Як вибрати пакетні елементи для спеціальних акумуляторів | Мізен

Вибір мішечної батареї для нестандартної батареї — це не просто питання пошуку потрібної напруги та ємності.

Осередок може виглядати придатним на папері, але все одно створювати проблеми під час складання модуля, термічних випробувань або тривалої експлуатації. Струм розряду може бути занадто близьким до межі елемента. Вкладки можуть не відповідати розташуванню шин. Корпус рюкзака може не залишати місця для здуття. Система керування акумулятором також може бути налаштована навколо неправильного діапазону напруги.

Ці проблеми легше та дешевше вирішити під час вибору клітини, ніж після того, як прототип уже побудовано.

Надійний процес вибору повинен починатися з повної системи акумуляторів: застосування, робоча напруга, необхідна енергія, безперервний і піковий струм, простір для встановлення, температурний діапазон, термін служби та обсяг виробництва.

У цьому посібнику пояснюється, як інженери та розробники продуктів можуть оцінювати мішечні елементи для електромобілів, систем накопичення енергії, робототехніки, дронів, промислового обладнання та інших призначених для користувача акумуляторів.

Почніть із вимог до акумуляторної батареї

Перш ніж порівнювати моделі елементів, підготуйте аркуш основних вимог до акумулятора.

Як мінімум, він повинен включати:

• застосування

• Номінальна напруга пакета

• Максимальна напруга зарядки

• Мінімальна робоча напруга

• Необхідна потужність або енергія

• Безперервний струм розряду

• Піковий струм і тривалість розряду

• Максимальні розміри акумулятора

• Цільова вага акумулятора

• Час зарядки

• Робоча температура

• Необхідний життєвий цикл

• Очікувана річна кількість

Ця інформація визначає, чи є клітина технічно придатною.

Наприклад, обидва проекти можуть потребувати акумуляторної батареї 48 В 100 Аг. Однак стаціонарна система зберігання, яка працює на струмі 30 А, має дуже різні вимоги до клітин, ніж промисловий транспортний засіб, що потребує 200 А під час прискорення.

Ємність може бути однаковою, але хімічний склад, внутрішній опір, дизайн вкладки, теплова структура та система керування акумулятором можуть відрізнятися.

1. Виберіть потрібну хімічну речовину

Перше важливе рішення – хімія клітини.

Misen постачає та оцінює кілька технологій пакетних клітин, включаючи NMC, LFP, напівтверді та натрій-іонні елементи. Кожна хімія обслуговує інший пріоритет проекту.

Сумкові клітини NMC

Пакетні елементи NMC широко використовуються, коли важливі щільність енергії та вага батареї.

Типові програми включають:

• Електромобілі

• Електромотоцикли

• Робототехніка

• Безпілотні системи

• Переносне промислове обладнання

• Батарейні модулі, чутливі до ваги

Звичайний пакетний елемент NMC зазвичай має номінальну напругу приблизно від 3,6 В до 3,7 В. Стандартна максимальна напруга заряджання зазвичай становить 4,2 В, хоча деякі високовольтні елементи використовують вищий ліміт.

Точна зарядна напруга завжди повинна відповідати специфікації елемента. BMS або зарядний пристрій, призначений для стандартного елемента 4,2 В, не слід автоматично використовувати з високовольтною хімією.

NMC часто є сильним вибором, коли проект потребує більше енергії в обмеженому просторі. Однак теплове управління, струмове навантаження та контроль напруги вимагають особливої ​​уваги.

LFP Pouch Cell

Пакетні комірки LFP зазвичай вибирають, коли життєвий цикл, термічна стабільність і довгострокова надійність важливіші, ніж досягнення мінімально можливої ​​ваги упаковки.

Типова комірка LFP має:

• Номінальна напруга близько 3,2 В

• Максимальна напруга зарядки близько 3,65 В

Загальні програми включають:

• Системи накопичення енергії

• Системи сонячних батарей

• Промислове резервне живлення

• Комунальна техніка

• Акумуляторні блоки, які часто перемикаються

Порівняно з NMC, LFP зазвичай вимагає більше клітин або більшого об’єму для досягнення тієї самої цільової енергії. Натомість він може забезпечити стабільну платформу напруги та високу продуктивність циклу, коли батарея правильно розроблена та експлуатується.

