Bij het ontwerpen van batterijpakketten kan de keuze tussen serie en parallel een aanzienlijke impact hebben op de prestaties, veiligheid en levensduur van de batterij. Het ontwerp van het batterijpakket is complex en delicaat en vereist diepgaande kennis van enkele belangrijke technische kwesties. In dit artikel worden de technische uitdagingen in serie- en parallelontwerp van batterijen besproken vanuit tien aspecten, zoals batterijconsistentie, spannings- en stroomvereffening en ontwerp van thermisch beheersysteem.
1. De batterij is inconsistent
Batterijconsistentie verwijst naar de gelijkenis van elke batterij-eenheid in termen van capaciteit, spanning, interne weerstand, ontladingscurve, enz. Verschillen in batterijprestaties kunnen problemen veroorzaken in serie- of parallelle batterijpakketten. Bijvoorbeeld, in een serieconfiguratie wordt de algehele prestatie van het batterijpakket beïnvloed door de slechtste cel; in een parallelle configuratie kunnen prestatieverschillen leiden tot ongelijkmatige stroomverdeling, wat de levensduur en efficiëntie van de gehele batterijset beïnvloedt.
Probleem:In de serieschakeling kan, als één batterij bijna leeg is, het hele batterijpakket niet volledig ontladen worden. Dit leidt tot energieverspilling en een lager rendement. In de parallelschakeling is de stroombelasting van verschillende batterijen verschillend, wat kan leiden tot plaatselijke oververhitting en prestatievermindering van de batterijen.
Oplossing:
Batterijscreening:In het productieproces moet zeer nauwkeurige testapparatuur worden gebruikt om elke batterij-eenheid strikt te screenen om een hoge mate van consistentie van parameters zoals capaciteit, spanning en interne weerstand te garanderen. Veelvoorkomende screeningmethoden zijn onder meer OCV-test (open circuit voltage), interne weerstandstest en capaciteitstest. Deze tests pikken effectief inferieure batterijen eruit en voorkomen dat inconsistente batterijcellen samen worden geassembleerd.
Ontwerp van balanceringscircuit:Integreer actieve of passieve balanceringscircuits in het batterijbeheersysteem (BMS). Het actieve egalisatiecircuit kan elektriciteit overdragen via schakelinductie of -capaciteit om energieherverdeling in het batterijpakket te realiseren. Passieve egalisatie past de batterijspanning aan door overtollige energie te verbruiken. Actieve balancering is complex maar efficiënt, geschikt voor batterijpakketten met een grote capaciteit, en passieve balancering is geschikt voor kleine en middelgrote batterijpakketten.
2. Balanceer spanning en stroom
Bij seriebatterijen is het probleem van spanningsvereffening de sleutel om uniform laden en ontladen van elke cel te garanderen. Een batterijpakket zonder spanningsvereffeningscircuit zal een deel van de batterij overladen of onderladen, wat de levensduur van het hele batterijpakket zal beïnvloeden. Het parallelle batterijpakket heeft te maken met het probleem van stroombalans en het verschil in interne weerstand leidt tot ongelijkmatige stroomverdeling, wat ertoe kan leiden dat sommige batterijen een grotere stroombelasting moeten dragen.
Specifieke problemen:Serie-accupakketten met een ongelijke spanning kunnen ertoe leiden dat accu's overladen en beschadigd raken, of dat ze tijdens het ontladen vroegtijdig leeglopen. De onevenwichtige stroom van het parallelle accupakket versnelt de veroudering van de accu-eenheid en verkort de levensduur van de accu.
Oplossing:
Actief balanceringscircuit:Door de combinatie van inductoren, condensatoren en controlechips, intelligente vermogensoverdracht, om efficiënte spanningsbalans te bereiken. Deze methode kan effectief het interne verbruik van de batterij verminderen en de laad- en ontlaadefficiëntie van het hele batterijpakket verbeteren. Veelvoorkomende balanceringsmethoden zijn onder meer vliegende capaciteitsbalans en schakelende inductantiebalans. U moet een geschikte oplossing selecteren op basis van het batterijtoepassingsscenario.
Passief equalisatiecircuit:Door de weerstand om het overtollige vermogen van de hoogspanningsbatterij te verbruiken. Deze methode is eenvoudig, goedkoop, maar heeft een lage efficiëntie en warmtegeneratie, geschikt voor een evenwichtige behandeling van kleine batterijpakketten. Tijdens het ontwerp moet aandacht worden besteed aan de vermogens- en warmteafvoerprestaties van de weerstand om lokale oververhitting tijdens het egalisatieproces te voorkomen.
