Jak vybrat pouzdrové články pro vlastní bateriové sady | Misen

Výběr pouzdra pro vlastní baterii není jen otázkou nalezení správného napětí a kapacity.

Buňka může vypadat dobře na papíře, ale přesto může způsobit problémy během montáže modulu, tepelného testování nebo dlouhodobého provozu. Vybíjecí proud může být příliš blízko limitu článku. Záložky nemusí odpovídat rozložení přípojnic. Obal obalu nesmí ponechat žádný prostor pro bobtnání. Systém správy baterie může být také nakonfigurován pro nesprávný rozsah napětí.

Tyto problémy je snazší a méně nákladné řešit během výběru buňky než po již postaveném prototypu.

Spolehlivý proces výběru by měl začít kompletním bateriovým systémem: aplikace, pracovní napětí, požadovaná energie, trvalý a špičkový proud, instalační prostor, teplotní rozsah, životnost a objem výroby.

Tato příručka vysvětluje, jak mohou inženýři a vývojáři produktů hodnotit pouzdrové články pro elektrická vozidla, systémy pro ukládání energie, robotiku, drony, průmyslová zařízení a další vlastní bateriové aplikace.

Začněte s požadavky na baterii

Před porovnáním modelů článků si připravte základní list požadavků na baterie.

Minimálně by měl obsahovat:

• Aplikace

• Jmenovité napětí sady

• Maximální nabíjecí napětí

• Minimální provozní napětí

• Požadovaná kapacita nebo energie

• Trvalý vybíjecí proud

• Špičkový vybíjecí proud a doba trvání

• Maximální rozměry baterie

• Cílová hmotnost baterie

• Doba nabíjení

• Provozní teplota

• Požadovaná životnost cyklu

• Očekávané roční množství

Tato informace určuje, zda je buňka technicky vhodná.

Například dva projekty mohou oba vyžadovat 48V 100Ah baterii. Stacionární úložný systém pracující při 30A má však velmi odlišné požadavky na buňky než průmyslové vozidlo tahající 200A během zrychlování.

Kapacita může být stejná, ale chemické složení, vnitřní odpor, design plošky, tepelná struktura a systém správy baterie se mohou lišit.

1. Vyberte Chemii buněk pravého pouzdra

Prvním důležitým rozhodnutím je buněčná chemie.

Misen dodává a vyhodnocuje několik technologií pouch cell, včetně NMC, LFP, polotuhých a sodíkových iontových článků. Každá chemie slouží jiné prioritě projektu.

Pouch Cells NMC

Pouzdrové články NMC se široce používají, když je důležitá hustota energie a hmotnost baterie.

Mezi typické aplikace patří:

• Elektrická vozidla

• Elektrické motocykly

• Robotika

• Bezpilotní systémy

• Přenosné průmyslové zařízení

• Bateriové moduly citlivé na hmotnost

Konvenční pouzdrový článek NMC má normálně jmenovité napětí přibližně 3,6 V až 3,7 V. Standardní maximální nabíjecí napětí je často 4,2 V, i když některé vysokonapěťové články používají vyšší limit.

Přesné nabíjecí napětí musí vždy odpovídat specifikaci článku. BMS nebo nabíječka určená pro standardní 4,2V článek by se neměla automaticky používat s vysokonapěťovou chemií.

NMC je často silnou volbou, když projekt potřebuje více energie v omezeném prostoru. Tepelný management, proudové zatížení a řízení napětí však vyžadují pečlivou pozornost.

Buňky LFP Pouch

Buňky sáčků LFP jsou běžně vybírány, když životnost cyklu, tepelná stabilita a dlouhodobá spolehlivost jsou důležitější než dosažení nejnižší možné hmotnosti balení.

Typická buňka LFP má:

• Jmenovité napětí kolem 3,2V

• Maximální nabíjecí napětí kolem 3,65V

Mezi běžné aplikace patří:

• Systémy skladování energie

• Solární bateriové systémy

• Průmyslové záložní napájení

• Užitkové vozy

• Často cyklované baterie

Ve srovnání s NMC vyžaduje LFP obecně více článků nebo větší objem k dosažení stejného energetického cíle. Na oplátku může poskytnout stabilní napěťovou platformu a silný cyklický výkon, když je baterie správně navržena a provozována.