Напівтверді мішечні клітини

Напівтверді пакетні елементи розглядаються для проектів, які вимагають високої щільності енергії та зменшеної ваги батареї.

Вони можуть підійти для:

• Преміальна електромобільність

• Безпілотники тривалої експлуатації

• Спеціалізована робототехніка

• Аерокосмічні системи

• Компактні високоенергетичні акумулятори

Термін «напівтвердий» охоплює різні конструкції клітин, тому важливо оцінити фактичні характеристики, а не покладатися лише на назву технології.

Щільність енергії, здатність до розряду, життєвий цикл, спосіб заряджання та статус сертифікації можуть суттєво відрізнятися залежно від моделі.

Натрій-іонні камери

Натрій-іонні пакети викликають інтерес у проектах, які цінують низькотемпературну продуктивність, швидкість і доступність матеріалів.

Потенційні програми включають:

• Мобільність у холодному кліматі

• Низькотемпературне промислове обладнання

• Двоколісні транспортні засоби

• Резервне живлення

• Вибрані системи зберігання енергії

Їх діапазон напруги відрізняється від звичайних літій-іонних елементів. Як наслідок, існуюча літієва батарея BMS або зарядний пристрій може бути непридатною без змін порогових значень напруги, оцінки SOC і стратегії балансування.

Таким чином, клітини з іонами натрію слід оцінювати як цілісну систему, а не як пряму заміну NMC або LFP.

Що щодо LTO?

Елементи з титанату літію можуть підтримувати високу швидкість заряду, тривалий термін служби та роботу при низьких температурах. Однак їх нижча номінальна напруга та нижча щільність енергії зазвичай призводять до більшої та дорожчої батареї.

LTO може бути доцільним для спеціалізованих додатків із швидкою зарядкою або високим циклом, але він рідко є першим варіантом для проектів, орієнтованих на компактний розмір або низьку вартість.

Pouch Cell Chemistry Comparison

Cell Chemistry	Основна перевага	Основне обмеження	Типове застосування
НМК	Висока щільність енергії та менша вага	Вимагає ретельного керування температурою та напругою	Електромобілі, робототехніка, БПЛА та портативні системи
LFP	Довгий термін експлуатації та висока термічна стабільність	Нижча щільність енергії, ніж NMC	СЕ, промислове обладнання та підсобна техніка
Напівтвердий	Високоенергетичний потенціал для преміальних проектів	Наявність моделі та вартість варіюються	Легкі системи з обмеженим простором
Натрій-іонний	Низькотемпературний і високошвидкісний потенціал	Нижча щільність енергії та менш зрілий ланцюг поставок	Мобільність у холодному кліматі та вибіркове зберігання
LTO	Швидка зарядка та тривалий термін служби	Низька щільність енергії та висока вартість системи	Програми з високим циклом і швидкою зарядкою

Універсально найкращої хімії мішечних клітин не існує. Правильний вибір залежить від того, яка вимога не може бути порушена.

2. Визначте напругу та конфігурацію послідовності

Після вибору хімічного складу наступним кроком є ​​визначення кількості комірок, які потрібно з’єднати послідовно.

Послідовно з’єднані елементи підвищують напругу. Ємність в ампер-годинах залишається приблизно такою ж.

Основний зв'язок:

Номінальна напруга упаковки = номінальна напруга комірки × кількість комірок у серії

Номінальна батарея NMC класу 24 В може використовувати сім елементів послідовно:

3,7 В × 7 = 25,9 В

Зазвичай це описується як акумулятор 7S.

Однак однієї номінальної напруги недостатньо. Необхідно також перевірити такі значення:

• Максимальна зарядна напруга пакета

• Мінімальна робоча напруга блоку

• Діапазон вхідної напруги обладнання

• Вихідна напруга зарядного пристрою

• Порогове значення завищеної плати BMS

• Поріг перерозряду BMS

Для стандартного блоку 7S NMC із використанням елементів, заряджених до 4,2 В:

Максимальна напруга пакета = 4,2 В × 7 = 29,4 В

Обладнання, зарядний пристрій і BMS мають бути сумісні з цією верхньою напругою.