3. Ontwerp van het thermisch beheersysteem
De batterij genereert veel warmte tijdens het werk, vooral wanneer de grote stroomontlading duidelijker is. Als de warmte niet effectief wordt verdeeld, zal de batterijtemperatuur geleidelijk toenemen, wat resulteert in verminderde batterijprestaties, een kortere levensduur en zelfs het risico op thermische runaway.
Specifieke problemen:Ongelijke temperaturen kunnen ertoe leiden dat sommige accu's oververhit raken, wat leidt tot een verhoogde interne weerstand, ontleding van de elektrolyt en andere problemen. Het kan zelfs leiden tot brand in de accu.
Oplossing:
Materialen met thermische geleidbaarheid en ontwerp voor warmteafvoer:Bij het ontwerp van het batterijpakket kunnen materialen met een hoge thermische geleidbaarheid worden toegevoegd, zoals warmteafvoerplaten van aluminiumlegering, thermische siliconen pads, enz., die de door de batterijeenheid gegenereerde warmte snel kunnen afvoeren. Optimaliseer de luchtstroomkanalen in het batterijpakket om de warmteafvoer door natuurlijke convectie of door ventilatoren geforceerde convectie te verbeteren. Voor toepassingen met een hoog vermogen kan warmteafvoer door vloeistofkoeling worden overwogen en is de warmteafvoerefficiëntie hoger door warmte te absorberen door circulerend koelmiddel.
Temperatuurbewaking en actieve koeling:Een temperatuursensor is geïntegreerd in het BMS om de temperatuur van elke cel in realtime te bewaken. Als de temperatuur te hoog is, vermindert het systeem automatisch de belasting of past het warmteafvoerschema aan. Tegelijkertijd kan het intelligente koelsysteem automatisch de ventilator of het vloeistofkoelsysteem starten op basis van de temperatuurstatus van de batterij om batterijstoringen door oververhitting te voorkomen.
4. Structureel ontwerp van het batterijpakket
Het structurele ontwerp van het batterijpakket moet niet alleen de stabiliteit van de batterij-eenheid garanderen, maar ook het gemak van elektrische aansluiting, warmteafvoer en onderhoud optimaliseren. Een onredelijk structureel ontwerp zal leiden tot slecht batterijcontact, trillingsschade en zelfs kortsluiting en andere problemen.
Specifieke problemen: Een onredelijke structuur kan ervoor zorgen dat de batterij losraakt, slijt en de interne contactweerstand toeneemt, wat kan leiden tot plaatselijke opwarming en prestatievermindering.
Oplossing:
Modulair ontwerp:Het modulaire ontwerp van het batterijpakket maakt het mogelijk om een enkele batterijmodule onafhankelijk te verpakken en eenvoudig aan te sluiten, en de beschadigde module kan snel worden vervangen om het onderhoudsgemak van het batterijpakket te verbeteren. Het ontwerp van de seismische structuur wordt tussen modules toegepast om de invloed van externe kracht op de batterij-eenheid te verminderen.
Beschermende materialen en ontwerpverbetering:Gebruik schokabsorberend schuim, rubberen pads en andere materialen om de batterijmodule te omwikkelen om externe schokken en stoten te verminderen. De behuizingsmaterialen moeten brandwerend, waterdicht, corrosiebestendig en zeer sterk zijn, zoals aluminiumlegering, roestvrij staal of technische kunststoffen, en ventilatiegaten en koellichamen moeten zo zijn ontworpen dat ze het thermische beheer optimaliseren.
5. Batterijbeheersysteem (BMS)
Het BMS (Battery Management System) is het controlecentrum van het batterijpakket, dat verantwoordelijk is voor realtime monitoring en beheer van de parameters van het vermogen, de spanning, de stroom en de temperatuur van de batterij. De functies van BMS omvatten batterijbalancering, foutdiagnose, laad- en ontlaadcontrole, enz. De prestaties bepalen de algehele veiligheid en efficiëntie van het batterijpakket.
Specifieke problemen: Als het BMS niet goed is ontworpen, wordt de abnormale toestand mogelijk niet op tijd gedetecteerd, wat kan leiden tot problemen zoals overladen, overontladen of oververhitting van de accu.