Polopevné pouzdrové články

Polotuhé pouzdrové články jsou zvažovány pro projekty, které vyžadují vysokou hustotu energie a nižší hmotnost baterie.

Mohou být vhodné pro:

• Prémiová elektrická mobilita

• Drony s dlouhou výdrží

• Specializovaná robotika

• Systémy související s letectvím

• Kompaktní vysokoenergetické baterie

Termín 'polopevné' zahrnuje různé konstrukce buněk, takže je důležité vyhodnotit skutečnou specifikaci spíše než se spoléhat pouze na název technologie.

Hustota energie, kapacita vybíjení, životnost cyklu, způsob nabíjení a stav certifikace se mohou mezi modely výrazně lišit.

Sodno-iontové pouzdrové články

Sodno-iontové pouzdrové články přitahují zájem o projekty, které oceňují nízkoteplotní výkon, rychlost a dostupnost materiálu.

Mezi potenciální aplikace patří:

• Mobilita v chladném klimatu

• Nízkoteplotní průmyslová zařízení

• Dvoukolová vozidla

• Záložní napájení

• Vybrané systémy skladování energie

Jejich rozsah napětí se liší od běžných lithium-iontových článků. V důsledku toho nemusí být stávající lithiová baterie BMS nebo nabíječka vhodná bez změn prahových hodnot napětí, odhadu SOC a strategie vyvážení.

Sodíkové iontové články by proto měly být hodnoceny jako kompletní systém spíše než jako přímá náhrada NMC nebo LFP.

A co LTO?

Lithium-titanátové články mohou podporovat vysoké rychlosti nabíjení, dlouhou životnost cyklu a provoz při nízkých teplotách. Jejich nižší jmenovité napětí a nižší hustota energie však obvykle vedou k větší a dražší baterii.

LTO může být vhodné pro specializované aplikace s rychlým nabíjením nebo vysokým cyklem, ale jen zřídka je první volbou pro projekty zaměřené na kompaktní velikost nebo nízké náklady.

Porovnání chemie sáčků

Chemie buněk	Hlavní výhoda	Hlavní omezení	Typické aplikace
NMC	Vysoká hustota energie a nižší hmotnost	Vyžaduje pečlivé řízení teploty a napětí	EV, robotika, UAV a přenosné systémy
LFP	Dlouhá životnost a silná tepelná stabilita	Nižší hustota energie než NMC	EZS, průmyslová zařízení a užitková vozidla
Polotuhá	Vysokoenergetický potenciál pro prémiové projekty	Dostupnost modelu a cena se liší	Lehké a prostorově omezené systémy
Sodík-iont	Nízkoteplotní a vysokorychlostní potenciál	Nižší energetická hustota a méně vyzrálý dodavatelský řetězec	Mobilita v chladném klimatu a vybrané úložiště
LTO	Rychlé nabíjení a dlouhá životnost cyklu	Nízká energetická hustota a vyšší náklady na systém	Aplikace s vysokým cyklem a rychlým nabíjením

Neexistuje žádná univerzálně nejlepší chemie vakuových buněk. Správná volba závisí na tom, který požadavek nemůže být ohrožen.

2. Určete napětí a konfiguraci série

Jakmile je chemie vybrána, dalším krokem je určení, kolik článků musí být zapojeno do série.

Články zapojené do série zvyšují napětí. Kapacita v ampérhodinách zůstává přibližně stejná.

Základní vztah je:

Jmenovité napětí sady = jmenovité napětí článku × Počet článků v sérii

Nominální 24V baterie NMC třídy může používat sedm článků v sérii:

3,7 V × 7 = 25,9 V

To je běžně popisováno jako 7S baterie.

Samotné jmenovité napětí však nestačí. Dále je třeba zkontrolovat následující hodnoty:

• Maximální nabíjecí napětí sady

• Minimální provozní napětí sady

• Rozsah vstupního napětí zařízení

• Výstupní napětí nabíječky

• Práh přebití BMS

• Prahová hodnota překročení BMS

Pro standardní sadu 7S NMC využívající články nabité na 4,2 V:

Maximální napětí sady = 4,2 V × 7 = 29,4 V

Zařízení, nabíječka a BMS musí být kompatibilní s tímto horním napětím.

