La proiectarea pachetelor de baterii, alegerea între serie și paralelă poate avea un impact semnificativ asupra performanței, siguranței și longevității bateriei. Designul acumulatorului este complex și delicat, necesitând o înțelegere aprofundată a unor probleme tehnice cheie. În această lucrare, provocările tehnice în proiectarea în serie și paralelă a bateriilor sunt discutate din zece aspecte, cum ar fi consistența bateriei, egalizarea tensiunii și curentului și proiectarea sistemului de management termic.
1. Bateria este inconsistentă
Consistența bateriei se referă la asemănarea fiecărei unități de baterie în ceea ce privește capacitatea, tensiunea, rezistența internă, curba de descărcare etc. Diferențele de performanță ale bateriei pot cauza probleme în bateriile în serie sau în paralel. De exemplu, într-o configurație în serie, performanța generală a acumulatorului este afectată de cea mai proastă celulă; Într-o configurație paralelă, diferențele de performanță pot duce la distribuția neuniformă a curentului, care afectează durata de viață și eficiența întregului set de baterii.
Problemă:În configurația de serie, dacă o baterie este descărcată, întregul pachet de baterii nu se va putea descărca complet, ceea ce va cauza pierderi de energie și reducerea eficienței; În configurație paralelă, sarcina curentă a diferitelor baterii este diferită, ceea ce este ușor de cauzat supraîncălzirea locală și degradarea performanței bateriilor.
Soluţie:
Screening baterie:În procesul de producție, echipamentele de testare de înaltă precizie ar trebui să fie utilizate pentru a verifica strict fiecare unitate de baterie pentru a asigura un grad ridicat de consistență a parametrilor cum ar fi capacitatea, tensiunea și rezistența internă. Metodele obișnuite de screening includ testul OCV (tensiune în circuit deschis), testul de rezistență internă și testul de capacitate. Aceste teste elimina în mod eficient bateriile substandard și evită asamblarea celulelor bateriei inconsecvente împreună.
Proiectarea circuitului de echilibrare:Integrați circuite de echilibrare active sau pasive în sistemul de management al bateriei (BMS). Circuitul de egalizare activ poate transfera energie electrică prin inductanță sau capacitate de comutare pentru a realiza redistribuirea energiei în acumulatorul. Egalizarea pasivă ajustează tensiunea bateriei prin consumul de energie în exces. Echilibrarea activă este complexă, dar eficientă, potrivită pentru baterii de capacitate mare, iar echilibrarea pasivă este potrivită pentru bateriile de dimensiuni mici și mijlocii.
2. Echilibrați tensiunea și curentul
În bateriile în serie, problema egalizării tensiunii este cheia pentru a asigura încărcarea și descărcarea uniformă a fiecărei celule. Un acumulator fără circuit de egalizare a tensiunii va supraîncărca sau subîncărca o parte a bateriei, ceea ce va afecta durata de viață a întregului acumulator. Pachetul de baterii paralele se confruntă cu problema echilibrului curent, iar diferența de rezistență internă duce la distribuția neuniformă a curentului, ceea ce este ușor de făcut ca unele baterii să suporte o sarcină de curent mai mare.
Probleme specifice:Pachetele de baterii de serie cu tensiune neuniformă pot cauza supraîncărcarea și deteriorarea anumitor baterii sau epuizarea timpurie în timpul descărcării; Curentul dezechilibrat al acumulatorului paralel va accelera îmbătrânirea unității bateriei și va scurta durata de viață a bateriei.
Soluţie:
Circuit de echilibrare activ:Prin combinația de inductori, condensatori și cipuri de control, transfer inteligent de putere, pentru a obține o echilibrare eficientă a tensiunii. Această metodă poate reduce eficient consumul intern al bateriei și poate îmbunătăți eficiența de încărcare și descărcare a întregului pachet de baterii. Metodele comune de echilibrare includ echilibrarea capacității de zbor și echilibrarea inductanței de comutare. Trebuie să selectați o soluție adecvată pe baza scenariului de aplicare a bateriei.
