Prilikom dizajniranja baterija, izbor između serijskog i paralelnog može imati značajan utjecaj na performanse baterije, sigurnost i dugovječnost. Dizajn baterije je složen i delikatan, zahteva dubinsko razumevanje nekih ključnih tehničkih pitanja. U ovom radu, tehnički izazovi u serijskom i paralelnom dizajnu baterija razmatraju se sa deset aspekata, kao što su konzistentnost baterije, izjednačavanje napona i struje i dizajn sistema upravljanja toplotom.
1. Baterija je nedosljedna
Konzistentnost baterije se odnosi na sličnost svake baterijske jedinice u smislu kapaciteta, napona, unutrašnjeg otpora, krivulje pražnjenja, itd. Razlike u performansama baterije mogu uzrokovati probleme u serijskim ili paralelnim baterijama. Na primjer, u serijskoj konfiguraciji, na ukupne performanse baterijskog paketa utiče najgora ćelija; U paralelnoj konfiguraciji, razlike u performansama mogu dovesti do neravnomjerne raspodjele struje, što utiče na vijek trajanja i efikasnost cijelog kompleta baterija.
problem:U serijskoj konfiguraciji, ako je jedna baterija prazna, cijeli paket baterija se neće moći potpuno isprazniti, što će uzrokovati gubitak energije i smanjenje efikasnosti; U paralelnoj konfiguraciji, trenutno opterećenje različitih baterija je različito, što lako može uzrokovati lokalno pregrijavanje i smanjenje performansi baterija.
Rješenje:
Provjera baterije:U proizvodnom procesu treba koristiti opremu za ispitivanje visoke preciznosti za striktno ispitivanje svake baterijske jedinice kako bi se osigurao visok stepen konzistentnosti parametara kao što su kapacitet, napon i unutrašnji otpor. Uobičajene metode skrininga uključuju OCV test (napon otvorenog kola), ispitivanje unutrašnjeg otpora i test kapaciteta. Ovi testovi efikasno uklanjaju nestandardne baterije i izbegavaju sastavljanje nekonzistentnih baterija.
Dizajn kola za balansiranje:Integrirajte aktivna ili pasivna kola za balansiranje u sustav upravljanja baterijama (BMS). Aktivno kolo za izjednačavanje može prenijeti električnu energiju kroz induktivnost prebacivanja ili kapacitivnost kako bi se ostvarila preraspodjela energije u baterijskom paketu. Pasivno izjednačavanje prilagođava napon baterije trošenjem viška energije. Aktivno balansiranje je složeno, ali efikasno, pogodno za baterije velikog kapaciteta, a pasivno balansiranje je pogodno za male i srednje baterije.
2. Uravnotežite napon i struju
Kod serijskih baterija, problem izjednačavanja napona je ključan za osiguranje ujednačenog punjenja i pražnjenja svake ćelije. Baterija bez kruga za izjednačavanje napona će prepuniti ili prepuniti dio baterije, što će utjecati na vijek trajanja cijelog kompleta baterija. Paralelni baterijski paket suočava se s problemom ravnoteže struje, a razlika unutrašnjeg otpora dovodi do neravnomjerne raspodjele struje, što je lako učiniti da neke baterije podnose veće strujno opterećenje.
Specifični problemi:Serija baterija neravnomjernog napona može uzrokovati prekomjerno punjenje i oštećenje nekih baterija ili rano pražnjenje tokom pražnjenja; Neuravnotežena struja paralelnog paketa baterija će ubrzati starenje baterije i skratiti vijek trajanja baterije.
Rješenje:
Aktivno kolo za balansiranje:Kroz kombinaciju induktora, kondenzatora i kontrolnih čipova, inteligentni prijenos snage, za postizanje efikasnog balansiranja napona. Ova metoda može efikasno smanjiti unutrašnju potrošnju baterije i poboljšati efikasnost punjenja i pražnjenja cijelog paketa baterija. Uobičajene metode balansiranja uključuju balansiranje letećeg kapaciteta i balansiranje induktivnosti prekidača. Morate odabrati odgovarajuće rješenje na osnovu scenarija primjene baterije.