Stejný popis produktu '24V' může odkazovat na různé systémy baterií. Náhrada 24V olova, baterie 7S NMC a baterie 8S LFP nemají identické křivky napětí.

Z tohoto důvodu by výběr počtu sérií měl vycházet z celého okna provozního napětí zařízení, nikoli pouze z jeho inzerovaného napětí.

3. Vypočítejte kapacitu z energie a doby provozu

Kapacita se obvykle udává v ampérhodinách, ale výběr baterie by měl brát v úvahu i watthodiny.

Základní vztah je:

Energie ve Wh = jmenovité napětí × kapacita v Ah

Například:

48V × 100Ah = 4800Wh

To poskytuje lepší indikaci akumulované energie než samotná hodnota Ah.

12V 100Ah baterie a 48V 100Ah baterie mají stejný ampérhodinový výkon, ale 48V baterie uchová přibližně čtyřikrát více energie.

Účet pro použitelnou energii

Teoretická energie na štítku není vždy energií dostupnou pro zařízení.

Použitá kapacita může být ovlivněna:

• Limity napětí BMS

• Vybrané provozní okno SOC

• Rychlost vybíjení

• Okolní teplota

• Pokles napětí při zatížení

• Účinnost měniče

• Stárnutí buněk

• Požadovaná rezervní kapacita

Projekt, který potřebuje 4 kWh využitelné energie, může tedy vyžadovat více než 4 kWh nominální energie článku.

Správná rezerva závisí na aplikaci. Stacionární systém s předvídatelným zatížením lze hodnotit odlišně od vozidla, které musí fungovat i po několika letech ztráty kapacity.

Velké buňky nebo více paralelních buněk?

Paralelně zapojené články zvyšují kapacitu a proudovou kapacitu při zachování přibližně stejného napětí.

Konfigurace 2P využívá dvě buňky paralelně. Konfigurace 3P používá tři.

Pokud je to možné, může jedna buňka s větší kapacitou snížit:

• Počet svarů

• Počet přípojnicových přípojek

• Izolační díly

• Doba montáže

• Možná selhání připojení

Více menších buněk však může nabídnout lepší flexibilitu, když je dostupný prostor nepravidelný nebo když je vyžadováno specifické rozložení proudu.

Nejlepší konfigurace závisí na rozměrech buňky, struktuře modulu, distribuci tepla a způsobu výroby. Méně článků automaticky nezaručuje lepší baterii.

4. Přiřaďte C-Rate k trvalému a špičkovému proudu

Rychlost vybíjení článku je normálně vyjádřena jako C-rate.

Pro 50Ah článek:

• 1C se rovná 50A

• 2C se rovná 100A

• 3C se rovná 150A

Tento výpočet je jednoduchý, ale výběr vysokorychlostního článku vyžaduje více než jen kontrolu maximálního proudu uvedeného v tabulce specifikací.

Trvalý vybíjecí proud

Trvalý proud je maximální proud, který musí baterie dodávat během normálního provozu po delší dobu.

Ovlivňuje:

• Teplota buňky

• Pokles napětí

• Využitelná kapacita

• Výběr konektoru

• Tloušťka přípojnice

• Velikost kabelu

• Aktuální hodnocení BMS

• Požadavky na chlazení

Článek dimenzovaný na určitý proud v laboratorních podmínkách se může uvnitř těsně uzavřeného modulu zahřívat. Přítlačné desky, izolační materiály a sousední články mohou ovlivnit rozptyl tepla.

Špičkový vybíjecí proud

Špičkový proud se vyskytuje během krátkých událostí s vysokým výkonem, jako jsou:

• Startování motoru

• Akcelerace

• Aktivace hydraulického čerpadla

• Vzlet UAV

• Náraz nástroje

• Krátkodobé nouzové zátěže

Specifikace špičkového proudu je neúplná, pokud není známa také doba trvání.

Článek schopný dodávat 300 A po dobu dvou sekund nemusí podporovat stejný proud po dobu 30 sekund. Špičkový proud musí být proto specifikován spolu s jeho trváním a frekvencí opakování.

Nenavrhujte na absolutním limitu

Baterie by neměla pracovat nepřetržitě při maximálním inzerovaném proudu článku bez tepelného ověření.

