Как да изберем пауч клетки за потребителски пакети батерии | Мизен

Изборът на торбичка за батериен пакет по поръчка не е просто въпрос на намиране на правилното напрежение и капацитет.

Една клетка може да изглежда подходяща на хартия, но все пак да създава проблеми по време на сглобяване на модула, термично тестване или дългосрочна работа. Токът на разреждане може да е твърде близо до границата на клетката. Езиците може да не отговарят на оформлението на шината. Корпусът на опаковката може да не оставя място за подуване. Системата за управление на батерията също може да бъде конфигурирана около грешен диапазон на напрежение.

Тези проблеми са по-лесни и по-евтини за решаване по време на избора на клетка, отколкото след като прототипът вече е изграден.

Един надежден процес на избор трябва да започне с цялостната система от батерии: приложение, работно напрежение, необходима енергия, непрекъснат и пиков ток, място за монтаж, температурен диапазон, експлоатационен живот и производствен обем.

Това ръководство обяснява как инженерите и разработчиците на продукти могат да оценят пауч клетки за електрически превозни средства, системи за съхранение на енергия, роботика, дронове, промишлено оборудване и други персонализирани приложения на батерии.

Започнете с изискванията за батерията

Преди да сравните модели клетки, подгответе лист с основни изисквания за батерията.

Като минимум трябва да включва:

• Приложение

• Номинално напрежение на опаковката

• Максимално напрежение на зареждане

• Минимално работно напрежение

• Необходим капацитет или енергия

• Непрекъснат ток на разреждане

• Пиков ток на разреждане и продължителност

• Максимални размери на батерията

• Целево тегло на батерията

• Време за зареждане

• Работна температура

• Необходим живот на цикъла

• Очаквано годишно количество

Тази информация определя дали клетката е технически подходяща.

Например два проекта може да изискват 48V 100Ah батерия. Въпреки това, стационарна система за съхранение, работеща при 30A, има много различни изисквания към клетките от индустриално превозно средство, което тегли 200A по време на ускорение.

Капацитетът може да е еднакъв, но химията, вътрешното съпротивление, дизайнът на раздела, термичната структура и системата за управление на батерията може да са различни.

1. Изберете подходящата клетъчна химия на торбичката

Първото важно решение е клетъчната химия.

Misen доставя и оценява няколко технологии за торбички, включително NMC, LFP, полутвърди и натриево-йонни клетки. Всяка химия обслужва различен приоритет на проекта.

NMC пауч клетки

Пауч клетките NMC се използват широко, когато енергийната плътност и теглото на батерията са важни.

Типичните приложения включват:

• Електрически превозни средства

• Електрически мотоциклети

• роботика

• Безпилотни системи

• Преносимо индустриално оборудване

• Чувствителни към теглото батерийни модули

Една конвенционална NMC пауч клетка обикновено има номинално напрежение от приблизително 3,6 V до 3,7 V. Стандартното максимално напрежение на зареждане често е 4,2 V, въпреки че някои клетки с високо напрежение използват по-висока граница.

Точното напрежение на зареждане трябва винаги да отговаря на спецификацията на клетката. BMS или зарядно устройство, проектирано за стандартна клетка от 4,2 V, не трябва автоматично да се използва с високоволтова химия.

NMC често е силен избор, когато проектът се нуждае от повече енергия в ограничено пространство. Въпреки това, термичното управление, текущото натоварване и контролът на напрежението изискват внимателно внимание.

LFP пауч клетки

LFP пауч клетките обикновено се избират, когато животът на цикъла, термичната стабилност и дългосрочната надеждност са по-важни от постигането на възможно най-ниското тегло на опаковката.

Типичната LFP клетка има:

• Номинално напрежение около 3.2V

• Максимално напрежение на зареждане около 3.65V

Често срещаните приложения включват:

• Системи за съхранение на енергия

• Слънчеви батерийни системи

• Индустриално резервно захранване

• Комунални превозни средства

• Батерийни пакети с често цикличен цикъл

В сравнение с NMC, LFP обикновено изисква повече клетки или по-голям обем, за да достигне същата енергийна цел. В замяна, той може да осигури стабилна платформа за напрежение и висока производителност на цикъла, когато батерията е правилно проектирана и експлоатирана.

