Основы элемента
Основы элемента
Словарь, без которого не прочитать технический паспорт.
Цилиндрический литий-ионный элемент диаметром около 18 мм и длиной 65 мм — самый распространённый по объёму оснастки формат в отрасли.
Название отражает размеры: 18 мм в диаметре, 65 мм в длину, завершающий ноль обозначает цилиндрическую форму. Держатели, никелевая лента, оснастка для точечной сварки и инструмент для сборки стандартизированы под 18 мм, поэтому 18650 остаётся выбором по умолчанию там, где конструкции не нужен дополнительный объём 21700. Серийные модели дают примерно от 2,000 до 3,500 mAh, ток непрерывного разряда — от 8 A у энергетических вариантов до 36 A у силовых.
Полная статья: Элемент 18650 в проектировании сборки →
См. также:
Элемент 21700, Режим C, Форм-фактор
Цилиндрический литий-ионный элемент диаметром около 21 мм и длиной 70 мм, который даёт примерно на 50% больше объёма, чем 18650.
Дополнительный объём относительно 18650 расходуется либо на ёмкость при сопоставимом токе, либо на ток при сопоставимой ёмкости. На практике это означает меньше параллельных цепочек при заданной ёмкости сборки, меньше сварных соединений и более простую BMS. Это также единственный цилиндрический формат, в котором 5,000 mAh и 60 A тока непрерывного разряда сегодня совмещаются в одном изделии. Компромисс тепловой: высокотоковые варианты предполагают, что сборка удерживает поверхность элемента ниже 80 °C.
Полная статья: Элемент 21700 в проектировании сборки →
См. также:
Элемент 18650, Температурная отсечка, Форм-фактор
Механический габарит элемента — цилиндрический, призматический или ламинарный — который определяет плотность компоновки и способ межэлементного соединения.
Цилиндрические элементы — это стальные корпуса со стандартизированными размерами и отработанными методами сварки. Призматические элементы — прямоугольные алюминиевые или стальные корпуса, которые плотнее укладываются в блок. Ламинарные элементы из многослойной плёнки дают наибольшую объёмную эффективность, но требуют внешнего сжатия в сборке. Выбор обычно определяется геометрией корпуса и имеющейся оснасткой, а не только электрическими параметрами.
Полная статья: Форм-фактор в проектировании сборки →
См. также:
Элемент 18650, Элемент 21700
Ток заряда или разряда, выраженный как кратность номинальной ёмкости элемента, чтобы элементы разного размера можно было сравнивать в одной шкале.
Элемент на 3,000 mAh при разряде током 3 A работает в режиме 1 C; при 30 A — в режиме 10 C. Тот же ток для элемента на 5,000 mAh создаёт совсем другую нагрузку. Поэтому сравнивать форматы следует по режиму C, а не по амперам. По той же причине заявленный ресурс в циклах ничего не значит без указания режима C, при котором его измеряли: цикл при 0.5 C и цикл при 3 C старят элемент с очень разной скоростью.
Полная статья: Режим C в проектировании сборки →
См. также:
Ёмкость, Ресурс в циклах, Глубина разряда (DoD)
Заряд, который элемент отдаёт между предельным напряжением заряда и напряжением отсечки разряда, выраженный в ампер-часах или миллиампер-часах.
В техническом паспорте (datasheet) обычно приводят два значения: типичную и минимальную ёмкость. Проектировать по типичному значению — значит проектировать по величине, которую изготовитель не гарантирует. Ёмкость зависит также от тока и температуры: элемент с 3,000 mAh при 0.2 C отдаст заметно меньше при 10 A и ещё меньше при низкой температуре. Единственный надёжный исходный параметр — минимальное значение при том токе, на котором изделие действительно будет работать.
Полная статья: Ёмкость в проектировании сборки →
См. также:
Режим C, Плотность энергии
Энергия, запасённая в единице объёма (Wh/L) или в единице массы (Wh/kg); эти величины определяют, насколько крупной и тяжёлой должна быть сборка.
Объёмная плотность становится ограничением при фиксированных габаритах корпуса, удельная — когда сборку нужно носить или поднимать. Элемент может быть силён по одной величине и зауряден по другой. Плотность энергии нужно читать вместе с током разряда: значение, указанное при 0.2 C, не описывает, что элемент отдаёт при 10 C, где просадка напряжения забирает полезную энергию раньше, чем ёмкость исчерпана.
Полная статья: Плотность энергии в проектировании сборки →
См. также:
Ёмкость, Внутреннее сопротивление
Сопротивление протеканию тока внутри элемента, измеряемое как импеданс на переменном токе при заданной частоте и состоянии заряда либо как сопротивление постоянному току на импульсе.