Той самий опис продукту '24V' може стосуватися різних систем акумуляторів. Свинцево-кислотна заміна 24 В, батарея 7S NMC і батарея 8S LFP не мають ідентичних кривих напруги.

З цієї причини вибір кількості серій повинен ґрунтуватися на повному вікні робочої напруги пристрою, а не лише на заявленій напрузі.

3. Обчисліть ємність за енергією та часом роботи

Ємність зазвичай вказується в ампер-годинах, але при виборі акумуляторної батареї також слід враховувати ват-години.

Основний зв'язок:

Енергія в Вт-год = номінальна напруга × Ємність в А-год

Наприклад:

48 В × 100 А·год = 4800 Вт·год

Це дає кращу індикацію накопиченої енергії, ніж одне значення Аг.

Батарея 12 В 100 А·год і батарея 48 В 100 А·год мають однакову потужність в ампер-годинах, але батарея 48 В зберігає приблизно в чотири рази більше енергії.

Облік корисної енергії

Теоретична енергія на етикетці не завжди є енергією, доступною для обладнання.

На корисну ємність можуть впливати:

• Межі напруги BMS

• Вибране операційне вікно SOC

• Швидкість розряду

• Температура навколишнього середовища

• Падіння напруги під навантаженням

• ККД перетворювача

• Старіння клітини

• Необхідний резерв потужності

Тому для проекту, який потребує 4 кВт·год корисної енергії, може знадобитися більше 4 кВт·год номінальної енергії клітини.

Правильний резерв залежить від програми. Стаціонарну систему з передбачуваними навантаженнями можна оцінити інакше, ніж транспортний засіб, який все ще повинен працювати після кількох років втрати потужності.

Великі клітини чи кілька паралельних клітинок?

Паралельно з’єднані елементи збільшують ємність і струм, зберігаючи приблизно однакову напругу.

Конфігурація 2P використовує дві комірки паралельно. Конфігурація 3P використовує три.

Якщо це можливо, одиночна комірка більшої ємності може зменшити:

• Кількість зварних швів

• Кількість шинних з'єднань

• Ізоляційні частини

• Час складання

• Можливі збої підключення

Однак кілька менших комірок можуть запропонувати кращу гнучкість, коли доступний простір нерегулярний або коли потрібен певний розподіл струму.

Найкраща конфігурація залежить від розмірів комірки, модульної структури, розподілу тепла та способу виробництва. Менша кількість елементів автоматично не гарантує кращого акумулятора.

4. Зіставте C-Rate з безперервним і піковим струмом

Швидкість розряду клітини зазвичай виражається як C-швидкість.

Для елемента на 50 Ач:

• 1C дорівнює 50A

• 2C дорівнює 100A

• 3C дорівнює 150A

Цей розрахунок простий, але для вибору високошвидкісної комірки потрібно більше, ніж перевірити максимальний струм, указаний у таблиці специфікацій.

Постійний струм розряду

Постійний струм — це максимальний струм, який батарея повинна видавати під час нормальної роботи протягом тривалого періоду часу.

Це впливає на:

• Температура клітини

• Падіння напруги

• Корисна ємність

• Вибір коннектора

• Товщина шин

• Розмір кабелю

• Поточний рейтинг BMS

• Вимоги до охолодження

Комірка, розрахована на певний струм у лабораторних умовах, може нагріватися всередині щільно закритого модуля. Компресійні пластини, ізоляційні матеріали та сусідні комірки можуть впливати на розсіювання тепла.

Піковий струм розряду

Піковий струм виникає під час короткочасних подій високої потужності, таких як:

• Запуск двигуна

• Прискорення

• Активація гідравлічного насоса

• Зліт БПЛА

• Інструментальний вплив

• Короткочасні аварійні навантаження

Специфікація пікового струму є неповною, якщо тривалість також не відома.