Circuit de egalizare pasivă:Prin rezistența de a consuma excesul de putere a bateriei de înaltă tensiune. Această metodă este simplă, cu costuri reduse, dar cu eficiență redusă și generare de căldură, potrivită pentru tratarea echilibrată a pachetelor de baterii mici. În timpul proiectării, trebuie acordată atenție puterii și performanței de disipare a căldurii a rezistorului pentru a preveni supraîncălzirea locală în timpul procesului de egalizare.
3. Proiectarea sistemului de management termic
Bateria va genera multă căldură în lucru, mai ales când descărcarea mare a curentului este mai evidentă. Dacă căldura nu este distribuită eficient, temperatura bateriei va crește treptat, rezultând performanța redusă a bateriei, durata de viață scurtă și chiar riscul de evaporare termică.
Probleme specifice:Temperatura neuniformă va face ca unele unități de baterie să se supraîncălzească, ceea ce duce la creșterea rezistenței interne, descompunerea electroliților și alte probleme și chiar duce la incendiul acumulatorului.
Soluţie:
Materiale de conductivitate termică și proiectare de disipare a căldurii:În proiectarea pachetului de baterii, pot fi adăugate materiale cu conductivitate termică ridicată, cum ar fi plăci de disipare a căldurii din aliaj de aluminiu, plăcuțe din silicon termic etc., care pot exporta rapid căldura generată de unitatea bateriei. Optimizați canalele de flux de aer din interiorul acumulatorului pentru a îmbunătăți disiparea căldurii prin convecție naturală sau convecție forțată prin ventilator. Pentru aplicațiile de mare putere, se poate lua în considerare disiparea căldurii de răcire cu lichid, iar eficiența disipării căldurii este mai mare prin absorbția căldurii prin lichidul de răcire circulant.
Monitorizarea temperaturii și răcirea activă:Un senzor de temperatură este integrat în BMS pentru a monitoriza temperatura fiecărei celule în timp real. Dacă temperatura este prea mare, sistemul reduce automat sarcina sau ajustează schema de disipare a căldurii. În același timp, sistemul inteligent de răcire poate porni automat ventilatorul sau sistemul de răcire cu lichid în funcție de starea temperaturii bateriei pentru a evita defecțiunea bateriei cauzată de supraîncălzire.
4. Design structural al acumulatorului
Designul structural al acumulatorului ar trebui nu numai să asigure stabilitatea unității bateriei, ci și să optimizeze ușurința conexiunii electrice, disiparea căldurii și întreținerea. Designul structural nerezonabil va duce la un contact slab al bateriei, daune cauzate de vibrații și chiar scurtcircuit și alte probleme.
Probleme specifice: Structura nerezonabilă poate duce la slăbirea, uzura bateriei, creșterea rezistenței de contact intern, ceea ce duce la încălzirea locală și degradarea performanței.
Soluţie:
Design modular:Designul modular al pachetului de baterii permite unui singur modul de baterie să fie ambalat independent și conectat ușor, iar modulul deteriorat poate fi înlocuit rapid pentru a îmbunătăți confortul de întreținere a pachetului de baterii. Designul structurii seismice este adoptat între module pentru a reduce influența forței externe asupra unității bateriei.
Materiale de protecție și îmbunătățire a designului:Utilizați spumă care absoarbe șocuri, tampoane de cauciuc și alte materiale pentru a înfășura modulul bateriei pentru a reduce șocurile și șocurile externe. Materialele carcasei ar trebui să fie materiale rezistente la foc, impermeabile, rezistente la coroziune, cum ar fi aliajul de aluminiu, oțelul inoxidabil sau materialele plastice tehnice, iar orificiile de ventilație și radiatoarele ar trebui proiectate pentru a optimiza gestionarea termică.
5. Sistemul de management al bateriei (BMS)
BMS (Battery Management System) este centrul de control al acumulatorului, care este responsabil pentru monitorizarea și gestionarea în timp real a parametrilor de putere, tensiune, curent și temperatură ai bateriei. Funcțiile BMS includ echilibrarea bateriei, diagnosticarea defecțiunilor, controlul încărcării și descărcării etc. Performanța sa determină siguranța și eficiența generală a acumulatorului.
Probleme specifice: Dacă BMS-ul nu este proiectat corespunzător, este posibil ca starea anormală să nu fie detectată la timp, ducând la probleme precum supraîncărcarea, supradescărcarea sau supraîncălzirea acumulatorului.
