Blog

Дизайн електромобіля – розрахунок батареї

Високовольтна батарея є одним з найважливіших компонентів акумуляторного електромобіля (BEV). Параметри батареї мають значний вплив на інші компоненти та атрибути транспортного засобу, такі як

• максимальний тяговий момент тягового двигуна
• максимальний гальмівний момент рекуперації
• запас ходу транспортного засобу
• повна маса транспортного засобу
• ціна автомобіля

Практично всі основні аспекти чистого електромобіля (EV) залежать від параметрів високовольтної батареї.

Для нашого проектування акумулятора для електромобіля ми будемо відштовхуватися від 4 основних вхідних параметрів:

• хімія
• напруга
• середнє енергоспоживання транспортного засобу за один їздовий цикл
• запас ходу автомобіля

Батарея складається з одного або декількох електрохімічних елементів (елементів батареї), які перетворюють хімічну енергію в електричну (під час розряджання) та електричну енергію в хімічну (під час заряджання). Тип елементів, що містяться в акумуляторі, і хімічні реакції, що відбуваються під час розряджання-заряджання, визначають хімічний склад акумулятора.

Акумуляторний елемент складається з п’яти основних компонентів: електродів – анода і катода, сепараторів, клем, електроліту і корпусу або кожуха. Для автомобільних застосувань використовуються різні типи елементів [1]:

Зображення: Різні форми елементів літій-іонної батареїКредит: [1]

Індивідуальний батарея елементи згруповані в єдиний механічний та електричний блок, який називається модулем акумулятора. Модулі електрично з’єднані між собою, утворюючи акумуляторну батарею.

Існує кілька типів акумуляторів (хімічних), що використовуються в гібридних та електромобільних силових установках, але ми розглянемо лише літій-іонні елементи. Основна причина полягає в тому, що літій-іонні батареї мають вищу питому енергію [Вт-год/кг] і питому потужність [Вт/кг] порівняно з іншими типами [2].

Зображення: Діаграма Рагона, адаптована з Van Den Bossche 2009Кредит: [2]

Рівень напруги батареї визначає максимальну електричну потужність, яка може бути доставлена безперервно. Потужність P [Вт] – це добуток між напругою U [В] і струмом I [А]:

Чим більший струм, тим більший діаметр високовольтних проводів і тим більші теплові втрати. З цієї причини струм повинен бути обмежений до максимуму, а номінальна потужність отримана за рахунок більш високої напруги. Для нашого застосування ми розглянемо номінальну напругу 400 В.

У статті EV конструкція – споживання енергії ми розрахували середнє споживання енергії для рушійної установки Ep, яке дорівнює 137.8 Вт-год/км за їздового циклу WLTC. На додаток до енергії, необхідної для руху, висока напруга акумулятор повинен постачати енергію для допоміжних пристроїв автомобіля Eaux [Вт-год/км], таких як 12 В електрична система, опалення, охолодження тощо. Крім того, ми повинні враховувати ККД силової установки ηp [-] при перетворенні електричної енергії в механічну енергію.

\[E_ = \left ( E_

E_ \right ) \cdot \left ( 2 – \eta_

\right ) \tag\]

Для споживання енергії допоміжними пристроями ми будемо використовувати дані з [3], які містять типові вимоги до потужності деяких поширених електричних компонентів транспортного засобу (допоміжні навантаження). Тривалі електричні навантаження (фари, мультимедіа тощо).) та періодичні навантаження (обігрівач, стоп-сигнали, двірники тощо).) використовують в середньому 430 Вт електричної потужності. Тривалість циклу WLTC становить 1800 с (0.5 год), що дає енергію 215 Вт для допоміжних навантажень. Якщо ми розділимо його на тривалість їздового циклу WLTC (23), то отримаємо.266 км), отримуємо середнє споживання енергії для допоміжних навантажень Eaux 9.241 Вт-год/км.

Навіть якщо Вт-год/км – це не зовсім енергія, а факторизована енергія, оскільки вона віднесена до одиниці відстані (км), для простоти ми будемо називати її середньою енергією.

Постійний струм (DC), що подається від акумулятор перетворюється на змінний струм (AC) за допомогою інвертора. Це перетворення відбувається з відповідними втратами. Крім того, електродвигун і трансмісія мають певні втрати, які ми повинні враховувати. Для цієї вправи ми будемо використовувати середній коефіцієнт корисної дії ηp, що дорівнює 0.9 від акумулятора до колеса.

Архітектура акумуляторних батарей

Всі високовольтні акумуляторні батареї складаються з акумуляторних елементів, розташованих у вигляді ланцюжків і модулів. Елемент акумулятора можна розглядати як найменший поділ напруги.

Окремі елементи батареї можуть бути з’єднані паралельно та/або послідовно у вигляді модулів. Крім того, акумуляторні модулі можуть бути з’єднані паралельно і / або послідовно для створення акумуляторної батареї. Залежно від параметрів батареї може бути кілька рівнів модульності.

Загальна напруга акумуляторної батареї визначається кількістю послідовно з’єднаних елементів. Наприклад, сумарна напруга 6 послідовно з’єднаних елементів буде дорівнювати сумі їхніх індивідуальних напруг.

Зображення: Ланцюжок акумуляторних батарей

Для того, щоб збільшити струмовий потенціал батареї, необхідно паралельно з’єднати більшу кількість струн. Наприклад, 3 струни, з’єднані паралельно, потроять ємність і силу струму акумуляторної батареї.

Зображення: Паралельне з’єднання елементів батареї

Високовольтна акумуляторна батарея Mitsubishi i-MiEV складається з 22 модулів, що складаються з 88 послідовно з’єднаних елементів. Кожен модуль містить 4 призматичні комірки. Напруга кожного елемента – 3.7 В і загальна напруга акумуляторної батареї 330 В.

Зображення: Акумуляторна батарея (модулі та елементи)Кредит: Mitsubishi

Іншим прикладом є високовольтна акумуляторна батарея Tesla Model S, яка має:

• 74 елементи в паралельній групі
• 6 груп послідовно для одного модуля
• 16 модулів послідовно
• 7104 елементи в загальній складності

Зображення: Акумуляторна батарея Tesla Model SКредит: Tesla

Розрахунок акумуляторної батареї

Для того, щоб вибрати, які елементи матиме наш блок, ми проаналізуємо кілька моделей елементів, доступних на ринку. У цьому прикладі ми зосередимося лише на літій-іонних елементах. Вхідні параметри елементів батареї наведені в таблиці нижче.

