Как выбрать аккумуляторные батареи для индивидуальных аккумуляторов | Мисен

Выбор аккумуляторной батареи для индивидуального аккумуляторного блока — это не просто вопрос выбора правильного напряжения и емкости.

На бумаге элемент может выглядеть подходящим, но при этом создавать проблемы при сборке модуля, термических испытаниях или длительной эксплуатации. Ток разряда может быть слишком близок к пределу ячейки. Выступы могут не соответствовать схеме расположения шин. В корпусе упаковки не должно быть места для вздутия. Система управления аккумулятором также может быть настроена на неправильный диапазон напряжения.

Эти проблемы легче и дешевле решить во время выбора ячейки, чем после того, как прототип уже построен.

Надежный процесс выбора должен начинаться с полной аккумуляторной системы: применения, рабочего напряжения, требуемой энергии, постоянного и пикового тока, места для установки, температурного диапазона, срока службы и объема производства.

В этом руководстве объясняется, как инженеры и разработчики продукции могут оценивать аккумуляторные батареи для электромобилей, систем хранения энергии, робототехники, дронов, промышленного оборудования и других индивидуальных аккумуляторов.

Начните с требований к аккумуляторной батарее

Прежде чем сравнивать модели элементов, подготовьте базовые требования к батареям.

Как минимум, оно должно включать:

• Приложение

• Номинальное напряжение батареи

• Максимальное зарядное напряжение

• Минимальное рабочее напряжение

• Требуемая мощность или энергия

• Непрерывный ток разряда

• Пиковый ток разряда и продолжительность

• Максимальные размеры батареи

• Целевой вес батареи

• Время зарядки

• Рабочая температура

• Требуемый срок службы

• Ожидаемое годовое количество

Эта информация определяет, является ли ячейка технически пригодной.

Например, для двух проектов может потребоваться аккумуляторная батарея напряжением 48 В и емкостью 100 Ач. Однако стационарная система хранения, работающая при токе 30 А, предъявляет совершенно иные требования к ячейкам, чем промышленный автомобиль, потребляющий 200 А во время ускорения.

Емкость может быть одинаковой, но химический состав, внутреннее сопротивление, конструкция вкладок, тепловая структура и система управления аккумулятором могут быть разными.

1. Выберите правильный химический состав клеток мешочка.

Первое важное решение — это клеточная химия.

Misen поставляет и оценивает несколько технологий пакетных элементов, включая NMC, LFP, полутвердые и натрий-ионные элементы. Каждый химический препарат служит определенному приоритету проекта.

Карманные ячейки NMC

Пакетные элементы NMC широко используются, когда важны плотность энергии и вес батареи.

Типичные области применения включают в себя:

• Электромобили

• Электрические мотоциклы

• Робототехника

• Беспилотные системы

• Портативное промышленное оборудование

• Чувствительные к весу аккумуляторные модули

Обычный пакетный элемент NMC обычно имеет номинальное напряжение примерно от 3,6 В до 3,7 В. Стандартное максимальное напряжение зарядки часто составляет 4,2 В, хотя в некоторых высоковольтных элементах используется более высокий предел.

Точное зарядное напряжение всегда должно соответствовать спецификации аккумулятора. BMS или зарядное устройство, предназначенное для стандартного элемента 4,2 В, не следует автоматически использовать с высоковольтными химическими веществами.

NMC часто является хорошим выбором, когда проекту требуется больше энергии в ограниченном пространстве. Однако управление температурным режимом, токовая нагрузка и контроль напряжения требуют тщательного внимания.

LFP-сумчатые клетки

Пакетные элементы LFP обычно выбираются, когда срок службы, термическая стабильность и долгосрочная надежность имеют большее значение, чем достижение минимально возможного веса упаковки.

Типичная ячейка LFP имеет:

• Номинальное напряжение около 3,2 В

• Максимальное зарядное напряжение около 3,65 В.

