Дизайн літій-іонної батареї: напруга, ємність, BMS і час роботи

Літій-іонний акумулятор визначається не лише ємністю. Відповідний блок повинен забезпечувати необхідну напругу, забезпечувати достатню кількість корисної енергії, підтримувати поточний попит пристрою, відповідати доступному простору та містити належні функції захисту.

Для OEM-проекту конструкція акумуляторної батареї також включає рішення щодо:

• Вибір комірки

• Послідовна та паралельна конфігурація

• Номінальна напруга

• Ємність

• Піковий і безперервний струм

• BMS або PCM

• Спосіб зарядки

• Роз'єм і кабель

• Механічна інтеграція

• Робоча температура

• Очікуваний час виконання

• Вимоги до випробувань і виробництва

Акумуляторна батарея може мати правильну ємність, але неправильну напругу. Він може забезпечити достатньо енергії, але вийти з ладу під час пікового споживання струму. Він може відповідати корпусу, але не має функцій захисту чи зв’язку, необхідних для головного пристрою.

У цьому посібнику пояснюються основні принципи конструкції літій-іонної батареї та показано, як команди OEM можуть поєднати електричні, механічні та системні вимоги, перш ніж переходити до детальної розробки.

Щоб отримати інформацію про комерційні акумуляторні батареї, див. ZERNE літієві акумулятори . Сторінка продукту призначена для запитів про продукти та рішення, тоді як ця стаття зосереджена на інженерних рішеннях, що стоять за дизайном акумуляторної батареї.

Швидка відповідь: що слід враховувати при проектуванні літій-іонної батареї?

Літій-іонна акумуляторна батарея повинна бути розроблена відповідно до таких факторів:

1. Необхідна робоча напруга

2. Цільова ємність і корисна енергія

3. Безперервний і піковий струм

4. Послідовна та паралельна конфігурація комірок

5. Функції захисту BMS або PCM

6. Зарядна напруга і зарядний струм

7. Наявний батарейний відсік

8. Вимоги до коннекторів і кабелю

9. Температура експлуатації та зберігання

10. Необхідний час виконання

11. Потреби в тестуванні та відповідності

12. Очікуваний обсяг виробництва

Правильна конструкція – це та, яка задовольняє електричні та механічні вимоги головного пристрою, зберігаючи при цьому безпечне та повторюване виробництво.

1. Почніть із вимог до хост-пристрою

Розробку акумуляторної батареї слід починати з пристрою, а не з моделі акумулятора.

Перед вибором комірок команда OEM повинна визначити:

• Робоча напруга пристрою

• Максимальна вхідна напруга

• Мінімальна робоча напруга

• Постійна потреба в електроенергії

• Запуск або пікове споживання електроенергії

• Очікуваний час роботи

• Спосіб зарядки

• Доступне місце для акумулятора

• Розташування роз’єму та кабелю

• Робоча температура

• Життєвий цикл продукту

• Очікуваний обсяг виробництва

Акумулятор слід оцінювати як частину повної системи живлення. Зарядний пристрій, схема керування живленням, двигун, контролер, дисплей, комунікаційний модуль та інші навантаження можуть впливати на характеристики батареї.

Наприклад, пристрій може споживати лише невеликий середній струм, але вимагати високого імпульсу струму, коли двигун запускається або бездротовий модуль передає. Якщо брати до уваги лише середню потужність, акумулятор може виглядати придатним, але вийти з ладу під час фактичної роботи.

Для вимог OEM, таких як розмір, ємність, напруга, BMS і роз’єм, ZERNE індивідуальні акумуляторні рішення забезпечують відповідну комерційну точку входу.

2. Виберіть необхідну напругу батареї

Напруга визначає, чи може акумулятор працювати з електричною системою пристрою.

Для багатьох стандартних літій-іонних і літій-полімерних елементів загальна номінальна напруга становить приблизно 3,6 В або 3,7 В, тоді як напруга повного заряду зазвичай становить близько 4,2 В. Точні значення залежать від хімічного складу елемента та технічних характеристик.

При послідовному з’єднанні елементів напруга зростає.