Obvykle se doporučuje předběžná návrhová rezerva, ale neexistuje žádné univerzální procento vhodné pro každý projekt. Požadovaná marže závisí na:

• Okolní teplota

• Podmínky chlazení

• Zabalit obal

• Stárnutí buněk

• Aktuální pracovní cyklus

• Přijatelné zvýšení teploty

• Požadovaná životnost

U náročných aplikací by testování prototypu mělo zahrnovat teplotu článku, teplotu destičky, pokles napětí a vnitřní odpor stejnosměrného proudu při skutečném profilu zatížení.

5. Zkontrolujte rozměry buněk, jazýčky a prostor v balení

Vakové buňky jsou atraktivní, protože mohou poskytovat vysokou efektivitu balení a flexibilní rozměry.

Jejich formát je běžně popisován jako:

Tloušťka × šířka × délka

Uvedené rozměry buněk jsou však pouze jednou částí mechanického návrhu.

Návrhář balení musí také poskytnout prostor pro:

• Karty buněk

• Přípojnice

• Izolační desky

• Kompresní desky

• Výplňové materiály

• Tepelná rozhraní

• BMS

• Elektroinstalace

• Konektory

• Pojistky

• Montážní tolerance

Příspěvek na otoky

Pouzdrové články mohou během nabíjení, cyklování a stárnutí měnit tloušťku.

Požadovaná tolerance by měla vycházet z údajů dodavatele článku, očekávaného rozsahu SOC, cíle životnosti cyklu a strategie komprese. Pevné procento by nemělo být slepě aplikováno na všechny modely buněk.

Ponechání příliš malého prostoru může způsobit nadměrné mechanické namáhání. Ponechání článků zcela bez podpory může také vést k nerovnoměrnému nabobtnání, špatnému kontaktu a snížené stabilitě modulu.

Vhodná mechanická struktura by měla řídit expanzi a zároveň zabránit škodlivému tlaku na tělo článku nebo těsnící plochu.

Pozice karty a materiál

Záložky buněk sáčku mohou být umístěny:

• Na stejné straně

• Na opačných stranách

• Při různých posunech

• Ve vlastních orientacích

Uspořádání záložek ovlivňuje rozložení modulu, návrh přípojnic a proces montáže.

Projektant by měl ověřit:

• Pozice kladných a záporných karet

• Šířka a tloušťka záložky

• Materiál záložky

• Metoda svařování

• Požadovaný proud

• Omezení ohybu

• Vzdálenost od těsnicí hrany

Technicky vhodná buňka může být stále obtížně použitelná, pokud je její rozložení karet v konfliktu s krytem nebo polohou BMS.

6. Vyhodnoťte životnost cyklu za reálných provozních podmínek

Životnost cyklu je často definována jako počet cyklů nabíjení a vybíjení dokončených předtím, než kapacita klesne na stanovenou úroveň, běžně 80 % původní kapacity.

Nicméně číslo životnosti cyklu má smysl pouze tehdy, když jsou známy testovací podmínky.

Mezi důležité podmínky patří:

• Sazba nabíjení

• Rychlost vybíjení

• Hloubka vybití

• Horní nabíjecí napětí

• Nižší vybíjecí napětí

• Testovací teplota

• Čas odpočinku

• Komprese buněk

• Práh kapacity na konci životnosti

Dvě buňky, obě inzerované s 2 000 cykly, mohly být testovány za velmi odlišných podmínek.

Cyklický život není kalendářní život

Životnost cyklu měří stárnutí způsobené opakovaným nabíjením a vybíjením.

Životnost kalendáře měří degradaci v průběhu času, včetně období, kdy se baterie necykluje.

Baterie skladovaná po dlouhou dobu při vysoké SOC a vysoké teplotě může ztratit kapacitu, i když dokončí velmi málo cyklů.

U produktů, u kterých se očekává, že zůstanou v provozu po dobu pěti až deseti let, by se měla vzít v úvahu jak životnost cyklu, tak stárnutí podle kalendáře.

Chemie je jen část odpovědi

Články LFP často poskytují vysoký výkon cyklu, zatímco články NMC jsou často vybírány pro vyšší hustotu energie. Konečnou životnost však ovlivňuje také konstrukce balení a provozní strategie.