Общие приложения включают в себя:

• Системы хранения энергии

• Системы солнечных батарей

• Промышленное резервное питание

• Коммунальные автомобили

• Часто перезаряжаемые аккумуляторные блоки

По сравнению с NMC, LFP обычно требует большего количества ячеек или большего объема для достижения той же цели по энергии. В свою очередь, он может обеспечить стабильное напряжение и высокую производительность цикла, если батарея правильно спроектирована и эксплуатируется.

Полутвердые карманные ячейки

Полутвердые пакетные элементы рассматриваются для проектов, требующих высокой плотности энергии и снижения веса батареи.

Они могут подойти для:

• Электромобиль премиум-класса

• Долговечные дроны

• Специализированная робототехника

• Системы, связанные с аэрокосмической отраслью

• Компактные высокоэнергетические аккумуляторные блоки

Термин «полутвердый» охватывает различные конструкции элементов, поэтому важно оценить фактическую спецификацию, а не полагаться только на название технологии.

Плотность энергии, разрядная способность, срок службы, метод зарядки и статус сертификации могут значительно различаться в зависимости от модели.

Натрий-ионные карманные элементы

Натрий-ионные карманные элементы привлекают интерес к проектам, в которых важны низкотемпературные характеристики, производительность и доступность материалов.

Потенциальные приложения включают в себя:

• Мобильность в холодном климате

• Низкотемпературное промышленное оборудование

• Двухколесные транспортные средства

• Резервное питание

• Выбранные системы хранения энергии

Их диапазон напряжения отличается от обычных литий-ионных элементов. В результате существующая литиевая батарея BMS или зарядное устройство может оказаться непригодной без изменения пороговых значений напряжения, оценки SOC и стратегии балансировки.

Поэтому натрий-ионные элементы следует оценивать как целостную систему, а не рассматривать как прямую замену NMC или LFP.

А как насчет ЛТО?

Литий-титанатные элементы могут поддерживать высокую скорость зарядки, длительный срок службы и работу при низких температурах. Однако их более низкое номинальное напряжение и меньшая плотность энергии обычно приводят к увеличению размера и стоимости аккумуляторной батареи.

LTO может подойти для специализированных приложений с быстрой зарядкой или большим циклом зарядки, но он редко является первым вариантом для проектов, ориентированных на компактный размер или низкую стоимость.

Сравнение химического состава ячеек мешочка

Химия клеток	Основное преимущество	Основное ограничение	Типичные области применения
НМЦ	Высокая плотность энергии и меньший вес	Требует тщательного управления температурой и напряжением.	Электромобили, робототехника, БПЛА и портативные системы
ЛФП	Длительный срок службы и высокая термическая стабильность.	Более низкая плотность энергии, чем NMC	ESS, промышленное оборудование и грузовые автомобили
Полутвердый	Высокий энергетический потенциал для проектов премиум-класса	Наличие моделей и стоимость варьируются.	Легкие и компактные системы
Натрий-ионный	Низкотемпературный и высокоскоростной потенциал	Более низкая плотность энергии и менее зрелая цепочка поставок	Мобильность в холодном климате и выбор места для хранения
ДН	Быстрая зарядка и длительный срок службы	Низкая плотность энергии и более высокая стоимость системы	Приложения с высоким циклом и быстрой зарядкой

Не существует универсального лучшего химического состава карманных клеток. Правильный выбор зависит от того, какое требование не может быть нарушено.

2. Определите напряжение и конфигурацию серии.

После того, как химический состав выбран, следующим шагом будет определение количества ячеек, которые необходимо соединить последовательно.

Ячейки, соединенные последовательно, повышают напряжение. Емкость в ампер-часах остается примерно такой же.

Базовые отношения таковы:

Номинальное напряжение пакета = Номинальное напряжение ячейки × Количество ячеек последовательно.

Номинальная батарея NMC класса 24 В может использовать семь последовательно соединенных ячеек:

3,7 В × 7 = 25,9 В

Обычно это называется аккумуляторной батареей 7S.

Однако одного лишь номинального напряжения недостаточно. Также необходимо проверить следующие значения:

• Максимальное зарядное напряжение аккумулятора

• Минимальное рабочее напряжение аккумулятора

• Диапазон входного напряжения оборудования

• Выходное напряжение зарядного устройства

• Порог перезарядки BMS

• Порог переразряда BMS

Для стандартного блока 7S NMC с элементами, заряженными до 4,2 В:

Максимальное напряжение батареи = 4,2 В × 7 = 29,4 В.