Полутвърди пауч клетки

Полутвърдите пауч клетки се разглеждат за проекти, които изискват висока енергийна плътност и намалено тегло на батерията.

Те могат да бъдат подходящи за:

• Премиум електрическа мобилност

• Дронове с дълга издръжливост

• Специализирана роботика

• Системи, свързани с космическото пространство

• Компактни високоенергийни батерии

Терминът 'полутвърд' обхваща различни дизайни на клетки, така че е важно да се оцени действителната спецификация, вместо да се разчита само на името на технологията.

Енергийната плътност, способността за разреждане, животът на цикъла, методът на зареждане и статусът на сертифициране могат да варират значително между моделите.

Натриево-йонни торбички

Пауч клетките с натриеви йони привличат интерес към проекти, които оценяват производителността при ниски температури, способност за скорост и наличност на материали.

Потенциалните приложения включват:

• Мобилност в студен климат

• Нискотемпературно промишлено оборудване

• Двуколесни превозни средства

• Резервно захранване

• Избрани системи за съхранение на енергия

Техният обхват на напрежение се различава от този на конвенционалните литиево-йонни клетки. В резултат на това съществуваща литиева батерия BMS или зарядно устройство може да не са подходящи без промени в праговете на напрежението, оценката на SOC и стратегията за балансиране.

Следователно натриево-йонните клетки трябва да се оценяват като цялостна система, вместо да се третират като директен заместител на NMC или LFP.

Какво ще кажете за LTO?

Клетките от литиев титанат могат да поддържат високи скорости на зареждане, дълъг живот на цикъла и работа при ниски температури. Въпреки това, тяхното по-ниско номинално напрежение и по-ниска енергийна плътност обикновено водят до по-голяма и по-скъпа батерия.

LTO може да е подходящо за специализирани приложения с бързо зареждане или висок цикъл, но рядко е първата опция за проекти, фокусирани върху компактен размер или ниска цена.

Сравнение на клетъчната химия на торбичката

Химия на клетката	Основно предимство	Основно ограничение	Типични приложения
NMC	Висока енергийна плътност и по-ниско тегло	Изисква внимателно управление на топлината и напрежението	EV, роботика, UAV и преносими системи
LFP	Дълъг цикъл на живот и силна термична стабилност	По-ниска енергийна плътност от NMC	ESS, индустриално оборудване и помощни превозни средства
Полутвърдо	Високоенергиен потенциал за първокласни проекти	Наличността и цената на модела варират	Леки и ограничени в пространството системи
Натриево-йонни	Нискотемпературен и високоскоростен потенциал	По-ниска енергийна плътност и по-малко зряла верига за доставки	Мобилност в студен климат и избрано съхранение
LTO	Бързо зареждане и дълъг цикъл на живот	Ниска енергийна плътност и по-висока цена на системата	Приложения с висок цикъл и бързо зареждане

Няма универсално най-добра клетъчна химия. Правилният избор зависи от това кое изискване не може да бъде компрометирано.

2. Определете напрежението и серийната конфигурация

След като химията е избрана, следващата стъпка е да се определи колко клетки трябва да бъдат свързани последователно.

Клетките, свързани последователно, повишават напрежението. Капацитетът в амперчасове остава приблизително същият.

Основната връзка е:

Номинално напрежение на опаковката = Номинално напрежение на клетката × Брой клетки в серия

Номинална 24V-клас NMC батерия може да използва седем клетки в серия:

3,7V × 7 = 25,9V

Това обикновено се описва като 7S батерия.

Само номиналното напрежение обаче не е достатъчно. Следните стойности също трябва да бъдат проверени:

• Максимално напрежение на зареждане на пакета

• Минимално работно напрежение на опаковката

• Диапазон на входното напрежение на оборудването

• Изходно напрежение на зарядното устройство

• BMS праг на надценка

• BMS праг на свръхразреждане

За стандартен пакет 7S NMC, използващ клетки, заредени до 4,2 V:

Максимално напрежение на опаковката = 4,2 V × 7 = 29,4 V

Оборудването, зарядното устройство и BMS трябва да са съвместими с това горно напрежение.