Примітка: Оскільки виробники акумуляторних елементів постійно випускають нові моделі, може статися так, що дані, використані в цьому прикладі, є застарілими. Це менш важливо, оскільки метою статті є пояснення того, як виконується розрахунок. Той самий метод можна застосувати для будь-яких інших акумуляторних елементів.

На основі параметрів комірок, наданих виробниками, ми можемо розрахувати енергоємність, об’єм, гравітаційну щільність та об’ємну щільність для кожної комірки.

Теорія RDM

RDM – це інженерний підхід, орієнтований на споживача, який рекомендує зробити продукт мінімально чутливим до різних причин варіабельності, а не інвестувати в зусилля з їх усунення. Передбачає використання діаграми параметрів (P-діаграми) для визначення кандидатів на надійність і полегшення створення концептуального дизайну надійної системи.

Згідно з Arvidsson та Gremyr [32], дії, що вживаються в рамках цього підходу, зосереджені спочатку на розвитку обізнаності про варіації, а потім спрямовані на підвищення нечутливості системи до шумових факторів.

2.1. Усвідомлення варіацій

Зрозуміло, що чим менше відхилення, тим краща якість. Відповідно до цього напряму, покращення якості продукції майже завжди вважається синонімом зменшення варіації [33]. Однак центральною проблемою в проектуванні і виробництві є вилучення і краще розуміння інформації, що міститься у варіації. Тому в RDM продукти часто описують за допомогою Р-діаграми, яку показано на рисунку 2.

Р-діаграма є інструментом, який полегшує концептуальний аналіз великого набору даних, що представляє складні взаємодії будь-якого продукту або процесу з глобальними параметрами і генерування достовірних конструкція рішення шляхом розрізнення різних факторів, що впливають на нього. Вона графічно зображує вхідний сигнал, i.e., енергетичних та інших ресурсів, вкладених у систему, а також різних груп факторів, що впливають на певну якісну характеристику, яка в ідеалі очікується на виході або у відповідь від системи, шляхом розрізнення факторів, що впливають на певну якісну характеристику, яка в ідеалі очікується на виході або у відповідь на. Джерела мінливості, які або неможливо контролювати, або занадто дорого контролювати, і які створюють збурення в системі, називаються факторами шуму. З іншого боку, елементи, які можна регулювати без значного впливу на розподіл технічних і фінансових ресурсів, такі як вибір матеріалів, розміри і точна вага різних компонентів, класифікуються як фактори управління. Крім того, різні режими відмов, які є результатом інтерференції системи з існуючими шумовими факторами, перераховані як стани помилок на P-діаграмі [34].

2.2. Нечутливість до шумових факторів

Теоретично можна послабити вплив шумових факторів на інженерні системи, досліджуючи та змінюючи взаємозв’язок між їх реакцією та керуючими факторами [35]. Іншими словами, керуючі фактори налаштовуються таким чином, щоб варіація шумових факторів мала мінімальний вплив або взагалі не впливала на відгук. Кілька інструментів, таких як аналіз дерева несправностей, дизайн експериментів, варіаційний режим та аналіз ефектів, функція втрати якості використовуються для досягнення цієї мети.

Зрозуміло, що техніка розгортання функції якості (QFD) також може бути використана для цієї мети. QFD – це систематична методика, яка дозволяє адаптувати продукт і технологію до кінцевого користувача. Він спрощує перетворення потреб замовника та вимог до якості (CN) в інженерні характеристики або технічні вимоги до продукції (PTR). ПТР пояснюють КФУ мовою інженерів і виступають в якості керівництво “як можуть бути виконані CN для продукту/системи, що розглядається”. Крім того, QFD надає можливість включити в аналіз ринкові умови, що робить його привабливим інструментом для процесу проектування нових продуктів в декількох галузях промисловості. Тому він широко використовується для визначення проектування цілей для досягнення очікуваних результатів з урахуванням технологічних обмежень компанії та існуючої ринкової конкуренції [36,37].

Застосування RDM для проектування акумуляторних батарей

RDM застосовується для проектування систем у два етапи. На першому етапі створюється P-діаграма для визначення факторів управління. На наступному етапі досліджується взаємодія різних факторів управління з ідеальною реакцією системи за допомогою такої техніки, як QFD для визначення правильного рівня для кожного з факторів управління. У цьому розділі будуть розглянуті ці два етапи стосовно акумуляторної батареї електромобіля конструкцію.

3.1. Створення Р-діаграми для акумуляторної батареї електромобіля

Визначили межі системи – дуже важливо визначити межі системи перед тим, як розпочати процедуру створення Р-діаграми. Гранична діаграма відображає різні блоки компонентів, що складають систему. Вона також дозволяє легко візуалізувати інтерфейс системи, що забезпечує обмін енергією/інформацією з навколишнім середовищем. Таким чином, гранична діаграма створюється шляхом ретельного вивчення існуючих акумуляторних батарей (Tesla Model S, GM Chevrolet Volt та Nissan Leaf) та опублікованої літератури.

Визначено вхідний сигнал та ідеальну реакцію – оскільки КН підкреслюють важливі характеристики продукту, одночасно інформуючи розробників продукту про те, “що потрібно зробити”, КН були перераховані в стовпчику ідеальної реакції на Р-діаграмі. В електромобілях комбінація електрохімічних елементів або акумуляторна батарея отримує вхідний сигнал від водія електромобіля у вигляді сили натискання на педаль. Сила натискання на педаль керує положенням дросельної заслінки, що, в свою чергу, змушує електрохімічну систему реагувати, забезпечуючи постійну потужність і пікову потужність, коли це потрібно під час їздового циклу. Варто зазначити, що задоволення лише базових функціональних вимог, тобто.e., забезпечення потужності, необхідної під час їздового циклу, та дотримання стандартних вимог безпеки не є достатнім для того, щоб вважати модульний акумуляторний блок для електромобіля бажаним. Користувач електромобіля може також мати кілька неявних очікувань від нього. Процедура, прийнята для визначення цих вимог, буде розглянута в Розділі 4.1.