Оборудование, зарядное устройство и BMS должны быть совместимы с этим верхним напряжением.

Одно и то же описание продукта «24 В» может относиться к различным аккумуляторным системам. Свинцово-кислотная замена на 24 В, батарея 7S NMC и батарея 8S LFP не имеют одинаковых кривых напряжения.

По этой причине выбор количества серий должен основываться на полном окне рабочего напряжения устройства, а не только на заявленном напряжении.

3. Рассчитайте мощность по энергии и времени работы.

Емкость обычно указывается в ампер-часах, но при выборе аккумуляторной батареи следует также учитывать ватт-часы.

Базовые отношения таковы:

Энергия в Втч = Номинальное напряжение × Емкость в Ач

Например:

48 В × 100 Ач = 4800 Втч

Это дает лучшее представление о запасенной энергии, чем само значение Ah.

Батарея на 12 В, 100 Ач и батарея на 48 В, 100 Ач имеют одинаковую емкость в ампер-часах, но батарея на 48 В сохраняет примерно в четыре раза больше энергии.

Учет полезной энергии

Теоретическая энергия, указанная на этикетке, не всегда соответствует энергии, доступной оборудованию.

На полезную емкость могут влиять:

• Пределы напряжения BMS

• Выбранное рабочее окно SOC

• Скорость разряда

• Температура окружающей среды

• Падение напряжения под нагрузкой

• Эффективность преобразователя

• Старение клеток

• Требуемая резервная мощность

Таким образом, для проекта, которому требуется 4 кВтч полезной энергии, может потребоваться более 4 кВтч номинальной энергии ячейки.

Правильный резерв зависит от применения. Стационарную систему с прогнозируемыми нагрузками можно оценивать иначе, чем транспортное средство, которое должно продолжать работать после нескольких лет потери мощности.

Большие ячейки или несколько параллельных ячеек?

Ячейки, соединенные параллельно, увеличивают емкость и ток, сохраняя при этом напряжение примерно одинаковым.

Конфигурация 2P использует две ячейки параллельно. Конфигурация 3P использует три.

Там, где это возможно, одиночная ячейка большей емкости может уменьшить:

• Количество сварных швов

• Количество шинных соединений

• Изоляционные детали

• Время сборки

• Возможные сбои соединения

Однако несколько ячеек меньшего размера могут обеспечить большую гибкость, когда доступное пространство неравномерно или когда требуется определенное распределение тока.

Лучшая конфигурация зависит от размеров ячейки, структуры модуля, распределения тепла и метода производства. Меньшее количество ячеек не гарантирует автоматически лучший аккумулятор.

4. Сопоставьте C-Rate с непрерывным и пиковым током.

Скорость разряда элемента обычно выражается как C-скорость.

Для ячейки 50 Ач:

• 1С равен 50А

• 2С равен 100А

• 3С равен 150А

Этот расчет прост, но для выбора высокоскоростного элемента требуется нечто большее, чем просто проверка максимального тока, указанного в таблице технических характеристик.

Непрерывный ток разряда

Непрерывный ток — это максимальный ток, который батарея должна выдавать при нормальной работе в течение длительного периода времени.

Это влияет на:

• Температура ячейки

• Падение напряжения

• Полезная емкость

• Выбор разъема

• Толщина шины

• Размер кабеля

• Текущий рейтинг БМС

• Требования к охлаждению

Элемент, рассчитанный на определенный ток в лабораторных условиях, может нагреваться сильнее внутри плотно закрытого модуля. Сжимающие пластины, изоляционные материалы и соседние элементы могут влиять на рассеивание тепла.

Пиковый ток разряда

Пиковый ток возникает во время коротких событий высокой мощности, таких как:

• Запуск двигателя

• Ускорение

• Активация гидравлического насоса

• Взлет БПЛА

• Воздействие инструмента

• Кратковременные аварийные нагрузки

Спецификация пикового тока является неполной, если не известна его продолжительность.

