Проектирование литий-ионной аккумуляторной батареи

Хотите спроектировать и изготовить литий-ионную батарею? Например, для вашего вилочного погрузчика, электроштабелера или самоходной тележки. Специалисты инжиниринговой компании «Комплекс КАД» рассказывают, как это сделать.

Немного о литий-ионной технологии

Литий-ионные аккумуляторы компактны, долго служат, не нуждаются в обслуживании. У них минимальный саморазряд, даже когда система остается в состоянии покоя. По сравнению со свинцово-кислотными аккумуляторами они саморазряжаются в десятки раз медленнее.

Следовательно, для периодически используемых систем они становятся выбором номер один. Кроме того, плотность энергии в литий-ионных аккумуляторов 3-10 раз больше, чем у свинцово кислотных (в зависимости от химического состава ячеек). Это значит, что при равных габаритах они способны питать технику значительно дольше и лучше подходят для электромобилей, вилочных погрузчиков или иных транспортных средств.

Типоразмеры аккумуляторных элементов

В качестве ячеек литий-ионных батарей используют литий-ионные элементы, которые бывают разных типоразмеров. Например, массово распространены цилиндрические «банки» 18650 (размер 18 x 65 мм). При своих габаритах они вмещают достаточно энергии для питания популярных девайсов: фонариков, беспроводных колонок, вейпов и т.п.

Емкость таких элементов может достигать до 3500 мАч. В зависимости от химсостава напряжение составляет 3,7–4,2 В. Они вполне подходят для сборки литиевых батарей, которые питают устройства с высоким энергопотреблением: беспроводные пылесосы, шуруповерты, радиоуправляемые игрушки, электровелосипеды, электросамокаты и даже электромобили.

Поскольку аккумуляторные элементы стандарта 18650 применяют повсеместно, то их выбор по характеристикам и химическому составу очень широкий.

На втором месте по востребованности находятся цилиндрические элементы типоразмера 21700. Их предпочитают производители некоторой портативной техники по причине увеличенной емкости, которая может достигнуть 5000 мА·ч. Сегодня ячейки 21700 актуальны для использования в средствах персональной мобильности и электрических транспортных средствах.

Аккумуляторные сборки

Аккумуляторные элементы поштучно используют только в небольших девайсах. Если нужно более высокое напряжение и емкость, то необходимо создавать сборки из соединенных между собой ячеек. Параллельное соединение суммирует емкость, а последовательное – напряжение. На выходе можно получить аккумуляторную батарею с нужными параметрами, кратными характеристикам штучного элемента питания.

Рассмотрим пример со следующими параметрами:

Номинальная емкость* (СН), А‧ч	≤48
Номинальное напряжение, В	24

В качестве элементов питания возьмем довольно крупные и емкие аккумуляторные элементы 32700 LiFePO4, 3,2В, 6А/ч. Для заданных параметров нам необходимо 64 штуки, соединенные по 8 последовательно и по 8 параллельно.

Однако для зарядки и безопасной работы сборки необходимо установить BMS плату. Она приставляет собой электронную систему управления, которая контролирует работу аккумуляторной батареи. В первую очередь – напряжение в процессе заряда и разряда, что важно для безопасности.

Дополнительно BMS может отслеживать температуру ячеек, число циклов заряда-разряда, сопротивление. В процессе зарядки она распределяет токи между элементами, а в процессе разрядки – контролирует ток разряда. Платы BMS также способны защитить от короткого замыкания, перегрева, переохлаждения, чрезмерного заряда или глубокого разряда, перегрузки по току. Некоторые модели защитных плат умеют записывать данные о работе аккумуляторной батареи, которые затем передают на компьютер или смартфон для анализа.

Исходя из полученной аккумуляторной сборки выбираем BMS плату.

Выбранные аккумуляторы 32700 являются высотоковыми поэтому выбирает следующую плату:

Плата BMS Daly LiFePO4 8S100A 24V 100A

Схема в конечном итоге будет выглядеть следующим образом:

Для соединения аккумуляторов используем соединители.

В итоге получаем 2 аккумуляторные сборки

Для соединения аккумуляторных сборок друг с другом разрабатываем алюминиевые пластины.

Сборки выглядят следующим образом.

К алюминиевым пластинам аккумуляторы присоединяются никелевой лентой, пластины крепятся саморезами к держателям батарей.

Далее нам необходимо разработать корпус, в который мы поместим нашу сборку.

Собираем все остальные части нашей проектируемой батареи.

Вставляем между сборками изоляционную пластину.
Скрепляем их с помощью шины.
Подсоединяем BMS плату (балансировочные провода с помощью пайки).
Изолируем всю сборку с помощью термоусадки.
Помещаем в спроектированный корпус и подсоединяем провода к крышке.
В конце заклеиваем крышку.

Данная аккумуляторная батарея спроектирована инженерами-электриками компании «Комплекс КАД. В состав конструкторских работ входил подбор материалов и покупных изделий, разработка 3D-модели и рабочей конструкторской документации.