Відокремлення факторів шуму від факторів керування – перетворення положення дросельної заслінки у вихідну потужність батареї можна максимізувати, керуючи взаємодією акумуляторної батареї із зовнішнім середовищем через різні системні інтерфейси. Контроль над взаємодією системи можна отримати, виділяючи параметри, які мають безпосередній вплив на вихід системи, і регулюючи ті, що лежать в її межах. Наприклад, вплив температури на теплові характеристики елементів батареї можна зменшити, вибравши і встановивши відповідну систему терморегулювання в акумуляторній батареї. Крім того, розмір елементів батареї, їх розташування або зазор в упаковці можуть бути змінені, щоб зробити акумуляторну батарею більш компактною, легкою і термічно стабільною, одночасно підвищуючи простоту виробництва і зручність обслуговування.

Встановлено потенційні стани помилок – стани помилок відображають те, як відмова системи буде фізично помічена в реальному застосуванні. Фізичний контакт між сусідніми елементами та утворення диму або неприємного запаху під час роботи батареї є одними з прикладів потенційних режимів відмови акумуляторної батареї в електромобілі. Інші фізичні показники, що визначають стан відмови елемента акумулятора, були визначені шляхом огляду літератури. Вони перераховані в таблиці 1 [38]. У таблиці також визначено основні фізичні, хімічні, механічні або електричні механізми, що викликають напруження, які можуть призвести до виходу з ладу електрохімічного елемента, а також потенційні причини або сили, що призводять до виходу з ладу елемента акумулятора.

3.2. Виявлення взаємозв’язку факторів контролю з КН

Аналіз якості, як правило, проводиться за допомогою чотирьох взаємопов’язаних матриць, де кожна з чотирьох матриць формується в декілька етапів. Детальний опис цих етапів можна знайти в [39,40]. Серед них матриця/етап 1 є стратегічно найважливішим етапом, оскільки на цьому етапі КН переводяться в ТРК. Таким чином, повідомлялося, що значних переваг можна досягти, реалізувавши лише перший етап системи контролю якості [41].

Відповідно, основна увага в цьому дослідженні також приділяється першій фазі QFD, широко відомій як “Дім якості” (House of Quality, HoQ). Зокрема, мета наступних розділів обмежується ідентифікацією, розумінням і оцінкою взаємозв’язку між різними CN і PTR акумуляторної батареї електромобіля, в той час як оцінка кореляцій між різними PTR буде частиною майбутнього дослідження. Сила цих взаємозв’язків була оцінена на основі літературних оглядів, результати яких підтверджуються за допомогою підходу групового прийняття рішень. У нашому випадку успіх цього підходу забезпечується міждисциплінарним характером експертної групи, яка керує процесом прийняття рішень.

Процедури

Методи, прийняті для отримання проміжної інформації, необхідної для побудови P-діаграми та HoQ, представлені в цьому розділі.

4.1. Визначення КН шляхом консультацій з експертною групою

Існує декілька способів, включаючи метод мінімального відхилення [42], метод мінімальної середньоквадратичної помилки [43] та метод Дельфі [44] для визначення того, що клієнт хоче отримати на виході системи. Метод Дельфі, який є структурованою комунікаційною технікою для виявлення думок експертів та досягнення консенсусу з певного питання, був прийнятий в даному дослідженні через його простоту та легкість реалізації.

В рамках цього методу створюється експертна група, що складається з п’ятнадцяти провідних фахівців з автомобільної галузі. Детальна інформація про панель представлена в Таблиці 2. З цієї таблиці видно, що всі учасники дискусії мають великий досвід у сфері проектування акумуляторних батарей, виробництва, полегшення ваги транспортних засобів, структурного аналізу, управління проектами та підвищення якості. З цими експертами були проведені конфіденційні індивідуальні бесіди. Основною темою обговорення були “очікувані характеристики та вимоги до якості акумуляторних батарей для їх цільового застосування”. Також була записана їхня думка про бар’єри для продуктивності акумуляторних батарей для електромобілів та бажану стратегію для проектування надійного акумуляторного блоку. Таким чином, на основі думки експерта розроблено вичерпний перелік неявних вимог замовника до акумуляторної батареї для електромобіля.

4.2. Системні межі для акумуляторної батареї електромобіля

У випадку акумуляторної батареї електромобіля, яка, по суті, є паралельною та послідовною комбінацією декількох електрохімічних елементів, взаємодія із зовнішнім середовищем може відбуватися через кілька інтерфейсів, показаних на малюнку 3.

На малюнку показана хімічна система у вигляді комбінації акумуляторних елементів, що обмінюються енергією з навколишнім середовищем через різні інтерфейси. Нижче наведено короткий опис кожного з цих інтерфейсів.

Механічний – представляє всі механічні елементи конструкції, такі як прокладки між елементами, демпферні прокладки, клапани скидання тиску або випускні клапани, ущільнення/прокладки, які були інтегровані в акумуляторну батарею, головним чином, з міркувань безпеки.

Акумуляторна батарея структурного типу А повинна бути поміщена в корпус і кришку, щоб захистити її від впливу вологи, бруду та інших факторів навколишнього середовища. Крім того, необхідна належна віброізоляція та висока стійкість до аварій. Отже, такі конструктивні елементи, як торцеві пластини, стяжки, поперечини, слугують захисними елементами в акумуляторній батареї.

Термоконтроль температури елементів літій-іонної батареї в діапазоні від 25 °C до 30 °C і рівномірний розподіл тепла по всій літій-іонній батареї необхідний для максимізації її енергетичної ємності. Для забезпечення цього з акумуляторною батареєю зазвичай інтегрується система терморегулювання (TMS), що включає в себе канал для передачі рідини, охолоджувальну/нагрівальну рідину, ізоляційне покриття, допоміжні системи, такі як вентилятори, насоси, теплообмінники.

Електричні –Акумуляторна батарея Акумуляторна батарея генерує струм при певній напрузі, щоб задовольнити вимоги до потужності приводного циклу електромобіля. Ця енергія передається через електричний ланцюг, що складається з шин і кабелів, запобіжників, автоматичних вимикачів, контакторів і реле, до трансмісії електромобіля.