Oplossing:
Zeer nauwkeurige bewakingssensoren: Zeer nauwkeurige spannings-, stroom- en temperatuursensoren zijn ingebouwd in het BMS, die de statusparameters van de batterij nauwkeurig kunnen detecteren en deze in realtime naar de BMS-regeleenheid kunnen verzenden. De regeleenheid analyseert het laad- en ontlaadgedrag van de batterij en past de balans aan via ingebouwde algoritmen om de veiligheid van het systeem te garanderen.
Intelligente algoritmen en data-analyse: Geavanceerde algoritmen voor batterijbeheer, zoals neurale netwerken, machine learning en andere technologieën, worden gebruikt om de gebruiksgegevens van de batterij te analyseren om de gezondheidsstatus en resterende levensduur van de batterij te voorspellen. Op basis van de resultaten van de algoritme-analyse optimaliseert BMS actief de laad- en ontlaadstrategie om de levensduur van de batterij te maximaliseren.
6. Ontwerp van het batterijbeschermingscircuit
Het batterijbeveiligingscircuit is een belangrijke veiligheidsmaatregel om overspanning, onderspanning, kortsluiting en overstroom van het batterijpakket te voorkomen. Als het batterijpakket geen geschikt beveiligingscircuit heeft, kan dit in extreme gevallen gemakkelijk gevaar opleveren en in ernstige gevallen brand of explosie veroorzaken.
Specifieke problemen: Het ontbrekende of slecht ontworpen beschermingscircuit kan ervoor zorgen dat de batterij beschadigd raakt tijdens het opladen en ontladen, of dat de stroom niet wordt onderbroken bij een kortsluiting.
Oplossing:
Meervoudig beschermingsmechanisme: Ontwerp en integreer meerdere beschermingscircuits, waaronder overspanningsbeveiliging, onderspanningsbeveiliging, overstroombeveiliging, kortsluitbeveiliging, enz. Elk beschermingscircuit is ontworpen om onafhankelijk van het BMS te werken, waardoor de batterij wordt beschermd in het geval van een masterstoring. Overstroombeveiliging kan bijvoorbeeld worden ontworpen door de combinatie van MOS-buis en snelle zekering om een onmiddellijke stroomuitvalfunctie te bereiken.
Tweerichtingsbescherming en isolatieontwerp: Het tweerichtingsbeschermingscircuitontwerp kan gelijktijdig het laad- en ontlaadproces van de batterij bewaken om te voorkomen dat de batterij wordt beïnvloed door afwijkingen aan de lader- en laadzijde. Het isolatiecircuit tussen batterijpakketten is ontworpen om de terugstroom van stroom tussen batterijcellen te voorkomen en de algehele elektrische veiligheid te verbeteren.
7. Efficiëntie en energieverlies
Het energieverlies in serie-parallel batterijontwerp komt voornamelijk van de interne weerstand, de weerstand van de connector en het stroomverbruik van het BMS en het beschermingscircuit. Bij hoge stroomsterkte zullen deze verliezen verder toenemen, wat direct de algehele efficiëntie en duurzaamheid van het batterijpakket vermindert.
Specifieke problemen: Een lage efficiëntie leidt tot een kortere levensduur van de batterij, wat van invloed is op de daadwerkelijke gebruikservaring van het apparaat. Bovendien leidt langdurig energieverlies tot een hogere temperatuur van de batterij.
Oplossing:
Geoptimaliseerde verbindingsmaterialen: Gebruik verbindingsmaterialen met lage weerstand en hoge geleidbaarheid, zoals koperfolie, vertinde koperstrip of aluminiumlegeringstrip. Optimaliseer het lasproces door middel van laserlassen, ultrasoon lassen en andere geavanceerde technologieën om de snelheid en lage weerstand van het verbindingspunt te garanderen en het verlies van elektrische energie op het verbindingspunt te verminderen.
Verbeterde BMS-energie-efficiëntie: BMS moet worden ontworpen met energie-efficiëntie-optimalisatie in gedachten om onnodig stroomverbruik te voorkomen. Verminder het energieverbruik van het BMS zelf door het gebruik van low-power chips en slimme slaapstanden. Energieherstelmodules kunnen ook worden toegevoegd aan het BMS om de overtollige energie in het batterijpakket te herstellen en opnieuw te gebruiken om de algehele energie-efficiëntie te verbeteren.