Елемент, здатний видавати 300 А протягом двох секунд, може не підтримувати той самий струм протягом 30 секунд. Отже, піковий струм необхідно вказати разом із його тривалістю та частотою повторення.

Не проектуйте на абсолютній межі

Акумулятор не повинен працювати безперервно на максимальному заявленому струмі елемента без термічної перевірки.

Зазвичай рекомендується попередній проектний запас, але універсального відсотка, що підходить для кожного проекту, немає. Необхідна маржа залежить від:

• Температура навколишнього середовища

• Умови охолодження

• Пакуйте корпус

• Старіння клітини

• Поточний робочий цикл

• Прийнятне підвищення температури

• Необхідний термін служби

Для вимогливих застосувань тестування прототипу повинно включати температуру комірки, температуру вкладки, падіння напруги та внутрішній опір постійному струму за фактичного профілю навантаження.

5. Перевірте розміри комірки, вкладки та простір для упаковки

Пакети привабливі, тому що вони можуть забезпечити високу ефективність упаковки та гнучкі розміри.

Їх формат зазвичай описують так:

Товщина × Ширина × Довжина

Однак перераховані розміри комірки є лише частиною механічної конструкції.

Дизайнер упаковки також повинен передбачити місце для:

• Вкладки клітинок

• Шинопроводи

• Ізоляційні листи

• Компресійні пластини

• Амортизуючі матеріали

• Термоінтерфейси

• BMS

• Електропроводка

• Роз'єми

• Запобіжники

• Допуски на збірку

Допомога на набряки

Товщина елементів мішечка може змінюватися під час заряджання, циклічного використання та старіння.

Необхідний припуск повинен ґрунтуватися на даних постачальника елементів, очікуваному діапазоні SOC, цільовому циклі життя та стратегії стиснення. Фіксований відсоток не слід застосовувати сліпо для всіх моделей клітин.

Залишення занадто малого простору може створити надмірне механічне навантаження. Залишення комірок повністю без підтримки також може призвести до нерівномірного набухання, поганого контакту та зниження стабільності модуля.

Відповідна механічна структура повинна контролювати розширення, уникаючи при цьому пошкодження тиску на корпус клітини або зону ущільнення.

Розташування вкладки та матеріал

Язички мішечка можуть розташовуватися:

• На тій же стороні

• На протилежних сторонах

• При різних зміщеннях

• У нестандартних орієнтаціях

Розташування вкладок впливає на компонування модуля, конструкцію шин і процес складання.

Дизайнер повинен перевірити:

• Позитивні та негативні позиції табуляції

• Ширина та товщина вкладки

• Матеріал вкладки

• Спосіб зварювання

• Необхідний струм

• Обмеження на вигин

• Зазор від ущільнювальної кромки

Технічно придатну комірку все ще може бути складно використовувати, якщо її макет вкладки суперечить корпусу або положенню BMS.

6. Оцініть життєвий цикл за реальних умов експлуатації

Термін служби часто визначається як кількість циклів заряджання та розряджання, завершених до того, як ємність впаде до заданого рівня, зазвичай 80% від початкової ємності.

Однак кількість життєвого циклу має значення лише тоді, коли відомі умови випробування.

До важливих умов належать:

• Норма заряду

• Швидкість розряду

• Глибина розряду

• Верхня зарядна напруга

• Нижча напруга розряду

• Випробувальна температура

• Час відпочинку

• Компресія клітини

• Поріг ємності в кінці терміну експлуатації

Дві камери, обидві рекламовані з 2000 циклами, можливо, були перевірені за дуже різних умов.

Цикл життя не є календарним життям

Цикл життя вимірює старіння, викликане повторним заряджанням і розряджанням.

Термін служби календаря вимірює погіршення з часом, включаючи періоди, коли акумулятор не заряджається.

Акумулятор, який тривалий час зберігається при високому SOC і високій температурі, може втратити ємність, навіть якщо він пройшов дуже мало циклів.

Для продуктів, які, як очікується, залишатимуться в експлуатації протягом п’яти-десяти років, слід враховувати як життєвий цикл, так і календарне старіння.