Системи управління – система управління акумуляторною батареєю, датчики для вимірювання напруги, струму, тиску, температури та вологості використовуються для моніторингу та регулювання стану акумуляторної батареї.

Опора – акумуляторна батарея електромобіля зазвичай встановлюється в транспортному засобі за допомогою монтажних кронштейнів і осі, що допомагає досягти необхідного ступеня віброізоляції для надійної роботи. Підтримка з боку шасі та кузова транспортного засобу підвищує загальну стійкість до аварій. Аналогічно, панель підлоги транспортного засобу та сидіння забезпечують ізоляцію високовольтних компонентів від пасажирського салону.

4.3. Характеристика впливу шумових факторів на продуктивність електромобіля

У цьому дослідженні фактори шуму та фактори контролю в основному визначаються шляхом детального огляду опублікованої літератури. Згодом отримані результати обговорюються з експертною групою. Остаточна категоризація ґрунтується на консенсусі, досягнутому між членами групи експертів.

Клієнтське використання – Запас ходу електромобіля залежить від швидкості та характеристик прискорення кожної поїздки. Поїздки з більш швидким прискоренням або з підйомом на велику висоту вимагають більше кіловат на кілометр шляху. Крім того, дослідження моделей водіння електромобілів показують, що на відміну від звичайних транспортних засобів з ДВЗ, електромобілі рідко їздять на швидкісних автомагістралях, а більше в сільській місцевості та в містах. Отже, акумуляторні батареї електромобілів, які експлуатуються переважно в сільській або міській місцевості, піддаються більш напруженому режиму експлуатації в порівнянні з тими, що експлуатуються на більш традиційному дорожньому покритті [45,46].

Вібрації – водіння викликає профілі вібрації, зосереджені в діапазоні частот 1 Гц-25 Гц, з підвищеним на 10% рівнем енергії. Чашкові елементи, які частіше зустрічаються в електромобілях, більш схильні до локалізації вібраційних сил. Це, в свою чергу, може спричинити різке збільшення локальних напружень в акумуляторних батареях, що може призвести до їх механічного та електромеханічного руйнування [47].

Результати та обговорення

5.1. Модифікована P-діаграма для акумуляторної батареї електромобіля

P-діаграма, що показує параметри, які впливають на ідеальну вихідну потужність акумуляторної батареї електромобіля, а також можливі режими відмов, представлена на рисунку 8. Оскільки кожна інженерна система має певну ефективність і пов’язані з нею втрати енергії, кращий дизайн – це той, який може мінімізувати ці втрати енергії. Ці небажані, але невід’ємні втрати енергії повинні бути задокументовані на P-діаграмі. Тепло, що генерується під час роботи акумуляторної батареї, є типовим прикладом неминучих втрат, пов’язаних з акумуляторними батареями електромобілів.

Тому P-діаграма, показана на рисунку 8, була модифікована, щоб врахувати цю постійну втрату енергії. Модифікована P-діаграма встановлює перетворення частини хімічної та електричної енергії в тепло як невикорінне явище під час розряджання та заряджання акумуляторних батарей відповідно. Вона також визнає, що жодна реальна система не може бути ідеально ізольованою. Отже, тепловий потік і теплова взаємодія між сусідніми елементами або модулями батареї неминучі. Якщо вони знаходяться в зазначених межах, це слід сприймати як нормальну фізичну поведінку, залишаючи розробнику батареї можливість впливати на небажані побічні ефекти. Крім того, фактори шуму впорядковані відповідно до рівня їхнього впливу на продуктивність акумуляторних батарей. Діаграма дозволяє одночасно врахувати всі фактори, пов’язані з проектуванням та експлуатацією акумуляторної батареї.

5.2. Будинок якості для акумуляторних батарей електромобілів

На рисунку 9 показано матрицю HoQ, побудовану для ілюстрації важливості взаємозв’язків між кожною CN і PTR для акумуляторної батареї електромобіля. Ліва стіна або колонка “що” матриці HoQ документує “голос клієнта” або функції, які має батарея електромобіля пакет очікується, що матиме її користувач. З іншого боку, всі вимірювані технічні характеристики, визначені як важливі для задоволення зазначених ЦН, також звані “Як”, зібрані в верхній частині матриці. Важливо, що сила взаємозв’язку між “що” і “як” представлена в центральній частині матриці HoQ.

Малюнок 9 побудований з урахуванням усіх потенційних клієнтів, включаючи виробників обладнання, виробничу команду, відділ післяпродажного обслуговування, урядові відомства або політиків, техніків/механіків, водіїв та пасажирів електромобілів. Таким чином, у цій вправі кожній КН надається рівна вага. Матриця HoQ також може бути налаштована на конкретну групу клієнтів, де різні CNs ранжуються відповідно до пріоритетів клієнтів.

Точна оцінка цих взаємозв’язків має вирішальне значення для процесу розробки нового продукту. Тому, як зазначалося раніше в Розділі 3.2, репрезентативні сильні сторони, показані в цьому дослідженні, оцінюються на основі даних, отриманих з узагальнення відповідної літератури і згодом підтверджених груповим рішенням групи експертів. Символи Ο. ⊕. та Δ далі використовуються для позначення слабкої, помірної та сильної кореляції, відповідно, тоді як порожнє місце в матриці взаємозв’язку вказує на відсутність зв’язку між CN та відповідним PTR.

Очевидно, що існує декілька параметрів, а саме: розмір комірки, матеріал корпусу, батарея pack розташування в транспортному засобі, яке можна регулювати для оптимізації його продуктивності та надійності. Однак з матриці якості та попереднього обговорення видно, що дві найважливіші технічні характеристики для батареї електромобіля пакет це архітектура упаковки та система терморегулювання. Обидва ці фактори суттєво впливають на механічну та теплову модульність архітектури акумуляторної батареї, а отже, вимагають ретельної уваги на ранніх стадіях проектування.