Ці значення є загальними контрольними точками для стандартних Li-ion або LiPo конфігурацій. Фактична конструкція батареї повинна відповідати таблиці даних вибраного елемента та вимогам до системи заряджання.

Необхідно ретельно перевірити діапазон вхідної напруги пристрою. Батарея з позначкою 7,4 В не зберігає рівно 7,4 В під час роботи. Його напруга змінюється під час зарядки та розрядки.

Номінальна та робоча напруга

Інженери OEM повинні розрізняти:

• Номінальна напруга

• Напруга повного заряду

• Типова робоча напруга

• Напруга відсічення

• Мінімальна вхідна напруга пристрою

• Максимальна вхідна напруга пристрою

Для пристрою, який приймає лише вузький діапазон напруги, може знадобитися перетворювач DC-DC, регулятор напруги або спеціальна стратегія керування батареєю.

Практичний приклад: Вибір батареї для пристрою 7,4 В

Якщо для OEM-пристрою потрібна номінальна напруга батареї приблизно 7,4 В, типове рішення може використовувати два елемента 3,7 В послідовно, відомі як конфігурація 2S.

Однак команда проектувальників все одно повинна перевірити:

• Чи приймає пристрій напругу повного заряду

• Чи підтримує зарядний пристрій пакет 2S

• Чи потрібне балансування клітин

• Чи підтримує BMS дві послідовні комірки

• Чи може пристрій працювати при мінімальній напрузі акумулятора

Для детальнішого порівняння послідовної та паралельної конфігурацій див Серія проти паралельних акумуляторних батарей.

3. Визначте необхідну ємність

Ємність описує, скільки електричного заряду може зберігати батарея, і зазвичай виражається в міліампер-годинах або ампер-годинах.

Однак сама по собі потужність не повністю описує доступну енергію. Енергія залежить як від напруги, так і від ємності.

Основний зв'язок:

Енергія у ват-годинах = Напруга у вольтах × Ємність у ампер-годинах

Наприклад:

• 3,7 В × 1 А·год = 3,7 Вт·год

• 7,4 В × 2 А·год = 14,8 Вт·год

• 14,8 В × 3 А·год = 44,4 Вт·год

Під час порівняння різних конфігурацій батареї ват-години часто корисніші, ніж міліампер-години, оскільки напруга може відрізнятися.

Приклад з елементами 3,7 В, 1000 мАг

Припустимо, що кожна клітинка має:

• Номінальна напруга: 3,7 В

• Ємність: 1000 мАг або 1 Ач

Різні конфігурації дають різні результати:

Послідовне з'єднання підвищує напругу. Паралельні з'єднання збільшують пропускну здатність. Послідовно-паралельна конфігурація може збільшити обидва.

Необхідно виконати детальний розрахунок кількості клітин, послідовного та паралельного з’єднання Як розрахувати ємність літій-іонного акумулятора.

4. Зіставте постійний і піковий струм

Акумуляторна батарея має забезпечувати достатній струм як для нормальної роботи, так і для тимчасового пікового навантаження.

Покупці OEM повинні визначити:

• Середній робочий струм

• Безперервний струм

• Піковий струм

• Пікова тривалість

• Струм запуску

• Робочий цикл

• Мінімальна напруга акумулятора під час пікового навантаження

Елемент батареї, BMS, дроти, точки зварювання та з’єднувач мають підтримувати необхідний струм. Пакет може містити достатньо накопиченої енергії, але все одно вийти з ладу, якщо його шлях розряду не може задовольнити поточні потреби пристрою.

Безперервний струм

Безперервний струм – це струм, який має видавати акумулятор під час нормальної роботи. Це впливає на вибір комірки, розмір провідника, рейтинг BMS і тепловий дизайн.

Піковий струм

Піковий струм може виникнути під час:

• Запуск двигуна

• Бездротова передача

• Опалення

• Робота насоса

• Активація освітлення

• Швидка робота процесора

• Тимчасовий вихід високої потужності

Важлива тривалість піку. Батарея, яка підтримує короткий імпульс, може не підтримувати однаковий струм постійно.