Хімія — це лише частина відповіді

Комірки LFP часто забезпечують високу продуктивність циклу, тоді як комірки NMC часто вибираються для більшої щільності енергії. Але кінцевий термін служби також залежить від конструкції упаковки та стратегії експлуатації.

Подовжити термін служби батареї можна за допомогою таких заходів:

• Уникнення непотрібної високої напруги зарядки

• Зменшення постійної роботи під великим струмом

• Контроль температури клітини

• Обмеження екстремальної глибини розряду

• Підтримання консистенції клітин

• Використання відповідного стиснення

• Встановлення точних обмежень BMS

Вибір клітини з тривалим терміном служби не може компенсувати невідповідну термічну або механічну конструкцію.

7. Перевірте продуктивність при низьких і високих температурах

Температура впливає на доступну ємність, потужність, заряджання та старіння.

Для застосування в холодному кліматі перевірте:

• Ємність розряду при необхідній температурі

• Падіння напруги під навантаженням

• Максимальний зарядний струм при низькій температурі

• Чи дозволено заряджати при температурі нижче 0°C

• Чи потрібен обігрів клітини

• Налаштування температурного захисту BMS

Елемент, який може розряджатися за температури -20°C, може мати суворі обмеження щодо заряджання при низькій температурі.

Для високотемпературних застосувань перевірте:

• Постійне зниження номіналу

• Температура поверхні клітини

• Внутрішня акумуляція тепла

• Вентиляція корпусу

• Спосіб охолодження

• Температура зберігання

• Очікуване старіння календаря

Робочу температуру, зазначену в таблиці даних, не слід тлумачити як гарантію того, що елемент може забезпечити повну потужність у всьому діапазоні.

8. Не ігноруйте відповідність клітинок

Навіть якщо кожен елемент походить від однієї моделі, можуть існувати відмінності в ємності, напрузі, опорі та поведінці саморозряду.

Ці відмінності стають більш важливими, коли багато комірок з’єднані послідовно.

Слабкий або непостійний елемент може досягти ліміту заряду або розряду раніше, ніж решта акумулятора. Це може зменшити корисну ємність і спричинити переривання роботи BMS раніше, ніж очікувалося.

Залежно від проекту підбір мішок може включати:

• Класифікація ємності

• Порівняння напруги холостого ходу

• Тестування внутрішнього опору змінного струму

• Оцінка внутрішнього опору постійному струму

• Скринінг K-value

• Перевірка товщини та розмірів

• Перевірка зовнішнього вигляду та пломбування

• Простежуваність партії

Для модулів великої ємності узгодженість комірок є не лише питанням контролю якості. Це безпосередньо впливає на баланс упаковки, розподіл температури, корисну енергію та довгострокову надійність.

Misen може підтримувати тестування мішечних комірок і узгодження відповідно до вимог вибраної моделі та проекту.

9. Установіть відповідність між BMS та Cell та Application

BMS необхідно вибрати після підтвердження хімічного складу клітин, кількості серій і поточних вимог.

Важливі параметри BMS включають:

• Кількість комірок у серії

• Напруга перезаряду

• Перевищення напруги

• Безперервний струм

• Піковий струм

• Затримка надструму

• Захист від короткого замикання

• Балансуючий струм

• Датчики температури

• Протокол зв'язку

• Архітектура зарядки та розрядки

BMS, призначений для LFP, не слід автоматично використовувати з елементами NMC або іонно-натрієвими елементами. Пороги напруги та розрахунок SOC можуть бути невідповідними.

BMS також має бути узгоджена із зарядним пристроєм та обладнанням. Він має захищати батарею, не перериваючи нормальних струмів запуску та не створюючи конфліктів із зовнішніми системами захисту.

10. Перегляньте повну структуру модуля

Акумуляторна батарея на замовлення – це механічна, електрична та теплова система.