Акумуляторні батареї створюються шляхом з’єднання декількох акумуляторних елементів у послідовно-паралельній комбінації. Як наслідок, їх можна масштабувати, просто змінюючи кількість елементів батареї, що входять до цієї комбінації. Однак, як тільки звичайна, i.e., TMS з примусовим повітряним або рідинним охолодженням інтегрована в електричний каркас акумуляторів; акумуляторний блок втрачає свою конфігурацію. Наприклад, якщо для задоволення потреб в енергії для певного застосування, більша кількість батарея Якщо необхідно додати модулі до існуючої архітектури акумуляторної батареї, або якщо кілька модулів можна видалити з неї, трубопроводи / сантехніка та допоміжне обладнання, що використовуються в існуючій системі терморегулювання батареї, будуть класифіковані як надмірно спроектовані або недостатньо спроектовані для нового застосування, і, таким чином, їх доведеться перепроектувати за процедурою, розробленою Pesaran et al. [77].

Слід нагадати, що модульні блоки, представлені в розділі 1.2 не включили повністю функціональну TMS. Хоча TMS необхідна для управління великими стрибками температури і підтримки належного теплового балансу в блоці, додаткова складність конструкції і небажане паразитне навантаження затьмарюють переваги, отримані від встановлення традиційної TMS в акумуляторному блоці електромобіля. Як результат, різні виробники йдуть різними шляхами проектування. У таблиці 6 показано, які виробники електромобілів пропонують акумуляторні батареї з рідинним охолодженням TMS у своїх електромобілях, а які – ні. Таким чином, для акумуляторної батареї вкрай важливо мати модульну TMS, щоб вона зберігала свою масштабованість і конфігурованість.

Спеціальні акумуляторні батареї

Спеціальні акумуляторні блоки розробляються і збираються відповідно до потреб вашого застосування. Незалежно від того, чи вимагають специфікації вашого проекту Li-ion (літій-іонні), NIMH (нікель-метал-гідридні) або інші хімічні батареї, National Power може спроектувати і зібрати індивідуальний акумуляторний блок, який забезпечить високу якість, відмінну продуктивність і надійність.

National Power пропонує індивідуальні акумуляторні блоки, які відповідають вашим системним вимогам і доповнюють ваш дизайн. Ми будемо працювати з вами, щоб розробити найкраще рішення для портативного живлення для вашого пристрою.

Маючи більш ніж 40-річний досвід проектування та складання акумуляторних батарей на замовлення, ми є експертами в цій галузі. Запросіть пропозицію або зв’яжіться з нами, щоб дізнатися більше про наші спеціальні акумуляторні батареї.

Чому варто обирати National Power для ваших масових потреб у спеціальних акумуляторних батареях?

У National Power ми розуміємо, що акумулятор є невід’ємною частиною вашого продукту. Якість і продуктивність акумулятора безпосередньо впливає на якість і продуктивність вашого продукту, вашу репутацію та сприйняття вашої продукції клієнтами. Вам потрібні акумуляторні батареї, які можуть забезпечити необхідну потужність для ваших пристроїв без компромісів. Ми надаємо наступні додаткові переваги для ваших потреб в індивідуальних акумуляторних батареях:

Безпечні та надійні індивідуальні варіанти

Швидкі терміни виконання та гнучке ціноутворення

Індивідуальні варіанти хімічного складу акумуляторних батарей

National Power досягає успіху у створенні акумуляторних батарей та інноваційних системних рішень. Працюючи з вашою командою проектувальників, ми приділяємо час, щоб зрозуміти ваші вимоги до продукту, надаємо варіанти і рекомендації, оскільки ми працюємо разом, щоб досягти поставлених цілей щодо термінів, вартості та продуктивності. Ми знаємо, що не всі програми однакові – витрачаючи час на повне розуміння вимог вашого проекту, ми гарантуємо, що ми робимо все правильно з першого разу, кожного разу.

Літій-іонні акумуляторні батареї на замовлення

У літій-іонних акумуляторних батареях на замовлення використовуються найсучасніші технології для виробництва безпечних і надійних високоякісних енергетичних рішень, які забезпечують тривалу продуктивність відповідно до ваших конкретних вимог. Ми можемо спроектувати і зібрати літій-іонні акумуляторні батареї на замовлення, які відповідають вашим унікальним вимогам.

Спеціальні акумуляторні батареї NIMH

Виготовлені на замовлення NIMH (нікель-метал-гідридні) акумуляторні батареї перезаряджаються, довговічні та забезпечують вищу щільність енергії, ніж нікель-кадмієві та свинцево-кислотні хімічні речовини. Акумулятори NIMH можуть бути ідеальними для портативних і стаціонарних застосувань завдяки перевагам у транспортуванні порівняно з літій-іонними та спрощеній конструкції.

Оскільки ми обслуговуємо глобальну клієнтську базу, загальновизнаний систематичний підхід до загального контролю якості та процесів має важливе значення. З цією метою в січні 2000 року компанія National Power стала одним з перших виробників акумуляторів в США, який отримав сертифікат відповідності стандартам ISO 9001 та ISO 13485 для медичного застосування.

Власні інженерні можливості для створення індивідуальних акумуляторних батарей

Завдяки власним інженерним дисциплінам, включаючи електрику, механіку, прошивку/програмне забезпечення та регуляторні норми, ми здатні обговорювати та керувати кожним аспектом вашого дизайну, включаючи повну інтеграцію у ваш продукт. National Power надасть рішення для акумуляторних батарей, які є високоефективними та відповідають вашим потребам. Наша інженерна команда доступна в режимі реального часу протягом усього процесу проектування і розробки в якості вашого партнера, оскільки ми працюємо разом для досягнення ваших цілей. Ми супроводжуємо вас від пропозиції протягом усього терміну служби вашої продукції.

Внутрішні можливості тестування для перевірки продуктивності критично важливих функцій

Ми впроваджуємо найкращі практики на всіх рівнях і використовуємо наші власні можливості тестування для підтвердження продуктивності критично важливих функцій. Ми пишаємося тим, що виробляємо мобільні енергетичні рішення, які відповідають або навіть перевершують очікування наших клієнтів.

Індивідуальні літій-іонні акумуляторні батареї

Літій-іонні акумуляторні батареї на замовлення використовують найсучасніші технології для виробництва безпечних і надійних високоякісних енергетичних рішень, які забезпечують тривалу продуктивність відповідно до ваших вимог. Літій-іонні акумуляторні батареї, щільність енергії яких експоненціально вища, ніж у інших хімічних речовин, забезпечують підвищену продуктивність для застосувань, що вимагають найкращих рішень в області електроживлення.