Ячейка, способная выдавать ток 300 А в течение двух секунд, может не поддерживать тот же ток в течение 30 секунд. Поэтому пиковый ток должен указываться вместе с его длительностью и частотой повторения.

Не проектируйте на абсолютных пределах

Аккумулятор не должен работать непрерывно при максимально заявленном токе без термической проверки.

Обычно рекомендуется предварительный расчетный запас, но не существует универсального процента, подходящего для каждого проекта. Требуемая маржа зависит от:

• Температура окружающей среды

• Условия охлаждения

• Корпус упаковки

• Старение клеток

• Текущий рабочий цикл

• Допустимое повышение температуры

• Требуемый срок службы

Для требовательных приложений испытания прототипа должны включать температуру элемента, температуру вывода, падение напряжения и внутреннее сопротивление постоянному току при фактическом профиле нагрузки.

5. Проверьте размеры ячеек, вкладки и место в упаковке.

Пакетные ячейки привлекательны тем, что могут обеспечить высокую эффективность упаковки и гибкие размеры.

Их формат обычно описывается как:

Толщина × Ширина × Длина

Однако перечисленные размеры ячейки являются лишь частью механической конструкции.

Дизайнер упаковки также должен предусмотреть место для:

• Вкладки ячеек

• Шинопроводы

• Изоляционные листы

• Компрессионные пластины

• Амортизирующие материалы

• Термальные интерфейсы

• БМС

• Электропроводка

• Разъемы

• Предохранители

• Допуски сборки

Пособие на отек

Ячейки-пакеты могут менять толщину во время зарядки, езды на велосипеде и старения.

Требуемый допуск должен основываться на данных поставщика элементов, ожидаемом диапазоне SOC, целевом сроке службы и стратегии сжатия. Фиксированный процент не следует применять слепо ко всем моделям ячеек.

Если оставить слишком мало места, это может привести к чрезмерному механическому напряжению. Если оставить ячейки полностью без поддержки, это также может привести к неравномерному набуханию, плохому контакту и снижению стабильности модуля.

Подходящая механическая конструкция должна контролировать расширение, избегая при этом повреждающего давления на корпус ячейки или область уплотнения.

Положение вкладки и материал

Вкладки ячеек мешочка могут располагаться:

• На той же стороне

• На противоположных сторонах

• На разных смещениях

• В пользовательской ориентации

Расположение выступов влияет на компоновку модуля, конструкцию шин и процесс сборки.

Проектировщик должен проверить:

• Положительные и отрицательные позиции табуляции

• Ширина и толщина вкладки

• Материал вкладки

• Метод сварки

• Требуемый ток

• Ограничения на изгиб

• Зазор от уплотняющей кромки

Технически подходящую ячейку по-прежнему будет сложно использовать, если расположение ее выступов противоречит положению корпуса или BMS.

6. Оцените срок службы в реальных условиях эксплуатации.

Срок службы часто определяется как количество циклов зарядки и разрядки, завершенных до того, как емкость упадет до определенного уровня, обычно 80% от первоначальной емкости.

Однако число циклов имеет смысл только в том случае, если известны условия испытаний.

К важным условиям относятся:

• Ставка заряда

• Скорость разряда

• Глубина разряда

• Верхнее зарядное напряжение

• Более низкое напряжение разряда

• Температура испытания

• Время отдыха

• Сжатие ячеек

• Порог емкости в конце срока службы

Две ячейки, обе из которых заявлены на 2000 циклов, возможно, были протестированы в очень разных условиях.

Циклическая жизнь — это не календарная жизнь

Срок службы измеряет старение, вызванное повторной зарядкой и разрядкой.

Календарный срок службы измеряет деградацию с течением времени, включая периоды, когда батарея не разряжается.

Аккумулятор, хранящийся в течение длительного времени при высоком уровне заряда и высокой температуре, может потерять емкость, даже если он выполнит очень мало циклов.

Для продуктов, которые, как ожидается, будут эксплуатироваться в течение пяти-десяти лет, следует учитывать как циклический срок службы, так и календарное старение.