Následující opatření mohou zlepšit životnost baterie:

• Vyhněte se zbytečně vysokému nabíjecímu napětí

• Snížení trvalého vysokoproudého provozu

• Řízení teploty článku

• Omezení extrémní hloubky výboje

• Zachování konzistence buněk

• Pomocí vhodné komprese

• Nastavení přesných limitů BMS

Výběr článku s dlouhou životností nemůže kompenzovat nevhodnou tepelnou nebo mechanickou konstrukci.

7. Potvrďte výkon při nízké a vysoké teplotě

Teplota ovlivňuje dostupnou kapacitu, kapacitu napájení, chování při nabíjení a stárnutí.

Pro aplikace v chladném klimatu zkontrolujte:

• Kapacita výtlaku při požadované teplotě

• Pokles napětí při zatížení

• Maximální nabíjecí proud při nízké teplotě

• Zda je povoleno nabíjení pod 0°C

• Zda je požadováno zahřívání článků

• Nastavení teplotní ochrany BMS

Článek, který se může vybíjet při -20 °C, může mít stále přísná omezení nabíjení při nízkých teplotách.

U aplikací s vysokou teplotou zkontrolujte:

• Trvalé snížení proudu

• Teplota povrchu buňky

• Vnitřní akumulace tepla

• Větrání krytu

• Způsob chlazení

• Skladovací teplota

• Očekávané kalendářní stárnutí

Provozní teplota uvedená v datovém listu by neměla být interpretována jako záruka, že článek může dodávat plný výkon v celém tomto rozsahu.

8. Neignorujte porovnání buněk

I když každý článek pochází ze stejného modelu, mohou existovat rozdíly v kapacitě, napětí, odporu a samovybíjení.

Tyto rozdíly nabývají na důležitosti, když je mnoho buněk zapojeno do série.

Slabý nebo nekonzistentní článek může dosáhnout limitu nabití nebo vybití dříve, než zbytek baterie. To může snížit použitelnou kapacitu a způsobit, že BMS přeruší provoz dříve, než se očekávalo.

V závislosti na projektu může párování buněk pouzdra zahrnovat:

• Třídění kapacity

• Porovnání napětí naprázdno

• Testování vnitřního odporu AC

• Vyhodnocení stejnosměrného vnitřního odporu

• Screening K-hodnoty

• Kontrola tloušťky a rozměrů

• Kontrola vzhledu a těsnění

• Sledovatelnost šarží

U vysokokapacitních modulů není konzistence buněk pouze otázkou kontroly kvality. Přímo ovlivňuje rovnováhu balení, rozložení teploty, využitelnou energii a dlouhodobou spolehlivost.

Misen může podporovat testování a párování váčkových buněk podle požadavků vybraného modelu a projektu.

9. Přiřaďte BMS k buňce a aplikaci

BMS musí být vybrán po potvrzení chemie buněk, počtu sérií a aktuálních požadavků.

Mezi důležité parametry BMS patří:

• Počet buněk v sérii

• Přebíjecí napětí

• Nadměrné vybíjecí napětí

• Trvalý proud

• Špičkový proud

• Nadproudové zpoždění

• Ochrana proti zkratu

• Vyrovnávací proud

• Teplotní senzory

• Komunikační protokol

• Architektura nabíjení a vybíjení

BMS navržený pro LFP by se neměl automaticky používat s NMC nebo sodíkovými iontovými články. Prahové hodnoty napětí a výpočet SOC mohou být nevhodné.

BMS musí být také koordinován s nabíječkou a zařízením. Měl by chránit baterii, aniž by přerušil normální spouštěcí proudy nebo vytvářel konflikty s externími ochrannými systémy.

10. Projděte si kompletní strukturu modulu

Vlastní pouzdro na baterie je mechanický, elektrický a tepelný systém.

Konečný návrh možná bude muset obsahovat:

• Struktura komprese buněk

• Koncové desky

• Izolační bariéry

• Držáky článků

• Přípojnice

• Pojistky

• Teplotní senzory

• Materiály tepelného rozhraní

• Chladící kanály

• BMS

• Hlavní konektor

• Servisní konektor

• Zabalit obal

• Strategie odvzdušnění nebo uvolnění tlaku

To je důvod, proč výběr pouzdra pouze z katalogového obrázku nebo hodnoty kapacity může být riskantní.