Импеданс определяет просадку напряжения под нагрузкой и то, какая часть ёмкости остаётся полезной до достижения напряжения отсечки. Это также параметр, который сильнее всего меняется с возрастом: элемент, уверенно проходящий токовую спецификацию в новом состоянии, может выйти из неё на середине ресурса. Значения на переменном и постоянном токе не взаимозаменяемы, а значение на постоянном токе бессмысленно без длительности импульса и состояния заряда, при которых оно получено.
Полная статья: Внутреннее сопротивление в проектировании сборки →
См. также:
Состояние здоровья (SoH), Режим C
Температура поверхности элемента, при которой заявленный изготовителем ток разряда или заряда перестаёт действовать; у высокотоковых цилиндрических элементов это обычно 80 °C или 83 °C.
Значение тока непрерывного разряда — это условное утверждение, а не абсолютное. Заявленные 60 A, которые действуют лишь пока сборка удерживает поверхность элемента ниже 80 °C, нельзя использовать в герметичном корпусе без теплового пути. Если изготовитель указывает условие, оно должно стоять рядом с числом; вычёркивать его, чтобы таблица сравнения выглядела аккуратно, — это путь к сборкам, построенным на недостижимых значениях.
Полная статья: Температурная отсечка в проектировании сборки →
См. также:
Режим C, Тепловой разгон
Химия
Химия
Из чего сделан элемент и что даёт или стоит этот выбор.
Химия катода литий-ионного элемента на основе никеля, марганца и кобальта, доминирующая в цилиндрических силовых элементах и в большинстве тяговых сборок.
Соотношения меняются: составы с высоким содержанием никеля повышают плотность энергии, марганец добавляет термической стабильности, кобальт поддерживает токовые возможности и ресурс в циклах. Большинство высокотоковых цилиндрических элементов, включая семейства Samsung INR, Molicel INR и LG INR, — это NMC с высоким содержанием никеля. В некоторые варианты в анод из графита добавляют кремний или оксид кремния для прироста ёмкости, поэтому элемент может обозначаться как NMC-Si.
Полная статья: NMC (литий-никель-марганец-кобальтовый оксид) в проектировании сборки →
См. также:
NCA (литий-никель-кобальт-алюминиевый оксид), LFP (литий-железо-фосфат)
Химия катода с высоким содержанием никеля, где стабилизирующим элементом служит алюминий; связана с высокой плотностью энергии в цилиндрических элементах.
NCA — химия, лежащая в основе цилиндрических семейств Panasonic NCR и NCA. Она даёт высокую удельную энергию, поэтому применяется в элементах, оптимизированных по ёмкости, а не по предельному току разряда. Как и любая химия с высоким содержанием никеля, она требует, чтобы сборка корректно управляла диапазонами напряжения и температуры, а не рассчитывала на снисходительность самой химии.
Полная статья: NCA (литий-никель-кобальт-алюминиевый оксид) в проектировании сборки →
См. также:
NMC (литий-никель-марганец-кобальтовый оксид), LFP (литий-железо-фосфат)
Химия катода литий-ионного элемента на основе фосфата железа, где плотность энергии принесена в жертву термической стабильности и большому ресурсу в циклах.
Номинальное напряжение элементов LFP близко к 3.2 V против примерно 3.6 V у NMC и NCA, а плотность энергии ниже и по объёму, и по массе. Взамен они дают существенно более пологую и безопасную тепловую картину и ресурс в циклах, подходящий для стационарного хранения. Поэтому LFP доминирует в бытовых и коммерческих накопителях энергии, тогда как химии с высоким содержанием никеля — в тяге и портативном питании, где ограничивают объём и масса.
Полная статья: LFP (литий-железо-фосфат) в проектировании сборки →
См. также:
NMC (литий-никель-марганец-кобальтовый оксид), NCA (литий-никель-кобальт-алюминиевый оксид)
Конструкция сборки
Конструкция сборки
От отдельного элемента к собранной аккумуляторной сборке.
Электроника, которая контролирует напряжения элементов, ток и температуру и отключает сборку, когда любой из этих параметров выходит за пределы, заданные изготовителем.
Для незащищённых промышленных элементов BMS не является опцией. Она обеспечивает предельное напряжение заряда, отсечку разряда, пределы тока и температурный диапазон, а также решает, когда прекратить заряд из-за расбалансировки одной группы элементов относительно остальных. Существенная спецификация — не список функций, а соответствие порогов тому элементу, который реально установлен: BMS, настроенная под другую химию или другой диапазон напряжения, либо отключится слишком рано, либо не защитит.
Полная статья: BMS (система управления батареей) в проектировании сборки →
См. также:
Балансировка элементов, Глубина разряда (DoD)
Выравнивание состояния заряда элементов, соединённых последовательно, за счёт рассеивания избытка заряда наиболее заряженных элементов или переноса заряда между ними.
