูงสุด

• เลือกการกำหนดค่าแบบอนุกรมและแบบขนาน

• มีการระบุแบบจำลองเซลล์และเกรดประสิทธิภาพ

• มีการกำหนดข้อกำหนดการจับคู่เซลล์

• มีการระบุฟังก์ชัน PCM หรือ BMS

• เงื่อนไขการชาร์จได้รับการยืนยันแล้ว

• มีการควบคุมขนาดของแบตเตอรี่

• ข้อกำหนดเกี่ยวกับตัวเชื่อมต่อและสายเคเบิลได้รับการบันทึกไว้

• มีการกำหนดอุณหภูมิในการทำงาน

• เป้าหมายรันไทม์ถูกระบุไว้

• มีการวางแผนการทดสอบการรวมอุปกรณ์โฮสต์กับอุปกรณ์

• มีการกำหนดเกณฑ์การอนุมัติต้นแบบ

• เข้าใจข้อกำหนดการผลิตและการควบคุมการเปลี่ยนแปลง

สำหรับเกณฑ์การจัดซื้อ OEM ที่กว้างขึ้น โปรดดู วิธีเลือกชุดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบรีชาร์จสำหรับอุปกรณ์ OEM.

คำถามที่พบบ่อย

ปัจจัยที่สำคัญที่สุดในการออกแบบชุดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนคืออะไร?

ปัจจัยที่สำคัญที่สุดคือการจับคู่แบตเตอรี่ให้ตรงกับข้อกำหนดทางไฟฟ้าและเครื่องกลที่สมบูรณ์ของอุปกรณ์โฮสต์ แรงดัน ความจุ กระแส BMS ขนาด และการชาร์จต้องได้รับการประเมินร่วมกัน

ฉันจะคำนวณพลังงานของชุดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้อย่างไร

คูณแรงดันไฟฟ้าที่ระบุด้วยความจุในหน่วยแอมป์-ชั่วโมง ตัวอย่างเช่น ชุดแบตเตอรี่ 7.4 V, 2 Ah มีพลังงานระบุประมาณ 14.8 Wh

การเชื่อมต่อเซลล์แบบอนุกรมจะเพิ่มความจุหรือไม่

ลำดับที่ การเชื่อมต่อแบบอนุกรมจะเพิ่มแรงดันไฟฟ้าเป็นหลัก การเชื่อมต่อแบบขนานช่วยเพิ่มความจุและความสามารถในปัจจุบัน การกำหนดค่าแบบอนุกรม-ขนานสามารถเพิ่มทั้งแรงดันไฟฟ้าและความจุ

แบตเตอรี่ลิเธียมทุกก้อนจำเป็นต้องมี BMS หรือไม่

ระบบป้องกันที่จำเป็นขึ้นอยู่กับการกำหนดค่าแพ็คและการใช้งาน แพ็คเซลล์เดียวแบบธรรมดาอาจใช้ PCM ในขณะที่แพ็คหลายเซลล์อาจต้องใช้ BMS ที่มีฟังก์ชันการปรับสมดุลและการตรวจสอบ

ชุดแบตเตอรี่ลิเธียมจะใช้งานอุปกรณ์ได้นานแค่ไหน?

รันไทม์ขึ้นอยู่กับพลังงานแบตเตอรี่ พลังงานของอุปกรณ์ ประสิทธิภาพการแปลง การตั้งค่าการตัด อุณหภูมิ และความแปรผันของโหลด การประมาณพื้นฐานคือวัตต์-ชั่วโมงของแบตเตอรี่หารด้วยกำลังของอุปกรณ์ ซึ่งปรับเพื่อประสิทธิภาพในการใช้งาน

อะไรคือความแตกต่างระหว่างชุดแบตเตอรี่แบบกำหนดเองและแบตเตอรี่มาตรฐาน?

ชุดแบตเตอรี่แบบกำหนดเองได้รับการออกแบบตามแรงดันไฟฟ้า ความจุ กระแสไฟฟ้า ขนาด ขั้วต่อ BMS และข้อกำหนดการใช้งานของผลิตภัณฑ์ OEM แพ็กมาตรฐานมักจะใช้การกำหนดค่าที่กำหนดไว้ล่วงหน้า

ควรเลือกแรงดันไฟฟ้าหรือความจุก่อนหรือไม่?

โดยปกติแล้วควรกำหนดช่วงแรงดันไฟฟ้าของอุปกรณ์ก่อน ความจุจึงสามารถเลือกได้ตามรันไทม์ พื้นที่ว่าง ความต้องการปัจจุบัน และข้อจำกัดด้านน้ำหนัก

บทสรุป

การออกแบบชุดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเป็นกระบวนการระดับระบบ การออกแบบที่เชื่อถือได้จะต้องเชื่อมโยง:

• แรงดันไฟฟ้า

• ความจุ

• พลังงาน

• ความต้องการในปัจจุบัน

• การกำหนดค่าแบบอนุกรมและแบบขนาน

• การเลือกเซลล์

• PCM หรือ BMS

• กำลังชาร์จ

• รันไทม์

• บูรณาการทางกล

• ข้อกำหนดของตัวเชื่อมต่อ

• ความต้องการการทดสอบและการผลิต

สามารถกำหนดค่าเซลล์ 3.7 V ให้เป็นชุดแบตเตอรี่ที่แตกต่างกันได้ ขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าและความจุที่ต้องการ อย่างไรก็ตาม การกำหนดค่าทางไฟฟ้าเป็นเพียงส่วนหนึ่งของการออกแบบเท่านั้น แบตเตอรี่ยังต้องทำงานอย่างถูกต้องร่วมกับเครื่องชาร์จ อุปกรณ์โฮสต์ ระบบป้องกัน และกล่องหุ้มกลไก

หากคุณกำลังพัฒนาชุดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบกำหนดเอง ให้แชร์แอปพลิเคชัน แรงดันไฟฟ้าเป้าหมาย ความจุ ความต้องการปัจจุบัน ขนาด ข้อกำหนดตัวเชื่อมต่อ เป้าหมายรันไทม์ และปริมาณการผลิตที่คาดหวังกับทีมงานด้านเทคนิคของ ZERNE ZERNE รองรับการพัฒนาชุดแบตเตอรี่ลิเธียมแบบกำหนดเองสำหรับโครงการ OEM และ ODM ตั้งแต่การตรวจสอบความต้องการเบื้องต้นไปจนถึงการพัฒนาตัวอย่างและการวางแผนการผลิต