Остаточний проект може містити:

• Структура стиснення клітини

• Торцеві пластини

• Ізоляційні бар'єри

• Тримачі клітинок

• Шинопроводи

• Запобіжники

• Датчики температури

• Термоінтерфейсні матеріали

• Канали охолодження

• BMS

• Основний роз'єм

• Сервісний роз'єм

• Пакуйте корпус

• Стратегія вентиляції або скидання тиску

Ось чому вибір осередку мішечка лише із зображення каталогу або значення ємності може бути ризикованим.

Осередок і модуль слід оцінювати разом.

Контрольний список вибору комірки мішечка

Фактор вибору	Питання для підтвердження
застосування	Яке обладнання живитиме акумулятор?
Хімія	Чи є пріоритетом щільність енергії, життєвий цикл, продуктивність чи продуктивність при низьких температурах?
Напруга	Які номінальна, максимальна та мінімальна напруги системи?
Ємність	Скільки номінальної та корисної енергії потрібно?
поточний	Що таке безперервний і піковий струми, і як довго триває пік?
Розміри	Який максимальний розмір упаковки з урахуванням BMS, проводки, ізоляції та стиснення?
вага	Чи проект чутливий до ваги?
температура	Які температури заряджання, розряджання та зберігання?
Цикл життя	Які умови випробування та ємність наприкінці терміну служби потрібні?
Зіставлення клітинок	Які обмеження потрібні для ємності, OCV, опору та K-значення?
BMS	Які функції захисту, балансування та зв'язку потрібні?
Кількість	Чи є проект зразком, пілотним виробництвом чи масовим виробництвом?

Поширені помилки вибору мішечної камери

Декілька помилок з’являються неодноразово під час нестандартних проектів батарей.

Вибір лише за ємністю

Дві клітини з однаковою номінальною потужністю Ач можуть мати дуже різну напругу, опір, розмір, вагу та здатність до розряду.

Ігнорування тривалості пікового струму

Пікового струму без тривалості недостатньо для оцінки комірки, BMS або шини.

Використання пакетного корпусу як структури для стиснення клітин

Корпус може не чинити рівномірного тиску на поверхню клітини. Все ще може знадобитися спеціальна структура модуля.

Не залишаючи місця для розширення

Пакетну комірку не можна встановлювати в жорстку порожнину лише через товщину нової комірки.

Повторне використання існуючої BMS без перевірки порогів напруги

Це особливо ризиковано при зміні NMC, LFP, високовольтних літій-іонних або натрій-іонних елементів.

Змішування клітинок без відповідності

Елементи з різних партій або з великою різницею ємності та опору можуть знизити ефективність батареї.

Покладаючись лише на максимальний струм таблиці даних

Повний пакет повинен бути випробуваний за реального профілю навантаження та теплового середовища.

Від вибору комірок до інтеграції пакетів

Найкращий пакетний елемент не обов’язково має найвищу ємність, щільність енергії або швидкість розряду.

Це елемент, який підходить до повної акумуляторної системи.

Вдалий вибір повинен збалансувати:

• Сумісність напруги

• Необхідна енергія

• Безперервна та пікова потужність

• Доступна площа

• Вага батареї

• Цільовий цикл життя

• Температурний режим

• Механічна структура

• Консистенція клітин

• Вимоги до BMS

• Стабільність виробництва та поставок

Misen підтримує клієнтів від початкового вибору мішечних елементів до тестування, підбору, стиснення модулів, оцінки BMS та інтеграції акумуляторної батареї.

Доступні варіанти включають NMC, LFP, напівтверді та натрієво-іонні пакетні елементи для електромобільності, зберігання енергії, БПЛА, робототехніки та проектів промислових батарей.

Потрібна допомога у виборі мішечка?

Щоб оцінити проект, надішліть наступну інформацію:

• застосування

• Необхідна напруга пакета

• Необхідна місткість

• Безперервний струм розряду

• Піковий струм і тривалість

• Максимальні розміри акумулятора

• Робоча температура

• Цільовий цикл життя

• Бажана хімія

• Орієнтовна кількість

Базуючись на цих вимогах, Misen може порівняти відповідні моделі мішечних комірок і обговорити послідовно-паралельну конфігурацію, відповідність комірок, структуру стиснення, BMS і план прототипу.