Протягом майже 30 років, з моменту появи літій-іонних акумуляторів на початку 1990-х років, компанія National Power розробляє та збирає літій-іонні акумуляторні батареї. Ми володіємо навичками та досвідом для створення індивідуальних літій-іонних акумуляторних батарей, які відповідають вашим вимогам до напруги, ємності та продуктивності.

Прецизійні літій-іонні акумуляторні батареї на замовлення

Щоб краще обслуговувати нашу глобальну клієнтську базу, ми використовуємо перевірений, систематичний підхід до загальної якості та контролю процесів. Ми досягаємо стандарту сертифікації ISO 9001, а також стандарту ISO 13485, сертифікованого для медичних застосувань.

У National Power ми пишаємося тим, що виробляємо рішення для відновлюваної енергії, які відповідають або перевершують очікування клієнтів.

Переваги збірки літій-іонних акумуляторних батарей на замовлення

National Power пропонує індивідуальні літій-іонні акумуляторні батареї для широкого спектру галузей промисловості та застосувань. Наша досвідчена команда використовує перевірені технології та інноваційні розробки для проектування, складання та тестування акумуляторних батарей на замовлення. Ми підтримуємо збірку літій-іонних акумуляторних батарей великих і малих обсягів для різноманітної клієнтської бази, що включає деякі з найвідоміших компаній у світі. Ось деякі з переваг роботи з National Power:

Найсучасніші технології виготовлення акумуляторів на замовлення

Знання та досвід збірки акумуляторів на замовлення

Доведене лідерство на всіх рівнях

Правильний спеціальний літій-іонний акумулятор для ВАШОГО спеціального застосування

У National Power ми досягли успіху у створенні нових літій-іонних акумуляторів акумуляторна батарея конструкцій для спеціальних OEM-додатків. Ми будемо працювати з вашою командою розробників, щоб зрозуміти деталі того, що робить ваш продукт тим, чим він є, які його вимоги до потужності і в яких умовах навколишнього середовища він буде працювати. Оскільки немає двох однакових застосувань, ми витрачаємо час, щоб повністю зрозуміти вимоги вашого проекту і гарантувати, що ми надамо індивідуальний акумуляторний блок, який зробить ваш продукт успішним.

Індивідуальні літій-іонні акумуляторні батареї власної розробки Проектування Послуги

Завдяки власним інженерним дисциплінам, включаючи електричні, механічні, програмно-апаратні засоби та регуляторні норми, ми здатні обговорювати та керувати кожним аспектом вашого проекту, включаючи повну інтеграцію у ваш продукт. National Power надасть рішення для акумуляторних батарей, які є високоефективними та відповідають вашим потребам. Наша інженерна команда доступна в режимі реального часу протягом усього процесу проектування та розробки як ваш партнер, оскільки ми працюємо разом для досягнення ваших цілей. Ми супроводжуємо вас на всіх етапах, починаючи з пропозиції і закінчуючи життєвим циклом вашої продукції.

Ми також пропонуємо нікель-метал-гідридні (NiMH) акумуляторні батареї на замовлення.

Акумуляторні батареї NIMH на замовлення

Виготовлені на замовлення NIMH (нікель-метал-гідридні) акумуляторні батареї перезаряджаються, довговічні та забезпечують вищу щільність енергії, ніж нікель-кадмієві та свинцево-кислотні хімічні речовини. Акумуляторні батареї NIMH ідеально підходять для портативних і стаціонарних застосувань, мають переваги при транспортуванні порівняно з літій-іонними та спрощену конструкцію.

У National Power ми маємо понад 40-річний досвід проектування та виробництва акумуляторних батарей NIMH на замовлення. Ми маємо навички та досвід, щоб забезпечити індивідуальний акумулятор NIMH пакет рішення, яке відповідає вашим вимогам до напруги та ємності та відповідає специфікаціям ваших акумуляторних батарей.

Для отримання додаткової інформації про наші технології виготовлення акумуляторних батарей NIMH на замовлення, зв’яжіться з нашим відділом продажів або зателефонуйте нам за номером 773-685-2662, і ми з радістю відповімо на ваші конкретні запитання. National Power – ваш надійний виробник високоякісних акумуляторних батарей NIMH на замовлення.

Переваги збірки акумуляторних батарей NIMH на замовлення

National Power надає індивідуальні акумуляторні батареї NIMH для широкого спектру галузей промисловості та застосувань. Понад 30 років наша досвідчена команда використовує перевірені технології та інноваційну інженерію для проектування, складання та тестування акумуляторних батарей NIMH акумулятор пакети. Ми підтримуємо виробництво великих і малих партій акумуляторних батарей на замовлення для різноманітної клієнтської бази, яка включає деякі з найбільш визнаних компаній у світі. Виготовлені на замовлення акумулятори NIMH мають ряд переваг:

Спрощені вимоги до транспортування

Функціонально працює в широкому діапазоні температур

Вторинна батарея

Як обговорювалося в попередньому розділі, вторинні батареї перезаряджаються і використовуються в таких продуктах, як мобільні телефони, планшети, ноутбуки, електросамокати та багато інших портативних пристроїв.

Літій-іонний (Li-Ion) акумулятор

Літій-іонна батарея, також відома як Li-ion батарея, – це акумуляторна батарея, що складається з елементів, в яких іони літію рухаються від катода до анода через електроліт під час розряду і назад під час заряджання.

Існує шість типів літій-іонних акумуляторів в залежності від активного матеріалу.

• Літій-кобальт оксид (LiCoO 2 ) – LCO
• Літій-марганцевий оксид (LiMn 2 O4) – LMO
• Літій нікель марганець кобальт оксид (LiNiMnCoO 2 ) – NMC
• Літій-залізо-фосфат (LiFePO 4) – LFP
• Літій-нікель-кобальт-алюмінієвий оксид (LiNiCoAlO 2 ) – NCA
• Титанат літію (Li 2 TiO 3 ) – LTO

Літій-іонні елементи складаються з позитивного електрода з інтеркальованої літієвої сполуки, графітового негативного електрода та електроліту – солі гексафторфосфату літію (LiPF6), розчиненої в органічному розчиннику. Як результат, літій-іонні акумулятори мають високу щільність енергії, відсутність ефекту пам’яті та низьку швидкість саморозряду.

