Cách thiết kế bộ pin lithium (Hướng dẫn-từng{1}}bước)

A gói pin lithiumkhông chỉ là các tế bào được kết nối với nhau. Nó là một hệ thống năng lượng hoàn chỉnh kết hợp điện hóa, cơ khí, điều khiển nhiệt, kiến ​​trúc điện và quản lý an toàn. Hiểu cách thiết kế bộ pin lithium sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về các tiêu chuẩn quản lý việc sản xuất bộ pin. Hướng dẫn này trình bày quy trình thực tế mà chúng tôi tuân theo khi khách hàng mang đến cho chúng tôi một dự án mới.

Bước 1: Xác định các yêu cầu và ràng buộc của ứng dụng

Mọi bộ pin thành công đều bắt đầu bằngyêu cầu rõ ràng. Bỏ qua bước này và bạn sẽ phải trả tiền cho nó sau này khi thiết kế lại hoặc gặp lỗi tại hiện trường.

Bạn cần khóa bốn khu vực chính:

• Nhu cầu về hiệu suất: điện áp, công suất, dòng điện liên tục và cực đại,mục tiêu mật độ năng lượng
• Môi trường hoạt động: phạm vi nhiệt độ, độ rung, độ ẩm,xếp hạng IP
• Tuổi thọ dự kiến:số chu kỳcụ thểđộ sâu xả
• Yêu cầu pháp lý: sản phẩm cuối cùng phải vượt qua những chứng nhận nào

Ví dụ: một dụng cụ điện có thể yêu cầu tăng nhiệt độ 10-15C trong thời gian ngắn, trong khi hệ thống lưu trữ năng lượng tại nhà ưu tiên các chu kỳ 3000+ ở mức 80% DOD và chi phí thấp. Xe máy điện cần có khả năng chống rung và chống thấm mạnh mà UPS cố định không có.

Chúng tôi luôn xây dựng mộtma trận truy xuất nguồn gốctại GEB. Nó liên kết mọi yêu cầu với một quyết định thiết kế và phương pháp thử nghiệm cụ thể. Tài liệu này trở nên cực kỳ hữu ích khi các tổ chức chứng nhận bắt đầu đặt câu hỏi.

Nhận được yêu cầu ngay từ đầu sẽ tiết kiệm được nhiều thời gian và tiền bạc nhất.

Bước 2: Chọn định dạng và hóa học tế bào tối ưu

Khi các yêu cầu đã rõ ràng,lựa chọn ôquyết định hầu hết mọi việc sau đó.

Đây là sự so sánh thực tế mà chúng tôi sử dụng hàng ngày:

Sau khi chọn hóa học, quyết định hệ số hình thức:

• Tế bào hình trụ(18650, 21700, 4680) mang lại khả năng sản xuất hoàn thiện, tính nhất quán tốt và cấu trúc cơ học chắc chắn nhưng mật độ đóng gói thấp hơn.
• Tế bào lăng trụgiúp tận dụng không gian tốt hơn và lắp ráp mô-đun đơn giản hơn, mặc dù chúng có thể phồng lên và cần vỏ chắc chắn hơn.
• Tế bào túimang lại hiệu quả cao nhấtmật độ năng lượngvà trọng lượng thấp nhất, nhưng chúng đòi hỏi sự hỗ trợ từ bên ngoài và kiểm soát tình trạng sưng tấy cẩn thận nhất.

Chúng tôi chỉ sử dụngTế bào hạng Atừ các nhà sản xuất có uy tín. Sự nhất quán về năng lực và sức đề kháng bên trong quan trọng hơn hầu hết mọi người nhận ra. Ngay cả những khác biệt nhỏ cũng có thể tạo ra sự mất cân bằng, rút ​​ngắn tuổi thọ của bao bì và gây ra rủi ro về an toàn.

Lựa chọn ôkhông phải là chọn ô "tốt nhất". Đó là về việc chọn đúng ô cho chu kỳ nhiệm vụ cụ thể và mục tiêu chi phí của bạn.

Bước 3: Thiết kế điện bộ pin

Với các ô đã chọn, bạn cần biến chúng thành một nền tảng điện áp và công suất có thể sử dụng được.