Pasivno kolo za izjednačavanje:Preko otpora se troši višak snage visokonaponske baterije. Ova metoda je jednostavna, niske cijene, ali niske efikasnosti i stvaranja topline, pogodna za uravnotežen tretman malih baterija. Prilikom projektovanja treba obratiti pažnju na snagu i performanse odvođenja toplote otpornika kako bi se sprečilo lokalno pregrijavanje tokom procesa izjednačavanja.
3. Projektiranje sistema upravljanja toplinom
Baterija će generirati mnogo topline u radu, posebno kada je veliko pražnjenje struje očiglednije. Ako se toplina ne distribuira efikasno, temperatura baterije će se postepeno povećavati, što će rezultirati smanjenim performansama baterije, skraćenim vijekom trajanja, pa čak i rizikom od toplotnog bijega.
Specifični problemi:Neujednačena temperatura će uzrokovati pregrijavanje nekih baterijskih jedinica, što će rezultirati povećanim unutarnjim otporom, razgradnjom elektrolita i drugim problemima, pa čak i požarom baterije.
Rješenje:
Materijali za toplinsku provodljivost i dizajn odvođenja topline:U dizajn baterijskog paketa mogu se dodati materijali sa visokom toplotnom provodljivošću, kao što su ploče za rasipanje toplote od legure aluminijuma, termički silikonski jastučići, itd., koji mogu brzo da eksportuju toplotu koju generiše baterijska jedinica. Optimizirajte kanale protoka zraka unutar baterije kako biste poboljšali rasipanje topline prirodnom ili prisilnom konvekcijom ventilatorom. Za aplikacije velike snage može se uzeti u obzir rasipanje topline hlađenja tekućinom, a efikasnost odvođenja topline je veća apsorbiranjem topline kroz cirkulirajuću rashladnu tekućinu.
Praćenje temperature i aktivno hlađenje:Senzor temperature je integrisan u BMS za praćenje temperature svake ćelije u realnom vremenu. Ako je temperatura previsoka, sistem automatski smanjuje opterećenje ili prilagođava shemu odvođenja topline. Istovremeno, inteligentni sistem hlađenja može automatski pokrenuti ventilator ili sistem za hlađenje tekućinom u skladu sa temperaturnim statusom baterije kako bi se izbjegao kvar baterije uzrokovan pregrijavanjem.
4. Dizajn strukture baterije
Strukturni dizajn baterijskog paketa ne samo da bi trebao osigurati stabilnost baterijske jedinice, već i optimizirati lakoću električnog povezivanja, odvođenja topline i održavanja. Nerazuman strukturalni dizajn će dovesti do lošeg kontakta baterije, oštećenja od vibracija, pa čak i kratkog spoja i drugih problema.
Specifični problemi: Nerazumna struktura može uzrokovati popuštanje baterije, trošenje, povećanje unutrašnjeg otpora kontakta, što rezultira lokalnim zagrijavanjem i degradacijom performansi.
Rješenje:
Modularni dizajn:Modularni dizajn baterijskog paketa omogućava da se jedan baterijski modul samostalno pakuje i lako poveže, a oštećeni modul se može brzo zamijeniti kako bi se poboljšala udobnost održavanja baterije. Dizajn seizmičke strukture je usvojen između modula kako bi se smanjio utjecaj vanjske sile na baterijsku jedinicu.
Zaštitni materijali i poboljšanje dizajna:Koristite pjenu koja apsorbira udarce, gumene jastučiće i druge materijale da omotate baterijski modul kako biste smanjili vanjski udar i udar. Materijali kućišta trebaju biti vatrootporni, vodootporni, otporni na koroziju, materijali visoke čvrstoće poput legure aluminija, nehrđajućeg čelika ili inženjerske plastike, a ventilacijski otvori i hladnjaci trebaju biti dizajnirani tako da optimiziraju upravljanje toplinom.
5. Sistem upravljanja baterijom (BMS)
BMS (Battery Management System) je kontrolni centar baterije, koji je odgovoran za praćenje i upravljanje u realnom vremenu parametara snage, napona, struje i temperature baterije. Funkcije BMS-a uključuju balansiranje baterije, dijagnostiku kvarova, kontrolu punjenja i pražnjenja, itd. Njegove performanse određuju ukupnu sigurnost i efikasnost baterije.