Soluţie:
Senzori de monitorizare de înaltă precizie: Senzorii de înaltă precizie de tensiune, curent și temperatură sunt încorporați în BMS, care pot detecta cu precizie parametrii de stare ai bateriei și îi pot transmite unității de control BMS în timp real. Unitatea de control analizează comportamentul de încărcare și descărcare a bateriei și reglarea echilibrului prin algoritmi încorporați pentru a asigura siguranța sistemului.
Algoritmi inteligenți și analiza datelor: algoritmii avansati de gestionare a bateriei, cum ar fi rețelele neuronale, învățarea automată și alte tehnologii, sunt utilizați pentru a analiza datele de utilizare a bateriei pentru a prezice starea de sănătate și durata de viață rămasă a bateriei. Pe baza rezultatelor analizei algoritmului, BMS optimizează în mod activ strategia de încărcare și descărcare pentru a maximiza durata de viață a bateriei.
6. Proiectarea circuitului de protecție a bateriei
Circuitul de protecție a bateriei este o măsură de siguranță importantă pentru prevenirea supratensiunii, subtensiunii, scurtcircuitului și supracurentului acumulatorului. Dacă acumulatorul nu are un circuit de protecție adecvat, este ușor să provocați pericol în cazuri extreme și va provoca incendiu sau explozie în cazuri grave.
Probleme specifice: Circuitul de protecție lipsă sau proiectat prost poate duce la deteriorarea bateriei în timpul încărcării și descărcării sau să nu întrerupă curentul în timpul unui scurtcircuit.
Soluţie:
Mecanism de protecție multiplă: Proiectați și integrați mai multe circuite de protecție, inclusiv protecție la supratensiune, protecție la subtensiune, protecție la supracurent, protecție la scurtcircuit etc. Fiecare circuit de protecție este proiectat să funcționeze independent de BMS, asigurându-se că bateria este protejată în cazul unei eșecul maestru. De exemplu, protecția la supracurent poate fi proiectată prin combinația dintre tubul MOS și siguranța rapidă pentru a obține funcția de întrerupere instantanee a curentului.
Protecție bidirecțională și design de izolare: designul circuitului de protecție bidirecțională poate monitoriza simultan procesul de încărcare și descărcare al bateriei pentru a preveni afectarea bateriei de anomalii la încărcător și la capătul de încărcare. Circuitul de izolare dintre pachetele de baterii este conceput pentru a evita refluxul de curent între celulele bateriei și pentru a îmbunătăți siguranța electrică generală.
7. Eficiență și pierderi de energie
Pierderea de energie în proiectarea bateriei paralele în serie provine în principal din rezistența internă, rezistența conectorului și consumul de energie al BMS și al circuitului de protecție. La funcționarea cu curent ridicat, aceste pierderi vor crește și mai mult, reducând direct eficiența generală și rezistența acumulatorului.
Probleme specifice: Eficiența scăzută va duce la o durată de viață mai scurtă a bateriei, afectând experiența reală de utilizare a dispozitivului, iar pierderea de energie pe termen lung va crește, de asemenea, căldura acumulatorului.
Soluţie:
Materiale de conectare optimizate: Folosiți materiale de conectare cu rezistență scăzută și conductivitate ridicată, cum ar fi folie de cupru, bandă de cupru cositorită sau bandă din aliaj de aluminiu. Optimizați procesul de sudare, prin sudare cu laser, sudare cu ultrasunete și alte tehnologii avansate pentru a asigura soliditatea și rezistența scăzută a punctului de conectare, reduce pierderea de energie electrică la punctul de conectare.
Eficiență energetică îmbunătățită a BMS: BMS ar trebui să fie proiectat având în vedere optimizarea eficienței energetice pentru a evita consumul de energie inutil. Reduceți consumul de energie al BMS-ului însuși prin utilizarea de cipuri de putere redusă și a modurilor de repaus inteligente. Modulele de recuperare a energiei pot fi, de asemenea, adăugate la BMS pentru a recupera și reutiliza energia redundantă din interiorul acumulatorului pentru a îmbunătăți eficiența energetică generală.