Співвідношення струму та влади

Коли відома потужність пристрою, струм можна оцінити за допомогою:

Струм = Потужність ÷ Напруга

Наприклад, для навантаження 20 Вт від акумулятора 7,4 В потрібно приблизно:

20 Вт ÷ 7,4 В ≈ 2,7 А

Фактичний проект також повинен враховувати втрати при перетворенні, коливання напруги, пікове попит і температуру.

5. Виберіть послідовну та паралельну конфігурацію

Послідовно-паралельна конфігурація визначає електричну структуру акумуляторної батареї.

Послідовне підключення

Елементи, з’єднані послідовно, підвищують напругу, тоді як ємність в ампер-годинах залишається приблизно рівною ємності одного елемента.

Блок 2S1P з елементів 3,7 В, 1000 мАг забезпечує приблизно:

• 7,4 В номінальна напруга

• Ємність 1000 мАг

Паралельне підключення

Паралельно з’єднані елементи збільшують ємність і струм, в той час як напруга залишається приблизно рівною напрузі однієї клітини.

Пакет 1S2P, виготовлений з тих самих комірок, забезпечує приблизно:

• 3,7 В номінальна напруга

• Ємність 2000 мАг

Послідовно-паралельне з'єднання

Пакет 2S2P забезпечує приблизно:

• 7,4 В номінальна напруга

• Ємність 2000 мАг

Дизайн також повинен враховувати:

• Зіставлення клітинок

• Балансування

• захист

• Зварювання або спосіб з'єднання

• Розміри упаковки

• Вироблення тепла

• Архітектура BMS

Принцип простий, але остаточний дизайн слід перевірити на реальний пристрій і виробничий процес. Стаття Серія та паралельна батарея забезпечують більш вузьке порівняння.

6. Виберіть правильний формат комірки та оцінку ефективності

Фізичні та електричні характеристики елемента впливають на повний дизайн упаковки.

Важливі параметри клітини включають:

• Формат комірки

• Розміри

• Номінальна місткість

• Швидкість розряду

• Внутрішній опір

• Виконання циклу

• Робоча температура

• Умови зарядки

• вага

• Доступність

• Послідовність виробництва

Комірки мішків можуть підтримувати тонкі або фігурні конструкції. Циліндричні комірки можуть мати стандартизовані розміри та механічну консистенцію. Найкращий формат залежить від головного пристрою та необхідної продуктивності.

Вибір клітин не повинен ґрунтуватися лише на потужності. Комірка з більшою ємністю може бути непридатною, якщо вона не може забезпечити необхідний струм або вмістити доступний простір.

Конкретне порівняння форматів циліндричних комірок див Батарея 26650 проти 18650: розмір, напруга та ємність.

Зіставлення клітинок

Для пакетів із кількома осередками комірки мають відповідати відповідним параметрам, таким як:

• Ємність

• Напруга

• Внутрішній опір

• Виробнича партія

• Стан старіння

Невідповідність клітин може вплинути на балансування, корисну ємність, температуру та термін служби. Детальне обговорення цього питання доступно в Чому літій-іонні акумулятори стають несумісними і що робити.

7. Вирішіть, чи потрібен пакет PCM або BMS

Захисна електроніка є важливою частиною більшості літієвих акумуляторних батарей.

PCM

Для простішої конфігурації акумулятора може підійти модуль схеми захисту. Він може забезпечувати основні функції, такі як:

• Захист від перезаряду

• Захист від перерозряду

• Захист від перевантаження по струму

• Захист від короткого замикання

BMS

Більш просунута система керування батареєю може знадобитися, якщо пакет містить кілька елементів або потребує додаткових функцій контролю та зв’язку.

BMS може підтримувати:

• Моніторинг напруги клітини

• Балансування клітин

• Поточний моніторинг

• Контроль температури

• Оцінка стану заряду

• Виявлення несправностей

• Зв'язок з головним пристроєм

• Контроль зарядки та розрядки

• Запис подій або несправностей

Коли BMS є більш доцільним?