Едно и също '24V' описание на продукта може да се отнася за различни батерийни системи. 24V оловно-киселинна замяна, 7S NMC батерия и 8S LFP батерия нямат идентични криви на напрежение.

Поради тази причина изборът на броя на сериите трябва да се основава на пълния прозорец на работното напрежение на устройството, а не само на обявеното му напрежение.

3. Изчислете капацитета от енергия и време на работа

Капацитетът обикновено се посочва в амперчасове, но при избора на батерия трябва да се вземе предвид и ватчаса.

Основната връзка е:

Енергия в Wh = Номинално напрежение × Капацитет в Ah

Например:

48V × 100Ah = 4800Wh

Това дава по-добра индикация за съхранената енергия, отколкото само стойността на Ah.

Батерия 12V 100Ah и батерия 48V 100Ah имат еднакъв номинален амперчас, но батерията 48V съхранява приблизително четири пъти повече енергия.

Сметка за използваема енергия

Теоретичната енергия на етикета не винаги е енергията, налична за оборудването.

Използваемият капацитет може да бъде повлиян от:

• Граници на напрежението на BMS

• Избран SOC операционен прозорец

• Скорост на разреждане

• Околна температура

• Падане на напрежението под товар

• Ефективност на конвертора

• Стареене на клетките

• Необходим резервен капацитет

Следователно проект, който се нуждае от 4 kWh използваема енергия, може да изисква повече от 4 kWh номинална клетъчна енергия.

Правилният резерв зависи от приложението. Стационарна система с предвидими натоварвания може да бъде оценена по различен начин от превозно средство, което все още трябва да работи след няколко години загуба на капацитет.

Големи клетки или множество успоредни клетки?

Клетките, свързани паралелно, увеличават капацитета и токовия капацитет, като същевременно поддържат напрежението приблизително същото.

2P конфигурация използва две клетки паралелно. 3P конфигурация използва три.

Когато е възможно, една клетка с по-голям капацитет може да намали:

• Брой заварки

• Брой връзки на шини

• Изолационни части

• Време за сглобяване

• Потенциални повреди на връзката

Въпреки това множество по-малки клетки могат да предложат по-добра гъвкавост, когато наличното пространство е нередовно или когато се изисква специфично разпределение на тока.

Най-добрата конфигурация зависи от размерите на клетката, структурата на модула, разпределението на топлината и производствения метод. По-малкото клетки не гарантират автоматично по-добра батерия.

4. Свържете C-Rate с непрекъснат и пиков ток

Скоростта на разреждане на клетката обикновено се изразява като C-скорост.

За клетка 50Ah:

• 1C е равно на 50A

• 2C е равно на 100A

• 3C е равно на 150A

Това изчисление е просто, но изборът на високоскоростна клетка изисква повече от проверка на максималния ток, показан в таблица със спецификации.

Непрекъснат ток на разреждане

Непрекъснатият ток е максималният ток, който батерията трябва да доставя по време на нормална работа за продължителен период от време.

Той засяга:

• Клетъчна температура

• Падане на напрежението

• Използваем капацитет

• Избор на конектор

• Дебелина на шината

• Размер на кабела

• Текущ рейтинг на BMS

• Изисквания за охлаждане

Клетка, номинална за определен ток при лабораторни условия, може да работи по-горещо вътре в плътно затворен модул. Компресионните плочи, изолационните материали и съседните клетки могат да повлияят на разсейването на топлината.

Пиков ток на разреждане

Пиковият ток възниква по време на кратки събития с висока мощност като:

• Стартиране на двигателя

• Ускорение

• Активиране на хидравличната помпа

• Излитане на БЛА

• Въздействие на инструмента

• Краткотрайни аварийни натоварвания

Спецификацията на пиковия ток е непълна, освен ако не е известна и продължителността.