8. Veiligheid en betrouwbaarheid
Batterijpakketten moeten omgaan met een verscheidenheid aan zware omstandigheden zoals trillingen, impact en hoge temperaturen in het werkelijke gebruik, en het ontwerp van batterijen met betrekking tot veiligheid en betrouwbaarheid is cruciaal. Het falen van één batterij kan problemen veroorzaken met het hele batterijpakket, wat kan leiden tot apparatuurstoringen en zelfs de veiligheid van de gebruiker in gevaar kan brengen.
Specifieke problemen: Als er één eenheid in de batterij uitvalt, kan dit zich uitbreiden, wat kan leiden tot een algehele uitval van de batterij of een veiligheidsongeval.
Oplossing:
Meerlaagse bescherming en redundant ontwerp: Bij het ontwerpen van batterijpakketten moet rekening worden gehouden met meerlaagse bescherming, zoals het toevoegen van veiligheidscomponenten zoals brandscheidingen en explosieveilige kleppen aan het structurele ontwerp. Het redundante ontwerp zorgt ervoor dat de rest van de batterij goed blijft werken wanneer sommige eenheden uitvallen, waardoor de algehele veiligheid wordt verbeterd.
Strenge tests en certificeringen: accupakketten moeten vóór de productie strenge tests ondergaan om te bepalen of ze geschikt zijn voor de omgeving, zoals trillingstests, valtests, thermische cyclustests, enz. Door middel van UL-, CE-, UN38.3- en andere internationale certificeringen wordt gegarandeerd dat de accu voldoet aan de internationale veiligheidsnormen, wat het vertrouwen van de gebruiker vergroot.
9. Dynamische responsfuncties
Batterijpakketten moeten snel reageren op veranderingen in de belasting om de stabiliteit van het apparaat te garanderen. Een batterijpakket met een langzame dynamische respons zal onstabiele werking van het apparaat en aanzienlijke spanningsschommelingen veroorzaken, wat de gebruikerservaring beïnvloedt.
Specifieke problemen: Een onvoldoende reactie van de batterij kan ervoor zorgen dat het apparaat sneller en langzamer gaat werken, of dat er spanningsval optreedt wanneer de belasting drastisch verandert.
Oplossing:
Selectie van batterij met hoge snelheid: Selecteer batterijcellen met hoge snelheid met uitstekende dynamische responskarakteristieken, die de output snel kunnen aanpassen wanneer de belasting snel verandert. Gecombineerd met het snelle responsalgoritme van BMS kunnen de dynamische outputkarakteristieken van de batterij verder worden geoptimaliseerd.
Inductantiefilter en capaciteitscompensatie: Het inductantiefilter en capaciteitscompensatienetwerk zijn ontworpen aan de uitgang van het batterijpakket om spanningsschommelingen te verminderen en het dynamische responsvermogen van de batterij te verbeteren. Dit ontwerp beperkt spanningsschommelingen en zorgt voor een stabiele werking van de apparatuur bij hoge belastingvariaties.
10. Verbindingstechnologie en materiaalkeuze
Het verbindingsgedeelte van de batterij moet uitstekende elektrische en thermische prestaties leveren. Slechte verbinding leidt tot verhoogde weerstand, contactverhitting en zelfs smelten, wat in ernstige gevallen tot batterijstoringen kan leiden.
Specifieke problemen: Onjuiste verbindingsmaterialen of een slecht proces kunnen de weerstand van de accu verhogen, waardoor plaatselijke oververhitting ontstaat, wat energieverlies en veiligheidsrisico's met zich meebrengt.
Oplossing:
Selecteer hoogwaardige connectoren en lastechnologieën: Lasmethoden zoals laserlassen of ultrasoon lassen worden vaak gebruikt bij batterijpakketverbindingen. Deze methoden zorgen voor een lage weerstand en hoge mechanische sterkte op de verbindingsplaats en voorkomen slecht contact door trillingen of temperatuurveranderingen.
Gebruik hittebestendige isolatiematerialen: De verbindingsdelen in het batterijpakket moeten worden omwikkeld met hittebestendige en slijtvaste isolatiematerialen, zoals hittebestendige tape en met Teflon geïsoleerde buizen. Deze materialen kunnen effectief kortsluiting of lekkage bij de verbinding voorkomen en de veiligheid en levensduur van het batterijpakket verbeteren.