BMS зазвичай є більш актуальним, коли:

• Акумулятор складається з декількох послідовно з’єднаних елементів

• Потрібне балансування клітин

• Пристрою потрібна інформація про стан акумулятора

• Батарея працює під великим струмом

• Додаток вимагає детального моніторингу несправностей

• Головний пристрій спілкується з акумулятором

• Для проекту потрібна функція розумного акумулятора

Проект повинен визначати вимоги до BMS до того, як буде виготовлено прототип. Перехід із базової захисної плати на розумну BMS пізніше може вплинути на розміри батареї, роз’єм, мікропрограму, тестування та вартість.

Додаткову інформацію про те, як керування акумулятором впливає на стан заряду та поведінку акумулятора, див Чому останній 1 відсоток вашої літій-іонної батареї витримує краще, ніж ви думаєте.

8. Оцініть час роботи батареї

Тривалість роботи залежить від корисної енергії батареї та фактичної потреби пристрою в електроенергії.

Основна оцінка:

Приблизний час роботи = Енергія батареї × корисна ефективність ÷ потужність пристрою

Для батареї, визначеної напругою та ємністю:

Енергія батареї = номінальна напруга × ємність в ампер-годинах

Приклад виконання

Припустимо:

• Акумуляторна батарея: 7,4 В, 2000 мАг

• Номінальна енергія: 7,4 В × 2 А·год = 14,8 Вт·год

• Розрахункова корисна ефективність системи: 85%

• Потужність пристрою: 5 Вт

Корисна енергія:

14,8 Вт·год × 0,85 = 12,58 Вт·год

Приблизний час роботи:

12,58 Вт·год ÷ 5 Вт ≈ 2,5 години

Це інженерна оцінка, а не гарантований час роботи.

Фактичний час виконання може залежати від:

• Змінне навантаження пристрою

• Ефективність перетворення напруги

• Налаштування відключення батареї

• температура

• Вік батареї

• Швидкість розряду

• Резистентність клітин

• Межі захисту BMS

• Споживання пристрою в режимі очікування

Повний метод розрахунку часу виконання див Як розрахувати час роботи літієвої батареї.

9. Перевірте механічну інтеграцію

Електричні характеристики є лише частиною конструкції акумуляторної батареї. Батарея також має надійно вставлятися в основний продукт.

Проект повинен визначати:

• Максимальна довжина

• Максимальна ширина

• Максимальна товщина

• Напрямок монтажу

• Спосіб кріплення

• Доступ до конектора

• Вихід кабелю

• Межі стиснення

• Вібраційний вплив

• Джерела тепла

• Вимоги до обслуговування та заміни

Пакетний акумулятор не можна стискати гострими краями або сильним тиском. Для циліндричного пакета можуть знадобитися тримачі, розпірки або структурний захист. Батарейний відсік повинен враховувати виробничі допуски та очікуване робоче середовище.

Детальна конструкція відсіку, зазор, допуски на нагрівання та набухання розглядаються окремо в Конструкція відсіку для акумулятора LiPo: зазор і здуття.

У цій статті основний принцип дизайну:

Батарейний відсік слід проектувати разом із акумуляторною батареєю, а не після того, як батарею вже вибрано.

10. Визначте вимоги до роз’єму та кабелю

Роз’єм і кабель є частиною інтерфейсу акумулятора.

Команди OEM повинні вказати:

• Тип роз'єму

• Кількість шпильок

• Поточний рейтинг

• Номінальна напруга

• Полярність

• Метод блокування

• Довжина кабелю

• Калібр дроту

• Позиція виходу дроту

• Зняття напруги

• Місце для установки

• Необхідні сигнальні або комунікаційні лінії

Роз’єм живлення може відрізнятися від роз’єму зв’язку. Інтелектуальна BMS може потребувати додаткових сигнальних контактів для передачі даних, вимірювання температури або ідентифікації.

При виборі з’єднувача слід також враховувати складання, цикли сполучення, вібрацію та технічне обслуговування в умовах експлуатації.

Детальний вибір роз’єму виходить за рамки цього огляду дизайну та розглядається в Як вибрати роз’єм для індивідуальної літієвої батареї.