Химия – это только часть ответа

Ячейки LFP часто обеспечивают высокую производительность цикла, тогда как ячейки NMC часто выбираются из-за более высокой плотности энергии. Однако на окончательный срок службы также влияют конструкция упаковки и стратегия эксплуатации.

Следующие меры могут продлить срок службы батареи:

• Избегание ненужного высокого зарядного напряжения

• Снижение непрерывной работы при сильном токе

• Контроль температуры ячейки

• Ограничение предельной глубины разряда

• Поддержание целостности клеток

• Использование подходящего сжатия

• Установка точных ограничений BMS

Выбор элемента с длительным сроком службы не может компенсировать неподходящую термическую или механическую конструкцию.

7. Подтвердите работоспособность при низких и высоких температурах.

Температура влияет на доступную емкость, мощность, режим зарядки и старение.

Для применения в холодном климате проверьте:

• Разрядная мощность при требуемой температуре

• Падение напряжения под нагрузкой

• Максимальный зарядный ток при низкой температуре

• Разрешена ли зарядка при температуре ниже 0°C

• Требуется ли обогрев ячейки

• Настройки температурной защиты BMS

Элемент, который может разряжаться при -20°C, все же может иметь строгие ограничения на зарядку при низких температурах.

В случае применения при высоких температурах проверьте:

• Постоянное снижение номинальных значений тока

• Температура поверхности ячейки

• Внутреннее накопление тепла

• Вентиляция шкафа

• Метод охлаждения

• Температура хранения

• Ожидаемое старение календаря

Рабочая температура, указанная в технических характеристиках, не должна интерпретироваться как гарантия того, что элемент может обеспечить полную мощность во всем этом диапазоне.

8. Не игнорируйте совпадение ячеек

Даже если все элементы имеют одну и ту же модель, могут существовать различия в емкости, напряжении, сопротивлении и поведении саморазряда.

Эти различия становятся более важными, когда многие ячейки соединены последовательно.

Слабый или нестабильный элемент может достичь предела заряда или разряда раньше, чем остальная часть аккумулятора. Это может снизить полезную емкость и привести к тому, что BMS прервет работу раньше, чем ожидалось.

В зависимости от проекта подбор ячеек может включать в себя:

• Классификация мощности

• Сравнение напряжения холостого хода

• Испытание внутреннего сопротивления переменного тока

• Оценка внутреннего сопротивления постоянного тока

• Скрининг значения K

• Проверка толщины и размеров

• Проверка внешнего вида и герметичности

• Отслеживание партий

Для модулей высокой емкости согласованность ячеек — это не только вопрос контроля качества. Это напрямую влияет на баланс упаковки, распределение температуры, полезную энергию и долгосрочную надежность.

Misen может обеспечить тестирование и подбор аккумуляторов в соответствии с требованиями выбранной модели и проекта.

9. Сопоставьте BMS с ячейкой и приложением.

BMS необходимо выбирать после подтверждения химического состава клеток, количества серий и текущих требований.

Важные параметры BMS включают в себя:

• Количество ячеек последовательно

• Напряжение перезаряда

• Напряжение чрезмерного разряда

• Непрерывный ток

• Пиковый ток

• Задержка перегрузки по току

• Защита от короткого замыкания

• Балансирующий ток

• Датчики температуры

• Протокол связи

• Архитектура зарядки и разрядки

BMS, разработанная для LFP, не должна автоматически использоваться с NMC или натрий-ионными элементами. Пороги напряжения и расчет SOC могут быть неподходящими.

BMS также необходимо согласовать с зарядным устройством и оборудованием. Он должен защищать батарею, не прерывая нормальный пусковой ток и не создавая конфликтов с внешними системами защиты.

10. Просмотрите полную структуру модуля.

Специальный аккумуляторный блок представляет собой механическую, электрическую и тепловую систему.

Окончательный проект может включать в себя:

• Структура сжатия ячеек

• Торцевые пластины

• Изоляционные барьеры

• Держатели ячеек

• Шинопроводы

• Предохранители

• Датчики температуры

• Материалы термоинтерфейса

• Каналы охлаждения

• БМС

• Главный разъем

• Сервисный разъем

• Корпус упаковки

• Стратегия сброса давления или сброса давления

Вот почему выбор ячейки только по изображению в каталоге или по значению емкости может быть рискованным.

