3,7 V λιθίου-Μπαταρίες πολυμερών ιόντων: μηχανική, φόρτιση, ασφάλεια και προσαρμοσμένες λύσεις

Εισαγωγή

Η επιλογή μιας μπαταρίας LiPo 3,7 V ξεκινά με τον μηχανικό χώρο και το προφίλ φορτίου του προϊόντος-όχι απλώς έναν στόχο χωρητικότητας.

Αυτά τα κύτταρα χρησιμοποιούνται ευρέως επειδή συνδυάζουν χαμηλό βάρος, συμπαγή συσκευασία και ευέλικτους παράγοντες μορφής. Ωστόσο, μια μπαταρία που ταιριάζει στο περίβλημα μπορεί να εξακολουθεί να έχει χαμηλή απόδοση εάν η τάση φόρτισης, η βαθμολογία C-, οι ρυθμίσεις προστασίας, το εύρος θερμοκρασίας ή η διαδρομή πιστοποίησης είναι λάθος.

Αυτός ο οδηγός εξηγεί τις μηχανικές παραμέτρους που έχουν μεγαλύτερη σημασία-από τη δομή κυψέλης και τη φόρτιση CC/CV έως την ικανότητα εκφόρτισης, την προστασία PCM/BMS, την αποθήκευση, την ασφάλεια και τις προσαρμοσμένες επιλογές OEM-ώστε να μπορείτε να επιλέξετε ή να καθορίσετε τη σωστή λύση LiPo 3,7 V νωρίτερα στον κύκλο σχεδίασης.

1. Τι είναι μια μπαταρία πολυμερών ιόντων λιθίου 3,7V-;

A Μπαταρία πολυμερών ιόντων λιθίου 3,7vείναι μια επαναφορτιζόμενη μπαταρία λιθίου ενσωματωμένη σε μια εύκαμπτη πλαστικοποιημένη θήκη αλουμινίου.

Καλείται επίσης κοινώς α3,7v lipo cell, μπαταρία μονής-κυψέλης, ή1S μπαταρία πολυμερούς λιθίου.

Τα κύτταρα LiPo χρησιμοποιούν μια ελαφριά δομή θήκης. Αυτό δίνει στους σχεδιαστές προϊόντων πολύ περισσότερη ελευθερία όταν εργάζονται με λεπτά, κυρτά ή{1}}περιβλήματα περιορισμένου χώρου [1].

Χημεία και Αρχή Εργασίας

Μέσα αμονοκύτταρο λιπο, η μπαταρία τυπικά συνδυάζει ένα οξείδιο κοβαλτίου λιθίου (LCO), νικέλιο κοβάλτιο μαγγανίου (NMC) ή τριμερές υλικό καθόδου με μια παρεμβαλλόμενη άνοδο γραφίτη [1].

Κατά τη διάρκεια της φόρτισης και της εκφόρτισης, τα ιόντα λιθίου μετακινούνται μεταξύ της καθόδου και της ανόδου μέσω του ηλεκτρολύτη.

Οι βασικές παράμετροι τάσης περιλαμβάνουν:

• Ονομαστική τάση: 3,7V

Αυτή είναι η μέση τάση λειτουργίας μιας τυπικής κυψέλης πολυμερούς λιθίου υπό κανονικές συνθήκες εκφόρτισης [1].

• Μέγιστη Τάση Φόρτισης: 4,20V

Μια τυπική μπαταρία LiPo 3,7 V φορτίζεται κανονικά στα 4,20 V.

• Υψηλή-Παραλλαγές τάσης: 3,8V / 3,85V

ΠροχωρημένοςΥψηλής-τάσης lipo (LiHV)Τα κύτταρα μπορούν να φορτιστούν στα 4,35 V ή 4,40 V. Αυτά τα σχέδια χρησιμοποιούνται όταν απαιτείται υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα εντός του ίδιου μηχανικού αποτυπώματος [2].

2. Τεχνική σύγκριση: μπαταρίες ιόντων λιθίου- έναντι μπαταριών πολυμερών λιθίου

Οι μηχανικοί συχνά συγκρίνουν κύτταρα πολυμερούς λιθίου-τύπου σακούλας με κυλινδρικά κύτταρα ιόντων λιθίου- όπως18650και21700μορφές [3].

Και οι δύο τεχνολογίες χρησιμοποιούν χημεία ιόντων λιθίου-, αλλά η μηχανική τους κατασκευή δημιουργεί σημαντικές διαφορές.

Για πολλά φορητά προϊόντα, η απόφαση εξαρτάται από τον μηχανικό σχεδιασμό.

Εάν το περίβλημα έχει μια σταθερή κυλινδρική θήκη μπαταρίας, μια 18650 ή 21700 μπορεί να είναι η καλύτερη επιλογή.

Εάν ο διαθέσιμος χώρος είναι λεπτός, ακανόνιστος, καμπύλος ή ιδιαίτερα προσαρμοσμένος, αΜπαταρία πολυμερούς ιόντων λιθίου 3,7 Vσυνήθως δίνει στην ομάδα σχεδιασμού μεγαλύτερη ευελιξία.