Kết nối loạttăng điện áp:

V_total=V_cell × số ô chuỗi

Kết nối song songtăng công suất và xử lý hiện tại:

Ah_total=Ah_cell × số chuỗi song song

Bộ lưu trữ năng lượng 48V thông dụng thường sử dụng cấu hình 13S hoặc 16S tùy thuộc vào cửa sổ điện áp biến tần. Các ứng dụng có công suất cao-có thể cần 4P hoặc 6P để duy trì dòng điện trên mỗi ô trong giới hạn an toàn.

Phương thức kết nối quan trọng đối với độ tin cậy. Chúng tôi tránh hàn trực tiếp các tế bào - nhiệt có thể làm hỏng cấu trúc bên trong và tăng điện trở bên trong theo thời gian.Hàn điểm dải nikenhoặc hàn laze trên các tab sẽ mang lại kết quả lâu dài-tốt hơn nhiều. Đối với các đường dẫn hiện tại có-cao, chúng tôi chuyển sangthanh cái đồngvới nhiều điểm kết nối để tránh các điểm nóng.

Cách điện thích hợp giữa đường dây điện áp cao{0}}và điện áp thấp-làm giảm nhiễu điện từ và ngăn ngừa các vấn đề về đường dây.

Cấu trúc điện phải cung cấp công suất cần thiết trong khi vẫn giữ điện trở tiếp xúc ở mức thấp và cân bằng việc chia sẻ dòng điện.

Bước 4: Tích hợp Hệ thống quản lý pin (BMS)

BMS là bộ não và người giám hộ của bầy đàn.

Nó phải theo dõi điện áp, nhiệt độ và dòng điện của tế bào theo thời gian thực. Nó tính toán SOC và SOH, thực hiện cân bằng và kích hoạt bảo vệ khi vượt quá giới hạn.

Các quyết định chính bao gồm:

• Cân bằng thụ động(rẻ hơn) so vớicân bằng hoạt động(hiệu quả hơn đối với gói lớn)
• Giao thức truyền thông - CAN bus dành cho ô tô, RS485 hoặc Bluetooth dành cho hệ thống cố định
• Xếp hạng hiện tại và số lượng ô chuỗi được hỗ trợ

Theo kinh nghiệm của chúng tôi, một BMS tốt sẽ ngăn ngừa được 80% các vấn đề tiềm ẩn tại hiện trường. Hãy chọn loại có mạch bảo vệ dự phòng và khả năng phản hồi ngắn mạch-nhanh. Đối với hệ thống-điện áp cao,giám sát cách lylà điều cần thiết.

Đừng bao giờ coi BMS như một sự suy nghĩ lại. Nó phải được thiết kế ngay từ đầu.

Bước 5: Thiết kế hệ thống quản lý nhiệt

Việc kiểm soát nhiệt độ thường quyết định tuổi thọ của một gói là 5 năm hay 15 năm.

Tế bào lithium hoạt động tốt nhất trong khoảng từ 25 độ đến 40 độ. Sự khác biệt lớn hơn 5 độ giữa các tế bào làm tăng tốc độ lão hóa. Trong quá trình sạc nhanh hoặc xả cao, nhiệt sinh ra có thể đạt tới vài watt trên mỗi tế bào.

Các cách tiếp cận phổ biến:

• Làm mát không khí:đơn giản và chi phí thấp, nhưng khả năng hạn chế
• Làm mát bằng chất lỏng:truyền nhiệt tuyệt vời, được sử dụng rộng rãi trong xe điện
• Vật liệu chuyển pha (PCM):thụ động và tốt để làm dịu sự tăng đột biến nhiệt độ
• Hệ thống lai:kết hợp các phương pháp cho điều kiện khắc nghiệt

Ở vùng khí hậu lạnh, chúng tôi bổ sung bộ sưởi PTC hoặc màng sưởi để đưa pin đến nhiệt độ hoạt động trước khi sạc.

Chúng tôi chạy mô phỏng nhiệt sớm trong dự án. Nó giúp chúng ta quyết định liệu làm mát thụ động là đủ hay chủ độnglàm mát bằng chất lỏnglà cần thiết. Thiết kế tản nhiệt tốt ngăn ngừa sự thoát nhiệt và duy trì hiệu suất ổn định qua các mùa.