Ячейку и модуль следует оценивать вместе.

Контрольный список выбора ячейки мешочка

Фактор выбора	Вопросы для подтверждения
Приложение	Какое оборудование будет питаться от аккумулятора?
Химия	Является ли приоритетом плотность энергии, срок службы, производительность или низкотемпературные характеристики?
Напряжение	Каковы номинальное, максимальное и минимальное напряжение системы?
Емкость	Сколько номинальной и полезной энергии требуется?
Текущий	Каковы непрерывный и пиковый токи и как долго длится пик?
Размеры	Каков максимальный размер упаковки с учетом BMS, проводки, изоляции и сжатия?
Масса	Чувствителен ли проект к весу?
Температура	Каковы температуры зарядки, разрядки и хранения?
Цикл жизни	Какие условия испытаний и емкость по окончании срока службы необходимы?
Сопоставление ячеек	Какие ограничения необходимы для емкости, OCV, сопротивления и значения K?
БМС	Какие функции защиты, балансировки и связи необходимы?
Количество	Находится ли проект в стадии выборки, опытного производства или массового производства?

Распространенные ошибки при выборе ячеек-сумок

Некоторые ошибки появляются неоднократно во время проектов по изготовлению индивидуальных аккумуляторов.

Выбор только по емкости

Два элемента с одинаковым номиналом Ач могут иметь разное напряжение, сопротивление, размер, вес и разрядную способность.

Игнорирование продолжительности пикового тока

Пикового тока без длительности недостаточно для оценки ячейки, системы BMS или шины.

Использование корпуса пакета в качестве структуры сжатия ячеек

Корпус может не оказывать равномерного давления на поверхность ячейки. По-прежнему может потребоваться специальная модульная структура.

Не оставляя места для расширения

Ячейку-мешок не следует устанавливать в жесткую полость только из-за толщины ее новой ячейки.

Повторное использование существующей BMS без проверки пороговых значений напряжения

Это особенно рискованно при переключении между NMC, LFP, высоковольтными литий-ионными или натрий-ионными элементами.

Смешивание ячеек без сопоставления

Элементы из разных партий или с большой разницей в емкости и сопротивлении могут снизить производительность батареи.

Опираясь только на максимальный ток таблицы данных

Полный комплект должен быть протестирован в условиях реального профиля нагрузки и температурной среды.

От выбора ячеек до интеграции пакетов

Лучший пакетный элемент – это не обязательно элемент с самой высокой емкостью, плотностью энергии или скоростью разряда.

Это элемент, который подходит ко всей аккумуляторной системе.

Успешный выбор должен сбалансировать:

• Совместимость по напряжению

• Требуемая энергия

• Непрерывная и пиковая мощность

• Доступное пространство

• Вес батареи

• Целевой срок службы

• Температурный режим

• Механическая структура

• Консистенция клеток

• Требования к БМС

• Стабильность производства и поставок

Misen поддерживает клиентов, начиная с первоначального выбора аккумуляторных батарей и заканчивая тестированием, сопоставлением, сжатием модулей, оценкой BMS и интеграцией аккумуляторных блоков.

Доступные варианты включают NMC, LFP, полутвердые и натрий-ионные карманные элементы для электрической мобильности, хранения энергии, БПЛА, робототехники и проектов промышленных аккумуляторов.

Нужна помощь в выборе карманного сотового телефона?

Для оценки проекта отправьте следующую информацию:

• Приложение

• Требуемое напряжение аккумулятора

• Требуемая мощность

• Непрерывный ток разряда

• Пиковый ток и продолжительность

• Максимальные размеры батареи

• Рабочая температура

• Целевой срок службы

• Предпочтительная химия

• Расчетное количество

Основываясь на этих требованиях, Мисен может сравнить подходящие модели ячеек и обсудить последовательно-параллельную конфигурацию, соответствие ячеек, структуру сжатия, BMS и план прототипа.