Buňka a modul by měly být hodnoceny společně.

Kontrolní seznam pro výběr buněk sáčku

Faktor výběru	Otázky k potvrzení
Aplikace	Jaké zařízení bude napájet baterie?
Chemie	Je prioritou hustota energie, životnost cyklu, rychlost nebo výkon při nízkých teplotách?
Napětí	Jaké jsou jmenovité, maximální a minimální systémové napětí?
Kapacita	Kolik nominální a využitelné energie je potřeba?
Proud	Jaké jsou trvalé a špičkové proudy a jak dlouho vrchol trvá?
Rozměry	Jaká je maximální velikost balení po zohlednění BMS, kabeláže, izolace a komprese?
Hmotnost	Je projekt citlivý na váhu?
Teplota	Jaké jsou teploty nabíjení, vybíjení a skladování?
Životnost cyklu	Jaké zkušební podmínky a kapacita na konci životnosti jsou požadovány?
Shoda buněk	Jaké limity jsou požadovány pro kapacitu, OCV, odpor a K-hodnotu?
BMS	Jaké ochranné, vyvažovací a komunikační funkce jsou potřeba?
Množství	Je projekt ve vzorkování, pilotní výrobě nebo hromadné výrobě?

Běžné chyby při výběru buněk sáčku

Během vlastních projektů baterií se opakovaně objevuje několik chyb.

Výběr podle samotné kapacity

Dva články se stejnou hodnotou Ah mohou mít velmi odlišné napětí, odpor, velikost, hmotnost a vybíjecí schopnost.

Ignorování trvání špičkového proudu

Špičkový proud bez trvání nestačí k vyhodnocení článku, BMS nebo přípojnice.

Použití obalu jako kompresní struktury buněk

Pouzdro nemusí vyvíjet rovnoměrný tlak na povrch buňky. Stále může být vyžadována speciální modulová struktura.

Nezbývá žádný prostor pro rozšíření

Vaková buňka by neměla být instalována v pevné dutině pouze na základě tloušťky nové buňky.

Opětovné použití stávajícího BMS bez kontroly prahových hodnot napětí

To je zvláště rizikové při přechodu mezi články NMC, LFP, vysokonapěťovými lithium-iontovými nebo sodíko-iontovými články.

Míchání buněk bez shody

Články z různých šarží nebo s velkými rozdíly v kapacitě a odporu mohou snížit výkon baterie.

Spoléhání se pouze na maximální proud datového listu

Kompletní balení musí být testováno v reálném zátěžovém profilu a tepelném prostředí.

Od výběru buňky po integraci balíčku

Nejlepší pouzdrový článek nemusí být nutně článek s nejvyšší kapacitou, hustotou energie nebo rychlostí vybíjení.

Je to článek, který se hodí ke kompletnímu bateriovému systému.

Úspěšný výběr by měl vyvážit:

• Kompatibilita napětí

• Potřebná energie

• Kontinuální a špičkový výkon

• Dostupné místo

• Hmotnost baterie

• Cíl cyklu životnosti

• Teplotní podmínky

• Mechanická struktura

• Konzistence buněk

• Požadavky na BMS

• Stabilita výroby a dodávek

Misen podporuje zákazníky od počátečního výběru pouzdra přes testování, párování, kompresi modulů, vyhodnocení BMS a integraci bateriových sad.

Dostupné možnosti zahrnují NMC, LFP, polotuhé a sodíkové iontové pouzdrové články pro elektrickou mobilitu, skladování energie, UAV, robotiku a projekty průmyslových baterií.

Potřebujete pomoc s výběrem pouzdra?

Chcete-li vyhodnotit projekt, zašlete následující informace:

• Aplikace

• Požadované napětí sady

• Požadovaná kapacita

• Trvalý vybíjecí proud

• Špičkový proud a trvání

• Maximální rozměry baterie

• Provozní teplota

• Cíl cyklu životnosti

• Preferovaná chemie

• Odhadované množství

Na základě těchto požadavků může Misen porovnat vhodné modely pouzdrových buněk a diskutovat o sériově paralelní konfiguraci, přizpůsobení buněk, kompresní struktuře, BMS a prototypovém plánu.