11. Розгляньте вимоги до заряджання

Акумуляторна батарея має бути сумісна із зарядним пристроєм і системою заряджання.

Покупці OEM повинні визначити:

• Напруга зарядки

• Струм зарядки

• Час зарядки

• Спосіб зарядки

• Допуск зарядного пристрою

• Температурні межі

• Спосіб припинення заряду

• Вимоги до балансування

• Незалежно від того, чи заряджається батарея всередині пристрою чи поза ним

Акумулятор 2S не можна заряджати за допомогою зарядного пристрою, призначеного для одного елемента. Система зарядки має відповідати конфігурації пакета та електроніці захисту.

BMS або PCM також повинні бути сумісні з умовами роботи зарядного пристрою. Поведінка під час заряджання може вплинути на термін служби батареї, температуру та безпеку, тому її слід перевіряти на фактичному пристрої та зарядному пристрої.

12. Створіть повну специфікацію конструкції батареї

Перш ніж запитувати прототип, команда OEM повинна об’єднати електричні, механічні та інтерфейсні вимоги в одну контрольовану специфікацію.

Корисна специфікація повинна містити:

Детальний пакет вимог зменшує потреби в перепроектуванні та полегшує порівняння пропозицій постачальників.

13. Працюючий приклад OEM: проектування акумуляторної батареї 7,4 В

Припустімо, що пристрій OEM потребує:

• Номінальна напруга: приблизно 7,4 В

• Цільова ємність: 2000 мАг

• Середня потужність: 5 Вт

• Піковий струм: вище нормального робочого струму

• Компактний прямокутний простір для установки

• Перезаряджається

• Контроль стану батареї

Можливим напрямком попереднього проектування може бути:

• Дві комірки послідовно для конфігурації 2S

• Дві паралельні клітинні лінії для необхідної потужності

• BMS із балансуванням клітинок

• Контроль температури

• Спеціальний з’єднувач

• Пакет, розроблений навколо корпусу хост-пристрою

• Перевірка часу роботи при фактичному навантаженні 5 Вт

Паралельне використання двох елементів ємністю 1000 мАг для кожної групи серії дає приблизно 7,4 В, 2000 мАг.

Номінальна енергія:

7,4 В × 2 А·год = 14,8 Вт·год

Враховуючи 85% корисної ефективності системи, очікувана корисна енергія становить приблизно:

14,8 Вт·год × 0,85 = 12,58 Вт·год

При постійному навантаженні 5 Вт початкова оцінка часу роботи становить приблизно:

12,58 Вт·год ÷ 5 Вт = 2,5 години

Перед схваленням команда проектувальників все одно повинна перевірити:

• Фактичний поточний попит

• Відповідь на піковий струм

• Сумісність зарядного пристрою

• Налаштування BMS

• Теплова поведінка

• Механічна посадка

• Надійність роз'єму

• Час роботи в реальних умовах пристрою

Цей приклад ілюструє логіку проектування. Він не повинен замінювати перевірку техніки батареї для конкретної програми.

Поширені помилки при проектуванні літій-іонної батареї

Вибір ємності перед перевіркою напруги

Батарея з достатньою кількістю мАг може бути несумісною з пристроєм, якщо її діапазон напруги неправильний.

Використання лише середнього струму

Пікове споживання може спричинити падіння напруги, відключення BMS або перегрів роз’єму, навіть якщо середнє споживання здається прийнятним.

Розгляд номінальної напруги як постійної

Напруга акумулятора змінюється під час зарядки та розрядки. Пристрій повинен витримувати повний робочий діапазон.

Вибір BMS занадто пізно

Розміри BMS, підключення, комунікація та тестування можуть вплинути на всю конструкцію упаковки.

Ігнорування механічних обмежень

Акумулятор, який працює від електрики, може не підійти до корпусу або може зазнати шкідливого стиснення.

Припускаючи, що час роботи дорівнює номінальній потужності

Номінальна потужність не дорівнює корисній енергії за будь-яких умов навантаження та температури.