Клетка, способна да достави 300 A за две секунди, може да не поддържа същия ток за 30 секунди. Следователно пиковият ток трябва да бъде специфициран заедно с неговата продължителност и честота на повторение.

Не проектирайте на абсолютната граница

Батерията не трябва да работи непрекъснато при максималния обявен ток на клетката без термична проверка.

Обикновено се препоръчва марж за предварителен дизайн, но няма универсален процент, подходящ за всеки проект. Необходимият марж зависи от:

• Околна температура

• Условия на охлаждане

• Опаковка

• Стареене на клетките

• Текущ работен цикъл

• Приемливо повишаване на температурата

• Необходим експлоатационен живот

За взискателни приложения, тестването на прототипа трябва да включва температура на клетката, температура на разделителя, спад на напрежението и вътрешно съпротивление при постоянен ток при действителния профил на натоварване.

5. Проверете размерите на клетката, разделите и пространството на опаковката

Пауч клетките са привлекателни, защото могат да осигурят висока ефективност на опаковане и гъвкави размери.

Техният формат обикновено се описва като:

Дебелина × Ширина × Дължина

Изброените размери на клетките обаче са само една част от механичния дизайн.

Дизайнерът на опаковката трябва също така да предвиди място за:

• Клетъчни раздели

• Шинопроводи

• Изолационни листове

• Компресионни плочи

• Омекотяващи материали

• Термични интерфейси

• BMS

• Окабеляване

• Съединители

• Предпазители

• Монтажни допуски

Помощ за подуване

Пауч клетките могат да променят дебелината си по време на зареждане, цикъл и стареене.

Изискваното разрешение трябва да се основава на данните на доставчика на клетката, очаквания диапазон на SOC, целевия цикъл и стратегия за компресиране. Фиксиран процент не трябва да се прилага сляпо за всички клетъчни модели.

Оставянето на твърде малко пространство може да създаде прекомерно механично напрежение. Оставянето на клетките напълно без опора също може да доведе до неравномерно подуване, лош контакт и намалена стабилност на модула.

Подходяща механична структура трябва да контролира разширяването, като същевременно избягва повреден натиск върху тялото на клетката или зоната на запечатване.

Позиция на раздела и материал

Езичетата на клетъчната торбичка могат да бъдат разположени:

• От същата страна

• На противоположните страни

• При различни офсети

• В персонализирани ориентации

Разположението на разделите влияе върху оформлението на модула, дизайна на шините и процеса на сглобяване.

Дизайнерът трябва да провери:

• Положителни и отрицателни позиции на раздела

• Ширина и дебелина на раздела

• Материал на раздела

• Метод на заваряване

• Необходим ток

• Ограничения при огъване

• Разстояние от уплътнителния ръб

Технически подходяща клетка все още може да бъде трудна за използване, ако нейното оформление на раздели е в конфликт с корпуса или позицията на BMS.

6. Оценете жизнения цикъл при реални работни условия

Животът на цикъла често се определя като броя цикли на зареждане и разреждане, завършени преди капацитетът да падне до определено ниво, обикновено 80% от първоначалния капацитет.

Въпреки това, броят на жизнения цикъл има значение само когато условията на изпитване са известни.

Важните условия включват:

• Скорост на зареждане

• Скорост на разреждане

• Дълбочина на изпускане

• Горно напрежение на зареждане

• По-ниско разрядно напрежение

• Тестова температура

• Време за почивка

• Компресия на клетките

• Праг на капацитета в края на жизнения цикъл

Две клетки, и двете рекламирани с 2000 цикъла, може да са тествани при много различни условия.

Цикличният живот не е календарен живот

Животът на цикъла измерва стареенето, причинено от многократно зареждане и разреждане.

Животът на календара измерва влошаването с течение на времето, включително периоди, когато батерията не работи.

Батерия, съхранявана за дълги периоди при висок SOC и висока температура, може да загуби капацитет дори когато завърши много малко цикли.

За продукти, които се очаква да останат в експлоатация от пет до десет години, трябва да се вземат предвид както жизненият цикъл, така и календарното стареене.