Застосування літій-іонних акумуляторів

• Електроінструменти
• Електромобілі
• Портативні комп’ютери
• Планшети та смартфони
• Невеликі цифрові камери

Літій-іонні акумулятори можна знайти в кожному iPhone, iPad, iPod, Apple Watch, MacBook та Airpods. Apple використовує літій-іонні акумулятори, тому що вони набагато кращі за інші типи для своїх продуктів.

Переваги та недоліки літій-іонних (Li-Ion) акумуляторів

Переваги: Високий рівень щільності енергії, легка вага, менше обслуговування, низький рівень саморозряду

Недоліки: Можуть бути пошкоджені через перегрів і високу напругу

Поради щодо проектування літій-іонних (Li-Ion) акумуляторів

• Коли використовувати: Якщо є вимога високої щільності енергії і високого розрядного струму.
• Коли не можна використовувати: У разі недорогих перевезень необхідна перевірка на відповідність вимогам.

Літій-полімерний (LiPo) акумулятор

Матеріали електродів такі ж, як і в літій-іонних акумуляторах, але в якості електроліту використовується гелевий полімер з високою провідністю, що забезпечує рух іонів між електродами. Крім того, цей полімерний електроліт може вивести батарею з ладу через перегрів під час заряджання і розряджання.

Застосування літій-полімерних акумуляторів

• Ноутбуки
• Таблетки
• Смартфони
• легкі електромобілі
• літак

Переваги та недоліки літій-полімерних (LiPo) акумуляторів

Переваги: Порівняно безпечніші, ніж Li-Ion акумулятори, високий рівень щільності енергії, менше обслуговування, фактори, пов’язані з тонкою та гнучкою формою.

Недоліки: Дорогі, небезпечні при витоку або проколі.

Поради з проектування літій-полімерних акумуляторів

• Коли використовувати: Якщо є вимога до високої щільності енергії і низької швидкості саморозряду.
• Коли не слід використовувати: Не підходять для низькотемпературних застосувань.

Нікель-кадмієві (NiCad) акумулятори

Нікель-кадмієві батареї – це батареї вторинного типу, які зазвичай містять анод з гідроксиду кадмію, катод з оксиду-гідроксиду нікелю та електроліт з гідроксиду калію між обома електродами.

Застосування нікель-кадмієвих акумуляторів

Переваги нікель-кадмієвих акумуляторів: швидка зарядка, тривалий термін зберігання, більший цикл заряду і розряду.

Недоліки нікель-кадмієвих акумуляторів: Дорогий, небезпечний при перезаряджанні, кадмій не є екологічно чистим.

Поради щодо дизайну для NiCad

• У разі потреби в дешевших акумуляторах.
• Якщо потрібен довший термін служби при багаторазовому заряджанні та розряджанні
• Не використовуйте, якщо умови перезарядки не визначені.

Нікель-метал-гідридний (NiMH) акумулятор

Склад вторинної нікель-метал-гідридної (NiMH) батареї складається з позитивного електрода з оксиду-гідроксиду нікелю та негативного електрода зі сплаву, що поглинає водень. Електроди не з’єднані з електролітом гідроксиду калію.

Критерії вибору батареї

Не існує єдиної конструкції батареї, яка б ідеально підходила для кожного застосування. Вибір потребує компромісу. Ось чому дуже важливо розставити пріоритети у вашому списку вимог. Визначте, які параметри повинні бути обов’язковими, а якими можна пожертвувати. Ось деякі ключові параметри, які слід враховувати на ранніх стадіях розробки продукту.

Акумуляторна або одноразова батарея

Цей параметр стосується одноразового або багаторазового використання. Наприклад, акумуляторна батарея використовується в датчиках на основі мемів, іграшках, розумних годинниках, кардіостимуляторах і ліхтариках. У той же час, акумуляторна батарея використовується в ноутбуках, мобільних телефонах та електромобілях для забезпечення постійного живлення.

Доступність місця

Акумулятори мають різні розміри і форми, як зазначено вище. Однак типовими розмірами первинних та вторинних батарей/елементів є АА, ААА та 9В, які підходять для портативних гаджетів.

Напруга батареї

Як зазначено в таблиці специфікацій, цей параметр описується як номінальна або вихідна напруга акумулятора.

Робоча температура

Температура також впливає на продуктивність акумулятора. Батареї з рідким електролітом не можуть працювати при температурі нижче 0°C, оскільки їхній електроліт може замерзнути. Аналогічно, літієві батареї можуть працювати до.40°C, але з низькою продуктивністю. Ідеальний температурний діапазон для цих батарей – від 20°C до 40°C.

Ємність батареї

Ємність акумулятора виражається у ват-годинах (Вт-год), які показують кількість енергії (Вт), що передається за певний проміжок часу. Залежить від температури, швидкості розряду та значення напруги відсічення. Наприклад, батарея з напругою 12 В і ємністю 1 Ач має загальну ємність 12 Вт-год, тоді як вона може видавати 1 Ампер протягом однієї години, або 100 мА протягом 10 годин, або 10 мА протягом 100 годин, що називається швидкістю розряду. Значення напруги відсікання – це точка, в якій акумулятор вважається повністю розрядженим, і подальший розряд може бути шкідливим.

Хімічний склад

Характеристики акумулятора завжди залежать від його хімічного складу, як описано вище.

Вартість акумулятора

Батарея вважається однією з найдорожчих частин будь-якого пристрою. Тому розробник продукту повинен вибирати її відповідно до вашого бюджету та потреб застосування.

Термін придатності

Термін придатності також має важливе значення при виборі акумулятора, оскільки він визначає, як довго акумулятор може зберігатися невикористаним.

Тематичне дослідження: Батарейка Bro і неможливе

Battery Bro та Impossible Ebike працювали разом, щоб знайти правильну комбінацію літій-іонних елементів та акумуляторів для свого нового захоплюючого проекту. Проект The Impossible bike зібрав понад 300 000 на Kickstarter з метою створення приміського електричного велосипеда, який може поміститися в сумці.