Элементы в последовательной цепочке видят один и тот же ток, но расходятся, потому что не идентичны. Без балансировки сборка ограничена своей слабейшей группой: BMS должна прекратить заряд, когда самый заряженный элемент полон, и прекратить разряд, когда самый разряженный пуст, поэтому полезная ёмкость сжимается до уровня самого слабого элемента, а не среднего. Пассивная балансировка сбрасывает энергию с заряженных элементов, активная переносит её, требуя больше аппаратуры.
Полная статья: Балансировка элементов в проектировании сборки →
См. также:
BMS (система управления батареей), Состояние заряда (SoC)
Способ соединения элементов для получения требуемого напряжения (последовательно, обозначается S) и требуемой ёмкости или токовой способности (параллельно, обозначается P).
Сборка 4S2P содержит четыре группы последовательно, по два элемента в каждой: номинальное напряжение вчетверо больше напряжения элемента, ёмкость вдвое больше ёмкости элемента, токовая способность примерно удвоена. Последовательным цепочкам нужна балансировка, параллельным группам — элементы, подобранные по ёмкости, импедансу и состоянию заряда. Схему обычно определяют напряжение нагрузки и требуемое время работы, и она задаёт число каналов BMS.
Полная статья: Последовательно-параллельная схема в проектировании сборки →
См. также:
Балансировка элементов, BMS (система управления батареей)
Присоединение элементов к токоведущим шинам контактной или лазерной сваркой вместо пайки — принятый метод сборки цилиндрических элементов.
Пайка прямо на корпус элемента вносит тепло в герметичный узел, не рассчитанный на него, а соединение трудно делать воспроизводимым в серийном производстве. Контактная и лазерная сварка выполняют соединение за миллисекунды с контролируемой зоной термического влияния. Сварное соединение — тоже электрический компонент: плохой контакт добавляет сопротивление, вызывает локальный нагрев и часто становится причиной того, что сборка проходит испытания и отказывает в эксплуатации.
Полная статья: Сварка межэлементных соединений в проектировании сборки →
См. также:
Последовательно-параллельная схема, Внутреннее сопротивление
Ресурс и старение
Ресурс и старение
Как элементы стареют и какие цифры описывают это честно.
Число циклов заряда и разряда, которое элемент выдерживает до того, как его ёмкость опускается ниже заданной доли исходного значения, обычно 80%.
Значение ресурса в циклах сопоставимо с другим только при совпадении тока заряда, тока разряда, глубины разряда и температуры. Это самая часто искажаемая величина в закупке аккумуляторов: заявление, измеренное при 0.5 C и глубине разряда 20%, несопоставимо с измеренным при 1 C и 90%. Запрашивайте условия испытания до сравнения предложений и считайте любое значение без условий рекламой.
Полная статья: Ресурс в циклах в проектировании сборки →
См. также:
Глубина разряда (DoD), Режим C
Доля ёмкости элемента, снятая за один разряд, выраженная в процентах.
Глубина разряда и ресурс в циклах связаны обратно: мелкие циклы стоят гораздо меньшего старения за цикл, чем глубокие. Сборка, работающая при глубине разряда 20%, пройдёт значительно больше циклов, чем та же сборка при 90%, поэтому гарантийные условия для накопителей пишут с указанием глубины разряда. Отсюда же следует, что число циклов само по себе не является сопоставимой единицей ресурса; ближе к ней — энергия, пропущенная за весь ресурс.
Полная статья: Глубина разряда (DoD) в проектировании сборки →
См. также:
Ресурс в циклах, Состояние заряда (SoC)
Остаточный заряд элемента в данный момент, выраженный в процентах от его текущей полезной ёмкости.
SoC — относительная величина, поэтому она зависит от ёмкости, относительно которой измеряется, а эта ёмкость падает с возрастом элемента. Она также не измеряется напрямую: её оценивают по напряжению, интегрированию тока и температуре, и оценка дрейфует между точками отсчёта при полном заряде. Пиковая мощность сильно зависит от SoC, поэтому мощностные характеристики высокотоковых элементов указывают при заданном SoC.
Полная статья: Состояние заряда (SoC) в проектировании сборки →
См. также:
Глубина разряда (DoD), Состояние здоровья (SoH)
Текущее состояние элемента, выраженное в процентах от его исходных возможностей — обычно ёмкости, иногда сопротивления.
SoH — величина, определяющая, пригодна ли сборка для своей задачи. SoH по ёмкости показывает, сколько энергии элемент держит; SoH по сопротивлению — насколько хорошо он ещё отдаёт ток. Элемент может пройти испытание ёмкости и всё же не подойти для мощностной задачи, потому что вырос его импеданс. Поэтому рост импеданса в циклах важен не меньше самого числа циклов.