Specifični problemi: Ako BMS nije pravilno dizajniran, abnormalno stanje možda neće biti otkriveno na vrijeme, što će rezultirati problemima kao što su prekomjerno punjenje, prekomjerno pražnjenje ili pregrijavanje baterije.
Rješenje:
Senzori za nadzor visoke preciznosti: Visoko precizni senzori napona, struje i temperature ugrađeni su u BMS, koji mogu precizno detektovati statusne parametre baterije i prenijeti ih na BMS kontrolnu jedinicu u realnom vremenu. Upravljačka jedinica analizira ponašanje pri punjenju i pražnjenju baterije i podešavanje balansa putem ugrađenih algoritama kako bi osigurala sigurnost sistema.
Inteligentni algoritmi i analiza podataka: Napredni algoritmi za upravljanje baterijom, kao što su neuronske mreže, strojno učenje i druge tehnologije, koriste se za analizu podataka o korištenju baterije kako bi se predvidio zdravstveni status i preostali vijek trajanja baterije. Na osnovu rezultata analize algoritma, BMS aktivno optimizira strategiju punjenja i pražnjenja kako bi maksimalno produžio vijek trajanja baterije.
6. Dizajn zaštitnog kruga baterije
Zaštitni krug baterije je važna sigurnosna mjera za sprječavanje prenapona, podnapona, kratkog spoja i prekomjerne struje baterije. Ako baterija nema odgovarajući zaštitni krug, lako je izazvati opasnost u ekstremnim slučajevima, au ozbiljnim slučajevima to će uzrokovati požar ili eksploziju.
Specifični problemi: Zaštitno kolo koje nedostaje ili je loše dizajnirano može uzrokovati oštećenje baterije tokom punjenja i pražnjenja ili neuspjeh da prekine struju tokom kratkog spoja.
Rješenje:
Višestruki zaštitni mehanizam: Dizajnirajte i integrirajte više zaštitnih krugova, uključujući zaštitu od prenapona, zaštitu od podnapona, zaštitu od prekomjerne struje, zaštitu od kratkog spoja, itd. Svaki zaštitni krug je dizajniran da radi neovisno o BMS-u, osiguravajući da je baterija zaštićena u slučaju master fail. Na primjer, prekostrujna zaštita može biti dizajnirana kroz kombinaciju MOS cijevi i brzog osigurača kako bi se postigla funkcija trenutnog nestanka struje.
Dizajn dvosmjerne zaštite i izolacije: Dizajn dvosmjernog zaštitnog kola može istovremeno pratiti proces punjenja i pražnjenja baterije kako bi se spriječilo da na bateriju utječu abnormalnosti na punjaču i na kraju punjenja. Izolacijski krug između baterijskih paketa je dizajniran da izbjegne povratni tok struje između baterijskih ćelija i poboljša ukupnu električnu sigurnost.
7. Efikasnost i gubitak energije
Gubitak energije u dizajnu serijskih paralelnih baterija uglavnom dolazi od unutrašnjeg otpora, otpora konektora i potrošnje energije BMS-a i zaštitnog kola. Pri visokostrujnom radu, ovi gubici će se dodatno povećati, direktno smanjujući ukupnu efikasnost i izdržljivost baterije.
Specifični problemi: Niska efikasnost će dovesti do kraćeg vijeka trajanja baterije, utječući na stvarno iskustvo korištenja uređaja, a dugoročni gubitak energije će također povećati toplinu baterije.
Rješenje:
Optimizirani materijali za povezivanje: Koristite priključne materijale niske otpornosti i visoke provodljivosti kao što su bakarna folija, kalajisana bakarna traka ili traka od legure aluminijuma. Optimizirajte proces zavarivanja, kroz lasersko zavarivanje, ultrazvučno zavarivanje i druge napredne tehnologije kako biste osigurali postojanost i nizak otpor priključne točke, smanjili gubitak električne energije na mjestu spajanja.
Poboljšana energetska efikasnost BMS: BMS bi trebao biti dizajniran s optimizacijom energetske efikasnosti na umu kako bi se izbjegla nepotrebna potrošnja energije. Smanjite potrošnju energije samog BMS-a korištenjem čipova male potrošnje i pametnih načina mirovanja. Moduli za obnavljanje energije također se mogu dodati BMS-u kako bi povratili i ponovno iskoristili suvišnu energiju unutar baterijskog paketa kako bi se poboljšala ukupna energetska efikasnost.
