Основы проектирования сборки: последовательно, параллельно, подбор и защита

Аккумуляторная сборка — это набор элементов, соединённых последовательно для получения напряжения и параллельно для получения ёмкости, плюс механическая и электронная структура, которая удерживает каждый элемент в заданном окне. В принципе ничего сложного здесь нет; на практике почти всё не прощает ошибок.

Арифметика и почему важен порядок

Округление — проектное решение: округление последовательных вниз теряет напряжение, округление параллельных вниз теряет ёмкость и повышает ток на элемент.

Число последовательных элементов задаёт окно напряжения, поэтому из него следуют пороги защиты BMS: 13S при 4.2 V на элемент — это 54.6 V в заряженном состоянии, а отсечка по низкому напряжению — 13 умножить на выбранный вами нижний предел на элемент. Число параллельных ветвей задаёт ток, который видит каждый элемент, — то самое число, от которого зависит, выдержит ли выбранный элемент шаг 2 методики выбора.

Что BMS обязан делать, а что может

У системы управления батареей (BMS) есть небольшой набор обязательных функций и более широкий набор необязательных. Смешение этих групп даёт сборки, которые защищают элемент, но не умеют о нём сообщать, — или сборки, которые прекрасно отчитываются и отключаются слишком поздно.

Разделение на защиту (безопасность) и управление (удобство) — рабочая граница при выборе BMS.

Один структурный момент: BMS защищает сборку, а не каждый элемент. В параллельной группе все элементы имеют одно напряжение, и группа защищается как единое целое. Элемент, замкнувшийся внутри группы, для BMS невидим, пока не изменится поведение группы, — поэтому в конструкциях с большим числом параллельных ветвей предохранители и контроль качества элементов важнее изощрённости BMS.

Подбор до сборки

Элементы в последовательной цепочке несут одинаковый ток. Если у одного ёмкость ниже или импеданс выше, он первым дойдёт до отсечки, и вся цепочка остановится раньше; пользователь получает сборку, потерявшую ёмкость, тогда как большинство её элементов ещё здоровы. Подбор решает это до того, как проблема начнётся.

• Группировка по измеренной ёмкости, обычно в пределах нескольких процентов.
• Группировка по импедансу, жёстче для токовых сборок.
• Группировка по напряжению холостого хода: так отсеиваются элементы с другим состоянием заряда.
• По возможности одна партия на цепочку; смешивание партий возвращает тот разброс, который вы только что убрали.
• Записывайте результат группировки, чтобы возвращённую сборку можно было проследить до вошедших в неё элементов.

Соединения: то, что определяет надёжность

Элемент обычно самый надёжный компонент сборки; отказы концентрируются в соединениях. Основных методов три:

• Точечная сварка никелевой ленты — быстро, стандартно, чувствительно к состоянию электродов и давлению. Непроваренная точка выглядит нормально и отказывает позже.
• Лазерная сварка — выше капитальные затраты, стабильнее результат, обычный выбор для крупносерийных цилиндрических сборок.
• Разварка проволокой — применяется там, где нужен предохранитель на каждый элемент; каждая проволока работает как предохранитель.

Пайка прямо на корпус элемента — недопустимый производственный метод. Необходимое тепло повреждает герметизацию и внутренние соединения, а отказ проявляется через месяцы как течь или соединение с высоким сопротивлением — не на стенде, где он возник.

Механическая и тепловая структура

• Элементы должны быть зафиксированы так, чтобы не двигаться при вибрации, но не сжаты настолько, чтобы корпус деформировался.
• Выводы должны быть отделены от всего проводящего: свободная никелевая лента внутри сборки — это короткое замыкание в ожидании толчка.
• Тепловой путь нужно проектировать, а не наследовать от корпуса. Средние элементы в массиве греются сильнее.
• Ремонтопригодность важна: сборку, которую нельзя открыть, заменят, а не отремонтируют, и это меняет экономику гарантии.

Типичные отказы по частоте

1. Разбаланс из-за неподобранных элементов — проявляется как потеря ёмкости.
2. Отказ сварки или соединителя — проявляется как разрыв цепочки или горячее соединение.
3. Попадание влаги — проявляется как коррозия и со временем короткое замыкание.
4. Порог BMS выставлен вне окна элемента — проявляется либо ложными отключениями, либо отсутствием защиты.
5. Тепловой расчёт отсутствует — проявляется снижением тока или ранней потерей ёмкости в середине сборки.

Порядок сборки, который снимает большую часть этих отказов

Подберите элементы и запишите результат. Соберите механический носитель. Сварите, затем осмотрите сварные точки, прежде чем идти дальше. Установите жгут измерения и сверьте напряжение каждой группы с мультиметром. Подключайте BMS последней, при известном состоянии заряда сборки. Занесите партию, группировку и измеренные значения в запись по серийному номеру. Именно эта запись делает возможным разговор о гарантии через год.

Questions this guide does not answer in passing