Полная статья: Состояние здоровья (SoH) в проектировании сборки →
См. также:
Внутреннее сопротивление, Ресурс в циклах
Старение, происходящее со временем, а не от работы, и вызванное главным образом температурой и состоянием заряда при хранении.
Элемент, который никогда не циклируют, всё равно стареет. Хранение при высокой температуре и высоком состоянии заряда ускоряет старение, прохладное хранение при умеренном SoC его замедляет. В стационарных накопителях и резервных системах, где сборка может большую часть ресурса стоять почти заряженной, календарное старение может преобладать над циклическим. Поэтому гарантийные условия для хранения указывают и число циклов, и календарный срок.
Полная статья: Календарное старение в проектировании сборки →
См. также:
Состояние заряда (SoC), Ресурс в циклах
Безопасность и соответствие
Безопасность и соответствие
Перевозка, безопасность и что на самом деле покрывают документы.
Регламент транспортных испытаний, который литиевые элементы и батареи должны пройти до перевозки воздушным или морским транспортом; включает восемь испытаний, в том числе на высоту, тепловое воздействие, вибрацию, удар и внешнее короткое замыкание.
UN38.3 относится к перевозке, а не к безопасности изделия при эксплуатации. Покупатель обычно получает не полный лабораторный отчёт, а сводку испытаний, и именно её запрашивает перевозчик или экспедитор. Сводка привязана к модели, поэтому документ на одну модель не покрывает родственную модель, добавленную в номенклатуру позже.
Полная статья: UN38.3 в проектировании сборки →
См. также:
IEC 62133, MSDS / SDS
Международный стандарт безопасности герметичных портативных вторичных литиевых элементов и батарей, часть 2 которого охватывает литиевые системы.
IEC 62133 — ориентир для портативных применений: устройств, инструментов, приборов. Если конечное применение промышленное или стационарное, а не портативное, применимым обычно становится IEC 62619. Оба стандарта привязаны к модели: сертификат перечисляет то, что покрывает, и проверка состоит в том, есть ли приобретаемая модель в этом перечне.
Полная статья: IEC 62133 в проектировании сборки →
См. также:
IEC 62619, UN38.3
Международный стандарт безопасности вторичных литиевых элементов и батарей для промышленного применения, включая стационарное хранение энергии.
Если сборка идёт в систему накопления энергии, источник бесперебойного питания или стационарное промышленное оборудование, применимым обычно является IEC 62619, а не IEC 62133. Он рассматривает отказы, характерные для крупных стационарных установок, в том числе распространение теплового разгона между элементами. Как и в любом сертификате, значение имеет перечень покрытия, а не сам факт наличия сертификата.
Полная статья: IEC 62619 в проектировании сборки →
См. также:
IEC 62133, Тепловой разгон
Североамериканский стандарт для литиевых элементов; сборки батарей, собранные из них, охватывает UL 2054.
Признание оформляется под номером дела, в котором перечислены покрытые модели. Поэтому полезный вопрос — не наличие у поставщика сертификата UL, а присутствие конкретной приобретаемой модели в этом деле. Наличие у поставщика дела UL и включение данного элемента в это дело — не одно и то же утверждение.
Полная статья: UL 1642 в проектировании сборки →
См. также:
IEC 62133, UN38.3
Самоподдерживающийся процесс внутреннего нагрева, при котором элемент выделяет тепло быстрее, чем успевает его отводить, что приводит к сбросу давления, возгоранию или распространению на соседние элементы.
Тепловой разгон запускается внутренним коротким замыканием, перезарядом, механическим повреждением или внешним теплом, и после начала его нельзя остановить отключением тока. Ответ на уровне конструкции многослоен: предотвратить причины корректно настроенной BMS, предотвратить распространение тепловыми барьерами или зазорами между элементами, управлять последствиями через пути сброса давления и конструкцию корпуса. Выбор химии здесь важен, и это одна из причин, по которой LFP предпочитают для стационарного хранения.
Полная статья: Тепловой разгон в проектировании сборки →
См. также:
BMS (система управления батареей), IEC 62619
Паспорт безопасности, описывающий химические опасности элемента, требования к обращению с ним и действия при пожаре, утечке или воздействии.
SDS сопровождает отгрузку и требуется складу, перевозчику и пожарной службе. Документ должен соответствовать фактической конфигурации перевозки: элементы, батареи и батареи, установленные в оборудовании, классифицируются по-разному, и документация различается соответственно. SDS, описывающий другую конфигурацию, хуже отсутствия документа, потому что направляет спасателя по неверной процедуре.
Полная статья: MSDS / SDS в проектировании сборки →
См. также:
UN38.3, Тепловой разгон