8. Sigurnost i pouzdanost
Baterijski paketi moraju se nositi s raznim teškim okruženjima kao što su vibracije, udari i visoka temperatura u stvarnoj upotrebi, a sigurnosni i pouzdani dizajn baterija je od ključnog značaja. Kvar jedne baterije može uzrokovati probleme s cijelim paketom baterija, što dovodi do kvara opreme, pa čak i ugrožavanja sigurnosti korisnika.
Specifični problemi: Kvar bilo koje jedinice u baterijskom paketu može se proširiti, što rezultira ukupnim kvarom baterije ili sigurnosnom nesrećom.
Rješenje:
Višeslojna zaštita i redundantni dizajn: Prilikom dizajniranja baterijskih paketa treba uzeti u obzir višeslojnu zaštitu, kao što je dodavanje sigurnosnih komponenti kao što su protupožarne pregrade i ventili otporni na eksploziju u konstrukcijski dizajn. Redundantni dizajn omogućava da ostatak baterije ispravno radi kada neke jedinice pokvare, čime se poboljšava ukupna sigurnost.
Strogo testiranje i certifikacija: baterijski paketi moraju proći stroga ispitivanja prilagodljivosti okolišu prije proizvodnje, uključujući test vibracija, test pada, test termičkog ciklusa, itd. Kroz UL, CE, UN38.3 i druge međunarodne certifikate, kako bi se osiguralo da baterija zadovoljava međunarodni sigurnosni standardi, povećavaju povjerenje korisnika.
9. Karakteristike dinamičkog odziva
Baterijski paketi moraju brzo reagirati na promjene opterećenja kako bi osigurali stabilnost uređaja. Baterija sa sporim dinamičkim odzivom će uzrokovati nestabilan rad uređaja i značajne fluktuacije napona, što će utjecati na korisničko iskustvo.
Specifični problemi: Nedovoljna reakcija baterije može uzrokovati ubrzanje i usporavanje uređaja ili pojavu pada napona kada se opterećenje dramatično promijeni.
Rješenje:
Odabir baterije visoke brzine: Odaberite ćelije baterije visoke brzine s odličnim karakteristikama dinamičkog odziva, koje mogu brzo prilagoditi izlaz kada se opterećenje brzo mijenja. U kombinaciji s algoritmom brzog odziva BMS-a, izlazne dinamičke karakteristike baterije mogu se dodatno optimizirati.
Induktivni filter i kompenzacija kapacitivnosti: Induktivni filter i mreža za kompenzaciju kapacitivnosti dizajnirani su na izlaznom kraju baterijskog paketa kako bi se smanjile fluktuacije napona i poboljšala sposobnost dinamičkog odziva baterije. Ovaj dizajn ublažava fluktuacije napona i osigurava stabilan rad opreme pod velikim varijacijama opterećenja.
10. Tehnologija spajanja i izbor materijala
Priključni dio baterije zahtijeva odlične električne i termičke performanse. Loša veza će dovesti do povećanog otpora, zagrijavanja kontakta, pa čak i topljenja, što može uzrokovati kvar baterije u ozbiljnim slučajevima.
Specifični problemi: Neodgovarajući materijali za povezivanje ili loš proces mogu povećati otpornost baterije, uzrokujući lokalno pregrijavanje, što rezultira gubitkom energije i sigurnosnim opasnostima.
Rješenje:
Odaberite visokokvalitetne konektore i tehnologije zavarivanja: Metode zavarivanja kao što su lasersko zavarivanje ili ultrazvučno zavarivanje se obično koriste u povezivanju baterija. Ove metode osiguravaju nisku otpornost i visoku mehaničku čvrstoću na mjestu spajanja i izbjegavaju loš kontakt zbog vibracija ili promjena temperature.
Koristite izolacijske materijale otporne na toplinu: Priključne dijelove u baterijskom paketu treba umotati izolacijskim materijalima otpornim na toplinu i habanje, kao što su traka otporna na toplinu i cijevi izolovane teflonom. Ovi materijali mogu efikasno spriječiti kratki spoj ili curenje na spoju i poboljšati sigurnost i vijek trajanja baterije.