Спеціальний акумулятор 18650 для Impossible мав кілька унікальних викликів, таких як:

• Належний захист акумуляторів у колесі від вібрації та проколів.
• Розуміння впливу обертання літій-іонних акумуляторів.
• Максимізація ємності в обмеженому просторі.
• Мінімізація витрат наскільки це можливо.

Щоб дізнатися більше про те, як вирішити ці проблеми, перейдіть до Кроку 2.

Крок 2. Вирішення проблеми та конфігурація

Після того, як ми заповнимо специфікацію для вашої літієвої батареї пакувати ми можемо перейти до наступного кроку, який стосується наступного дизайну та більш технічних моментів:

Глосарій

Конфігурація. Конфігурація акумуляторної батареї включає в себе як кількість елементів, так і те, як вони розташовані – послідовно чи паралельно, або в комбінації обох конфігурацій.

• Серійний. Підвищує напругу
• Паралельний. Збільшує ємність
• Послідовний / паралельний. Комбінація обох форматів

Вибір одного з цих трьох загальних типів конфігурації визначається необхідними технічними характеристиками, описаними вище, зокрема, вимогами до напруги та ємності. A 12v 18650 батарея збірка дуже поширена.

Поширені формати конфігурації акумуляторних батарей:

• B Формат. наскрізний
• Формат C. пліч-о-пліч
• Формат BC. комбінація форматів B і C
• Стандартний. Пліч-о-пліч, з’єднані між собою за допомогою паяних міток
• Кластерний формат. Форма багатокутника, з’єднані між собою за допомогою паяних міток
• Гніздовий формат. У шаховому порядку, з’єднані між собою за допомогою паяних міток

Вибір між форматами акумуляторних батарей 18650 визначається тим, який загальний тип акумуляторної батареї вам потрібен, а також іншими обмеженнями, встановленими специфікацією, особливо форм-фактором. Деякі формати економлять місце, наприклад, вкладений формат. Інші, такі як стандарт кластерного формату, краще розсіюють тепло.

Вибір елемента. Поєднуючи технічні характеристики, які ми перерахували вище на першому кроці, ми можемо визначити найкращий вибір елементів для вашого акумулятора. Зазвичай ми пропонуємо два або три варіанти, що відповідають різним параметрам продуктивності та вартості. Наразі ми обираємо виробника літієвих батарей – LG, Samsung або Panasonic.

• Зазвичай ми використовуємо елементи Panasonic для акумуляторних батарей для електровелосипедів, електромобілів та інших застосувань, які вимагають високої ємності.
• Ми використовуємо елементи LG і Samsung, як правило, для додатків, які вимагають високої максимальної ємності. безперервний струм розряду (високий вихідний струм).
• Важливо завжди використовувати однакові елементи (батарея настільки сильна, наскільки сильний її найслабший елемент).
• При створенні акумуляторної батареї 18650 важливо поєднувати елементи Rank A і Rank B разом.

BMS (система управління акумулятором). BMS для спеціальних акумуляторних батарей – це друкована плата (PCB), яка керує акумуляторною батареєю, щоб підтримувати цілісність батареї пакет система в своїй безпечна робоча зона. BMS також може бути використана для автоматизації та оптимізації процесів всередині системи, покращуючи продуктивність літієвих акумуляторних батарей. Управління може включати наступні функції:

• Моніторинг Запис

• Напруга, температура, SOC, SOH, витрата теплоносія, струм і т.д.
• Зберігається в пам’яті

• Надмірний струм, низька напруга, температура, тиск, коротке замикання тощо.
• Можливість управління навколишнім середовищем у зворотному зв’язку з моніторами

• Метрики обчислень

• CCL, DCL, кулонівський лічильник, тривалість циклу, загальна енергія з моменту першого використання

• Послідовний, прямий, BUS
• Бездротовий зв’язок, такий як Bluetooth, аудіокоди тощо.

• Балансування розряду заряду в кожній комірці
• Модульна зарядка або перемішування енергії

Більшість систем BMS добре стандартизовані і не потребують кастомізації. Схему BMS можна вибрати на основі напруги та функцій, що вимагаються раніше складеним технічним завданням. Унікальна BMS не потрібна для застосувань у розвинених галузях промисловості, таких як індивідуальні акумуляторні блоки для електровелосипедів, світлодіодних систем освітлення, електроінструментів тощо.

BMS і можна придбати у такого авторитетного виробника, як Texas Instruments.

Розумний зарядний пристрій. Як зробити зарядний пристрій Smart? Ви вставляєте в нього мікрочіп і встановлюєте зв’язок між ним і BMS (системою управління акумулятором). Це дає BMS ще одну сферу контролю, для якої вона може підвищити безпеку та продуктивність.

• Інтелектуальні акумуляторні системи (SBS) – це інтелектуальні зарядні пристрої з визначеним з’єднанням SMBus, які використовуються в ноутбуках.

Особливі вимоги. На цьому етапі проектування індивідуального літієвого акумуляторного блоку можуть з’явитися більш специфічні вимоги, особливо щодо таких речей, як BMS або формат конфігурації. Важливо звернути увагу на будь-які нові міркування, що виникають.

Літій-іонний акумулятор для ноутбука, який зазвичай має конфігурацію 3s2p.

Літій-іонний акумулятор Tesla Model S складається з понад 7000 окремих елементів 18650.

Крок 3. Ціна нестандартних акумуляторних блоків

Ціна на створення індивідуальних акумуляторних батарей залежить від багатьох змінних і завжди розраховується індивідуально для кожного проекту. Витрати визначаються за рахунок:

• Вартість комірки
• Спеціальні матеріали або компоненти, унікальні характеристики
• Вимоги до контролю якості
• Випробування та сертифікація
• Упаковка, доставка, митниця

Крок 4. Створення зразка акумулятора 18650

Після того, як ви складете специфікацію, визначитеся з технічними характеристиками і точно знатимете, скільки коштуватиме виробництво, створюється зразок. Випробування зразка проводиться на власному виробництві і відправляється до вас додому, де б ви не знаходилися.

Зразки та дизайн повторюються до тих пір, поки продукт не буде завершений. Виробництво може розпочатися в будь-який час після завершення проектування та підписання попереднього рахунку-фактури,