Порівняння упаковок лише за ємністю

Дві упаковки з однаковою ємністю можуть відрізнятися за якістю елементів, здатністю розряджання, функціями BMS, розмірами та тестуванням.

Контрольний список дизайну літій-іонної батареї

Перед затвердженням проекту підтвердьте:

• Визначається діапазон напруги пристрою

• Ідентифікуються номінальна, мінімальна та максимальна напруга батареї

• Визначено потужність і корисну енергію

• Відомі безперервний і піковий струм

• Вибрано послідовну та паралельну конфігурацію

• Визначено модель клітини та ступінь продуктивності

• Визначено вимоги до відповідності комірок

• Вказано функції PCM або BMS

• Умови зарядки підтверджені

• Розміри батареї контролюються

• Вимоги до роз’ємів і кабелів задокументовані

• Визначається робоча температура

• Вказано цільовий час виконання

• Планується тестування інтеграції хост-пристрою

• Визначено критерії затвердження прототипу

• Вимоги до виробництва та контролю змін зрозумілі

Для ширших критеріїв придбання OEM див Як вибрати акумуляторну літій-іонну батарею для OEM-пристрою.

FAQ

Що є найважливішим фактором у конструкції літій-іонного акумулятора?

Найважливішим фактором є відповідність акумулятора повним електричним і механічним вимогам головного пристрою. Напруга, ємність, струм, BMS, розміри та зарядка повинні оцінюватися разом.

Як розрахувати енергію літій-іонної батареї?

Помножте номінальну напругу на ємність в ампер-годинах. Наприклад, акумуляторна батарея 7,4 В, 2 А·год має приблизно 14,8 Вт·год номінальної енергії.

Чи послідовне з’єднання комірок збільшує ємність?

Ні. Послідовне з’єднання в першу чергу підвищує напругу. Паралельні з'єднання збільшують потужність і силу струму. Послідовно-паралельна конфігурація може збільшити як напругу, так і ємність.

Чи кожна літієва батарея потребує BMS?

Необхідна система захисту залежить від конфігурації пакета та застосування. Простий однокомпонентний пакет може використовувати PCM, тоді як багатокомпонентний пакет може вимагати BMS з функціями балансування та моніторингу.

Як довго літієва батарея забезпечить роботу пристрою?

Час роботи залежить від заряду батареї, потужності пристрою, ефективності перетворення, налаштувань відключення, температури та зміни навантаження. Основна оцінка – це кількість ват-годин акумулятора, поділена на потужність пристрою з поправкою на корисну ефективність.

Яка різниця між спеціальною акумуляторною батареєю та стандартною батареєю?

Спеціальна батарея розроблена відповідно до напруги, ємності, струму, розмірів, роз’єму, BMS і вимог до застосування продукту OEM. Стандартний пакет зазвичай використовує попередньо визначену конфігурацію.

Напругу чи потужність слід вибрати спочатку?

Зазвичай спочатку слід встановити діапазон напруги пристрою. Потім можна вибрати потужність відповідно до часу роботи, доступного простору, поточного попиту та обмежень ваги.

Висновок

Розробка літій-іонної батареї – це процес системного рівня. Надійна конструкція повинна з'єднувати:

• Напруга

• Ємність

• Енергія

• Поточний попит

• Послідовна та паралельна конфігурація

• Вибір комірки

• PCM або BMS

• Зарядка

• Час виконання

• Механічна інтеграція

• Вимоги до конектора

• Випробування та виробничі потреби

Елемент 3,7 В можна налаштувати на різні акумуляторні блоки залежно від необхідної напруги та ємності. Однак електрична конфігурація є лише частиною конструкції. Акумулятор також має правильно працювати із зарядним пристроєм, основним пристроєм, системою захисту та механічним корпусом.

Якщо ви розробляєте нестандартну літій-іонну батарею, поділіться з технічною групою ZERNE програмою, цільовою напругою, ємністю, струмом, розмірами, вимогами до роз’ємів, цільовим часом роботи та очікуваним обсягом виробництва. ZERNE підтримує розробку нестандартних літієвих акумуляторів для проектів OEM та ODM, від початкового аналізу вимог до розробки зразків і планування виробництва.