Как выбрать литий-ионный элемент для аккумуляторной сборки

Выбор элемента ломается в предсказуемом порядке. Сначала кто-то берёт артикул, который уже применял. Потом сборку проектируют под габариты этого элемента. И только в конце проверяют, отдаёт ли элемент ток, нужный нагрузке, и выясняют, что не отдаёт — или отдаёт, но лишь пока элемент остаётся ниже температуры, которой корпус никогда не достигает. Порядок ниже выполняет те же проверки в обратном порядке, и он выдерживает встречу с прототипом.

Шаг 1 — Записать нагрузку, а не элемент

Четыре числа решают почти всё дальнейшее, и ни одного из них нет в дистрибьюторском каталоге:

• Пиковый ток и его длительность (импульс 60 A на две секунды — это другое требование, чем 60 A на две минуты).
• Непрерывный ток — величина, на которой сборка проведёт большую часть ресурса, а не цифра со страницы продукта.
• Рабочий цикл — как часто нагрузка возвращается и какую долю этого времени сборка действительно работает.
• Требуемое время работы или энергия в конце ресурса, а не в начале.

Если четыре числа не записаны до составления шортлиста, шортлист — догадка. На практике непрерывный ток и время работы тянут в разные стороны, и вся работа по выбору сводится к решению, сколько одного обменять на другое.

Шаг 2 — Перевести режим работы в ток на элемент

Элемент всегда получает только свою долю тока сборки. Эту долю задаёт число параллельных ветвей, поэтому расчёт делается до сравнения элементов:

Число последовательных элементов задаёт напряжение, число параллельных — ток, который видит каждый элемент. И то, и другое определяется компоновкой не меньше, чем электрическими требованиями.

Первая строка заслуживает внимания. Сборка, которая выглядит как проект на 30 A, — это проект на 7.5 A на элемент, и средний 21700 с паспортным током 9.8 A непрерывного разряда закрывает это с запасом. Выбор элемента на 60 A для такой сборки не даёт ничего, кроме цены и меньшей ёмкости в том же типоразмере.

Шаг 3 — Проверить отсечку по температуре, прежде чем доверять паспортному току

Величина тока непрерывного разряда действительна только пока элемент остаётся в пределах температуры, при которой производитель его измерял, — обычно 80 °C или 83 °C температуры поверхности для мощных цилиндрических элементов. Это число — свойство не элемента самого по себе, а элемента вместе с путём отвода тепла.

Здесь ломается большинство первых прототипов. Элемент с паспортным током 35 A на свободном воздухе при 25 °C окружающей среды не отдаст 35 A в герметичном корпусе без продува: он раньше дойдёт до отсечки, и сборка либо снизит ток, либо будет работать горячее, чем предполагал расчёт. Если корпус не может гарантировать условие, снижайте ток, пока не сможет, и вписывайте снижение в спецификацию, а не оставляйте его допущением.

Шаг 4 — Проверить импеданс, затем проверить его в конце ресурса

Импеданс определяет, сколько напряжения сборка теряет под нагрузкой, и он растёт с возрастом. Два элемента одинаковой ёмкости могут различаться по DCIR в два раза, и элемент с большим импедансом при том же токе раньше дойдёт до отсечки по низкому напряжению — для пользователя это выглядит как потеря ёмкости.

Эту арифметику стоит один раз посчитать вручную. Элемент с DCIR 25 mΩ при токе 7.5 A теряет 188 mV. Тринадцать последовательно — 2.4 V на всю сборку. Если сборка отсекается при 3.0 V на элемент, эта просадка съедает заметную часть рабочего окна задолго до того, как элементы опустеют. К середине ресурса, когда импеданс вырос в полтора раза, тот же ток съедает ещё в полтора раза больше.

Импеданс переменному току на 1 kHz (ACIR) — та величина, которую публикует большинство технических паспортов (datasheet), потому что её быстро измерять. DCIR под импульсом тока ближе к тому, что сборка испытывает в действительности. Если есть оба, проектируйте по DCIR; если есть только ACIR, считайте его нижней границей, а не расчётным значением.

Шаг 5 — Согласовать приём заряда с рабочим циклом

Ток заряда — то ограничение, о котором забывают до первой рекламации. Сборке, которая должна быть готова через час, нужен элемент, у которого максимальный ток заряда это обеспечивает: при 5,000 mAh заряд 1 C — это 5 A, а 5 C — 25 A, и эта разница решает, пригоден ли продукт для работы в смену.

Стандартный и максимальный заряд — отдельные колонки не случайно. Стандартный — тот, при котором измеряли ресурс в циклах; постоянная работа на максимальном сокращает ресурс, и паспорт обычно говорит об этом в сноске, а не в заголовке. Заряд ниже 0 °C — отдельный запрет: большинство элементов требуют пониженного тока или не допускают заряда вовсе, и сборка без зарядного устройства, учитывающего температуру, тихо это нарушает.

Шаг 6 — Подтвердить габариты, вывод и способ сварки

Механические ограничения отсекают больше кандидатов, чем электрические. Максимальные диаметр и высота, тип вывода (плоский, выступающий, с лепестком) и способ соединения должны быть определены до того, как шортлист станет окончательным:

• Цилиндрические элементы требуют точечной или лазерной сварки соединителя. Пайка прямо на корпус элемента — недопустимый производственный метод: тепло повреждает герметизацию и внутренние соединения.
• Геометрия держателей различается у номинально одинаковых типоразмеров; держатель под элемент 65.0 mm может не принять элемент 65.2 mm.
• Если в сборке используется пластиковый носитель, проверяйте максимальный диаметр элемента вместе с оболочкой, а не голого корпуса.

Шаг 7 — Запросить документацию до коммерческого предложения

Вопрос о документации — критерий выбора, а не бумажная формальность. Запрашивайте сводку испытаний UN 38.3, паспорт безопасности, соответствующий конфигурации отгрузки, и номера сертификатов со списком моделей, которые они покрывают. Поставщик, который не может их предъявить, этим сообщает кое-что и об остальной части ответа.

На этом сайте каждая спецификация несёт своё происхождение: значения из технического паспорта (datasheet) производителя помечены как проверенные, PDF приложен; модели без паспорта в архиве помечены как ожидающие проверки. На этом шаге различие важно: модель, ожидающая проверки, может быть правильным элементом, но вы проектируете по неподтверждённой величине, и знать об этом стоит до первого прототипа, а не после.

Где этот порядок перестаёт работать

Порядок выше предполагает более или менее непрерывную нагрузку и тепловую среду, которую вы контролируете. Три случая ломают это допущение, и каждый требует другого подхода:

• Очень короткие и очень большие импульсы (сотни ампер на миллисекунды): важны импульсная способность и импеданс, а не ток непрерывного разряда, и тепловая масса соединителя значит не меньше, чем элемент.
• Сильный холод: ниже 0 °C приём заряда падает, а рабочая ёмкость снижается заметно раньше. Выбор нужно начинать с требования по холоду, а не с паспорта при комнатной температуре.
• Ответственные и регулируемые изделия: стандарт, которому должен соответствовать продукт (IEC 62133-2 для портативных, IEC 62619 для промышленных), ограничивает выбор элемента раньше, чем начинает работать вся арифметика выше.

Если приложение попадает в один из трёх случаев, пройдите тот же порядок, но начинайте с граничного условия, а не с профиля нагрузки — остальная методика не меняется.

Questions this guide does not answer in passing