Bước 6: Thiết kế cơ khí và kết cấu

Bây giờ, gói cần phải tồn tại trong điều kiện thực tế-.

Quyết định sớm xem có nên sử dụngthiết kế mô-đunhoặc mộtgói kiểu gạch. Thiết kế mô-đun dễ sản xuất, thử nghiệm và sửa chữa hơn. Gói gạch có thể đạt được cao hơnmật độ năng lượngnhưng làm cho việc bảo trì trở nên khó khăn.

Cố định tế bào là rất quan trọng. Chúng tôi sử dụng giá đỡ ô bằng nhựa để định vị và giãn cách, kết hợp với keo nóng chảy-hoặc silicone trung tính được bôi cẩn thận để hấp thụ rung động mà không chặn khả năng tản nhiệt.

Vật liệu vỏ thường sử dụng nhôm để có tỷ lệ cường độ-trên-trọng lượng hoặc thép để có chi phí thấp hơn trong các ứng dụng cố định.Niêm phong IP67, lỗ thông hơi giảm áp và vùng nén là tiêu chuẩn trong-gói dành cho ô tô.

Thiết kế cơ học phải bảo vệ các tế bào khỏi rung, va đập và nước đồng thời cho phép sử dụng được khi cần thiết.

Bước 7: Tạo nguyên mẫu, kiểm tra và xác nhận

Không có thiết kế nào được hoàn thiện cho đến khi nó được thử nghiệm.

Chúng tôi xây dựng ba giai đoạn nguyên mẫu:

• EVT:kiểm tra chức năng cơ bản
• DVT:kiểm tra hiệu suất và môi trường đầy đủ
• PVT:đơn vị ý định sản xuất-từ công cụ cuối cùng

Các thử nghiệm chính bao gồm công suất và hiệu suất ở các mức C{0}}khác nhau, chụp ảnh nhiệt khi đang tải để tìm các điểm nóng,kiểm tra vòng đời, rung và sốc, và các thử nghiệm lạm dụng an toàn (quá tải, đoản mạch, xuyên đinh).

Chúng tôi coi một gói đã đạt đượccuối đờikhi công suất giảm xuống 80% giá trị ban đầu trong các điều kiện xác định.

Việc xác nhận kỹ lưỡng sẽ nắm bắt được các vấn đề trước khi chúng đến tay khách hàng.

Bước 8: Chứng nhận và bắt đầu sản xuất

Cuối cùng, gói hàng phải đạt được chứng nhận dành cho thị trường mục tiêu của mình.

Các yêu cầu chung bao gồmUN38.3để vận chuyển,UL 2580hoặcIEC 62619về an toàn và các tiêu chuẩn khu vực như GB 38031 ở Trung Quốc hoặc UN ECE R100 ở Châu Âu.

Về mặt sản xuất, chúng tôi triển khai quá trình phân loại tế bào, hàn tự động nếu có thể và thử nghiệm--cuối dây chuyền. Việc truy xuất nguồn gốc từ các ô đến đến các gói thành phẩm là bắt buộc đối với ô tô và các ứng dụng có độ tin cậy-cao.

Phần kết luận

Thiết kế mộtgói pin lithiumđòi hỏi sự cân bằnghiệu suất, an toàn, chi phí và khả năng sản xuất. Thứ tự quan trọng:yêu cầu rõ ràngđầu tiên, sau đólựa chọn ô, kiến ​​trúc điện, hệ thống nhiệt và cơ khí, sau đó là quá trình xác nhận nghiêm ngặt.

Tại GEB, chúng tôi đã cải tiến quy trình này qua nhiều năm và hàng trăm dự án. Cho dù bạn cần một gói tùy chỉnh nhỏ cho nguyên mẫu hay hàng nghìn đơn vị để sản xuất hàng loạt thì các nguyên tắc cơ bản vẫn giống nhau.

Nếu bạn đang làm việc trong một dự án pin lithium và muốn được hỗ trợ có kinh nghiệm từ việc xác định yêu cầu cho đến sản xuất hàng loạt, vui lòng liên hệ với nhóm kỹ thuật của chúng tôi. Chúng tôi rất vui được xem xét các thông số kỹ thuật của bạn và chia sẻ những gì đã hoạt động tốt trong các ứng dụng tương tự.