Химията е само част от отговора

LFP клетките често осигуряват силна циклична производителност, докато NMC клетките често се избират за по-висока енергийна плътност. Но крайният експлоатационен живот също се влияе от дизайна на опаковката и оперативната стратегия.

Следните мерки могат да подобрят живота на батерията:

• Избягване на ненужно високо напрежение на зареждане

• Намаляване на продължителната работа при голям ток

• Контрол на температурата на клетката

• Ограничаване на екстремната дълбочина на изпразване

• Поддържане на консистенцията на клетките

• Използване на подходяща компресия

• Задаване на точни граници на BMS

Изборът на клетка с дълъг живот не може да компенсира неподходящ термичен или механичен дизайн.

7. Потвърдете ефективността при ниска и висока температура

Температурата влияе върху наличния капацитет, мощността, поведението при зареждане и стареенето.

За приложения в студен климат проверете:

• Капацитет на разреждане при необходимата температура

• Падане на напрежението под товар

• Максимален ток на зареждане при ниска температура

• Дали зареждането под 0°C е разрешено

• Дали е необходимо отопление на клетката

• BMS настройки за температурна защита

Клетка, която може да се разрежда при -20°C, все пак може да има строги ограничения за зареждане при ниски температури.

За високотемпературни приложения проверете:

• Продължително намаляване на тока

• Температура на повърхността на клетката

• Вътрешно натрупване на топлина

• Вентилация на заграждението

• Метод на охлаждане

• Температура на съхранение

• Очаквано стареене на календара

Работната температура, записана в листа с данни, не трябва да се тълкува като гаранция, че клетката може да достави пълна мощност в целия този диапазон.

8. Не пренебрегвайте съвпадението на клетките

Дори когато всяка клетка идва от един и същ модел, могат да съществуват разлики в капацитета, напрежението, съпротивлението и поведението на саморазреждане.

Тези разлики стават по-важни, когато много клетки са свързани последователно.

Слаба или непостоянна клетка може да достигне лимита за зареждане или разреждане преди останалата част от опаковката. Това може да намали използваемия капацитет и да накара BMS да прекъсне работата си по-рано от очакваното.

В зависимост от проекта съвпадението на клетките на торбичката може да включва:

• Класиране на капацитета

• Сравнение на напрежението на отворена верига

• AC тестване на вътрешно съпротивление

• DC оценка на вътрешното съпротивление

• Скрининг на K-стойност

• Проверка на дебелината и размерите

• Проверка на външния вид и запечатването

• Проследимост на партидите

За модулите с голям капацитет последователността на клетките не е само въпрос на контрол на качеството. Той влияе пряко върху баланса на опаковката, разпределението на температурата, използваемата енергия и дългосрочната надеждност.

Misen може да поддържа тестване на пауч клетки и съпоставяне според изискванията на избрания модел и проект.

9. Свържете BMS с клетката и приложението

BMS трябва да бъде избран след потвърждаване на клетъчната химия, броя на сериите и текущите изисквания.

Важните BMS параметри включват:

• Брой клетки в серия

• Напрежение на презареждане

• Свръхразрядно напрежение

• Непрекъснат ток

• Пиков ток

• Закъснение по свръхток

• Защита от късо съединение

• Балансиращ ток

• Температурни сензори

• Комуникационен протокол

• Архитектура на зареждане и разреждане

BMS, предназначен за LFP, не трябва автоматично да се използва с NMC или натриево-йонни клетки. Праговете на напрежението и изчислението на SOC може да са неподходящи.

BMS също трябва да бъде координиран със зарядното устройство и оборудването. Той трябва да защитава батерията, без да прекъсва нормалните стартови токове или да създава конфликти с външни системи за защита.

10. Прегледайте пълната структура на модула

Персонализираният батериен пакет е механична, електрическа и термична система.

Може да се наложи окончателният дизайн да включва:

• Структура на компресия на клетката

• Крайни плочи

• Изолационни бариери

• Държачи за клетки

• Шинопроводи

• Предпазители

• Температурни сензори

• Материали за термичен интерфейс

• Охлаждащи канали

• BMS

• Основен конектор

• Сервизен конектор

• Опаковка

• Стратегия за вентилация или освобождаване на налягането

Ето защо изборът на пауч клетка само от каталожно изображение или стойност на капацитета може да бъде рисковано.