8. Siguranță și fiabilitate
Pachetele de baterii trebuie să facă față unei varietăți de medii dure, cum ar fi vibrațiile, impactul și temperaturile ridicate în timpul utilizării efective, iar designul de siguranță și fiabilitate al bateriilor este esențial. Defectarea unei singure baterii poate cauza probleme cu întregul pachet de baterii, ducând la defecțiuni ale echipamentului și chiar punând în pericol siguranța utilizatorului.
Probleme specifice: Defecțiunea oricărei unități din acumulatorul se poate răspândi, ducând la defectarea generală a acumulatorului sau un accident de siguranță.
Soluţie:
Protecție pe mai multe straturi și proiectare redundantă: la proiectarea pachetelor de baterii, ar trebui luată în considerare protecția multistrat, cum ar fi adăugarea de componente de siguranță, cum ar fi pereții de incendiu și supape anti-explozie, la proiectarea structurală. Designul redundant permite ca restul bateriei să funcționeze corect atunci când unele unități se defectează, îmbunătățind astfel siguranța generală.
Testare și certificare stricte: pachetele de baterii trebuie să fie supuse unor teste stricte de adaptabilitate la mediu înainte de producție, inclusiv test de vibrații, test de cădere, test de ciclu termic etc. Prin UL, CE, UN38.3 și alte certificări internaționale, pentru a se asigura că pachetul de baterii îndeplinește standardele internaționale de siguranță, sporesc încrederea utilizatorilor.
9. Caracteristici de răspuns dinamic
Pachetele de baterii trebuie să răspundă rapid la modificările de încărcare pentru a asigura stabilitatea dispozitivului. Un acumulator cu un răspuns dinamic lent va provoca o funcționare instabilă a dispozitivului și fluctuații semnificative de tensiune, afectând experiența utilizatorului.
Probleme specifice: Răspunsul insuficient al bateriei poate determina accelerarea și încetinirea dispozitivului sau fenomenul de scădere a tensiunii atunci când sarcina se modifică dramatic.
Soluţie:
Selecția bateriei de mare viteză: selectați celule de baterie de mare viteză cu caracteristici excelente de răspuns dinamic, care pot regla rapid puterea atunci când sarcina se schimbă rapid. Combinat cu algoritmul de răspuns rapid al BMS, caracteristicile dinamice de ieșire ale bateriei pot fi optimizate în continuare.
Filtrul de inductanță și compensarea capacității: Filtrul de inductanță și rețeaua de compensare a capacității sunt proiectate la capătul de ieșire al acumulatorului pentru a reduce fluctuațiile de tensiune și pentru a îmbunătăți capacitatea de răspuns dinamic a bateriei. Acest design atenuează fluctuațiile de tensiune și asigură funcționarea stabilă a echipamentului la variații mari de sarcină.
10. Tehnologia de conectare și selecția materialului
Partea de conectare a acumulatorului necesită performanțe electrice și termice excelente. O conexiune defectuoasă va duce la creșterea rezistenței, la încălzirea contactului și chiar la topire, ceea ce poate cauza defecțiunea acumulatorului în cazuri grave.
Probleme specifice: Materialele de conectare necorespunzătoare sau procesele defectuoase pot crește rezistența acumulatorului, provocând supraîncălzire locală, ducând la pierderi de energie și riscuri de siguranță.
Soluţie:
Selectați conectori și tehnologii de sudare de înaltă calitate: metodele de sudare, cum ar fi sudarea cu laser sau sudarea cu ultrasunete, sunt utilizate în mod obișnuit în conexiunile pachetului de baterii. Aceste metode asigură rezistență scăzută și rezistență mecanică ridicată la locul de conectare și evită contactul slab din cauza vibrațiilor sau schimbărilor de temperatură.
Utilizați materiale izolante rezistente la căldură: Părțile de conectare din pachetul de baterii trebuie împachetate cu materiale izolante rezistente la căldură și rezistente la uzură, cum ar fi bandă termorezistentă și tuburi izolate cu teflon. Aceste materiale pot preveni în mod eficient scurtcircuitul sau scurgerile la conexiune și pot îmbunătăți siguranța și durata de viață a acumulatorului.