Клетката и модулът трябва да се оценяват заедно.

Контролен списък за избор на клетъчна торбичка

Фактор за избор	Въпроси за потвърждение
Приложение	Какво оборудване ще захранва батерията?
Химия	Приоритет ли са енергийната плътност, цикълът на живот, скоростта или работата при ниски температури?
Напрежение	Какви са номиналното, максималното и минималното напрежение на системата?
Капацитет	Колко номинална и използваема енергия е необходима?
Текущ	Какви са непрекъснатите и пиковите токове и колко време продължава пикът?
Размери	Какъв е максималният размер на опаковката след като се вземат предвид BMS, окабеляване, изолация и компресия?
Тегло	Проектът чувствителен ли е към теглото?
температура	Какви са температурите на зареждане, разреждане и съхранение?
Цикъл живот	Какви условия на изпитване и капацитет в края на живота са необходими?
Съвпадение на клетки	Какви ограничения се изискват за капацитет, OCV, съпротивление и K-стойност?
BMS	Какви защитни, балансиращи и комуникационни функции са необходими?
Количество	Проектът е в семплинг, пилотно производство или масово производство?

Често срещани грешки при избора на пауч клетка

Няколко грешки се появяват многократно по време на персонализирани проекти за батерии.

Избор само по капацитет

Две клетки с еднакъв рейтинг Ah може да имат много различно напрежение, съпротивление, размер, тегло и способност за разреждане.

Пренебрегване на продължителността на пиковия ток

Пиковият ток без продължителност не е достатъчен за оценка на клетката, BMS или шината.

Използване на корпуса на пакета като структура за компресиране на клетка

Корпусът може да не упражнява равномерен натиск върху повърхността на клетката. Все още може да е необходима специална модулна структура.

Не оставя място за разширяване

Пауч клетка не трябва да се монтира в твърда кухина въз основа само на дебелината на новата клетка.

Повторно използване на съществуващ BMS без проверка на праговете на напрежението

Това е особено рисковано при смяна между NMC, LFP, високоволтови литиево-йонни или натриево-йонни клетки.

Смесване на клетки без съвпадение

Клетките от различни партиди или с големи разлики в капацитета и съпротивлението могат да намалят производителността на батерията.

Разчитане само на максималния ток на листа с данни

Пълният пакет трябва да бъде тестван при реален профил на натоварване и топлинна среда.

От избор на клетка до интегриране на пакет

Най-добрата пауч клетка не е непременно клетката с най-висок капацитет, енергийна плътност или скорост на разреждане.

Това е клетката, която пасва на цялата система от батерии.

Успешният избор трябва да балансира:

• Съвместимост на напрежението

• Необходима енергия

• Непрекъсната и пикова мощност

• Налично място

• Тегло на батерията

• Цел за цикъл на живот

• Температурни условия

• Механична структура

• Клетъчна консистенция

• BMS изисквания

• Стабилност на производството и доставките

Misen поддържа клиентите от първоначалния избор на пауч клетка през тестване, съпоставяне, компресиране на модули, оценка на BMS и интегриране на батериен пакет.

Наличните опции включват NMC, LFP, полутвърди и натриево-йонни торбички за електрическа мобилност, съхранение на енергия, UAV, роботика и проекти за индустриални батерии.

Нуждаете се от помощ при избора на пауч клетка?

За да оцените проект, изпратете следната информация:

• Приложение

• Необходимо напрежение на пакета

• Необходим капацитет

• Непрекъснат ток на разреждане

• Пиков ток и продължителност

• Максимални размери на батерията

• Работна температура

• Цел за цикъл на живот

• Предпочитана химия

• Очаквано количество

Въз основа на тези изисквания Misen може да сравни подходящи модели на клетъчни торбички и да обсъди серийно-паралелната конфигурация, съвпадението на клетките, структурата на компресия, BMS и прототипния план.