3. Πρωτόκολλο φόρτισης παραθύρων τάσης και CC/CV

 

A μονοκύτταρη μπαταρία λιθίου 3,7Vδεν πρέπει να συνδέεται απευθείας σε σταθερό τροφοδοτικό DC.

Απαιτεί ένα ελεγχόμενοΠροφίλ φόρτισης CC/CV, δηλαδή φόρτιση σταθερού ρεύματος / σταθερής τάσης [3], [5].

Αυτή η μέθοδος φόρτισης είναι τυπική για κυψέλες ιόντων-λιθίου και πολυμερών λιθίου.

 

4. Κατανόηση των καμπυλών αξιολόγησης και εκφόρτισης C-

ΟΓ-αξιολόγησηπεριγράφει το ρεύμα φόρτισης ή εκφόρτισης σε σχέση με την ονομαστική χωρητικότητα της μπαταρίας.

Ο βασικός υπολογισμός είναι:

Τρέχον (A)=Χωρητικότητα (Ah) × C-Τιμή

Για παράδειγμα:

Μια μπαταρία 1000mAh είναι ίση με 1Ah.

Στο 1C:

1Ah × 1C=1A

Στους 5 C:

1Ah × 5C=5A

Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η βαθμολογία C-έχει τόσο μεγάλη σημασία όταν επιλέγετε έναΜπαταρία 3,7v lipoγια διαφορετικές εφαρμογές.

► Χαμηλή-Συσκευές αποστράγγισης και αναμονής: 0,2C–1C

Αυτό το εύρος είναι κοινό για προϊόντα που δίνουν προτεραιότητα στον χρόνο εκτέλεσης και τη διάρκεια ζωής του κύκλου έναντι του ρεύματος αιχμής.

Οι τυπικές εφαρμογές περιλαμβάνουν:

• Αισθητήρες IoT
• Έξυπνα φορητά
• Ιατρικές συσκευές παρακολούθησης
• Συσκευές Bluetooth
• Συστήματα παρακολούθησης-χαμηλής ισχύος

Για αυτά τα προϊόντα, η σταθερή εκφόρτιση και η χαμηλή αυτο-αποφόρτιση είναι συνήθως πιο σημαντικές από την έξοδο ακραίου ρεύματος.

► Συνεχής Μέτρια Εκφόρτιση: 2C–5C

Αυτή η σειρά είναι πιο κατάλληλη για συσκευές με μέτρια ζήτηση ενέργειας.

Οι τυπικές εφαρμογές περιλαμβάνουν:

• Τερματικά κινητών POS
• Βιομηχανικοί σαρωτές χειρός
• Πομποί ραδιοσυχνοτήτων
• Φορητά ηλεκτρονικά
• Μικροί κινητήρες και ενεργοποιητές

Η μπαταρία πρέπει να διατηρεί σταθερή τάση ενώ παρέχει υψηλότερο συνεχές ρεύμα.

► Πακέτα LiPo Υψηλής-Ρυθμού: 15C–30C+ Burst

Πακέτα LiPo υψηλής-επιλογήςέχουν σχεδιαστεί για εφαρμογές που χρειάζονται πολύ υψηλό ρεύμα αιχμής.

Τυπικά παραδείγματα περιλαμβάνουν:

• Πολυκόπτερα
• Εμπορικά drones
• Ρομποτική
• Εξοπλισμός RC
• Δυναμικοί σερβοενεργοποιητές
• Φορητά συστήματα-υψηλής ισχύος

Αυτές οι εφαρμογές ενδέχεται να απαιτούν απόδοση εκκένωσης ριπής 15C, 20C, 25C, 30C ή υψηλότερη.

Η επιλογή της σωστής βαθμολογίας C-είναι κρίσιμη.

Μια μπαταρία με ανεπαρκή ικανότητα εκφόρτισης μπορεί να παρουσιάσει υπερβολική πτώση τάσης, παραγωγή θερμότητας, χαμηλό χρόνο λειτουργίας ή μειωμένη διάρκεια ζωής.

 

 

5. Προστασία μπαταρίας: Γιατί το PCM και το BMS είναι υποχρεωτικά

Οι μπαταρίες λιθίου απαιτούν ελεγχόμενες συνθήκες λειτουργίας.

Υπερφόρτιση, υπερβολική-εκφόρτιση, βραχυκυκλώματα, υπερβολικό ρεύμα και μη φυσιολογικές θερμοκρασίες μπορούν όλα να δημιουργήσουν κινδύνους για την ασφάλεια.

Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο πολλά σχέδια μπαταριών ενσωματώνουν αΜονάδα κυκλώματος προστασίας (PCM)ήΣύστημα διαχείρισης μπαταριών (BMS).

Για εφαρμογές φορητών μπαταριών λιθίου, η αξιολόγηση ασφάλειας μπορεί επίσης να περιλαμβάνει πρότυπα όπως π.χIEC 62133 [4], [7].

Τυπική Δομή Προστασίας LiPo 3,7 V

 

► Προστασία από υπερφόρτιση

Το PCM αποσυνδέει τη διαδρομή φόρτισης εάν η τάση του στοιχείου αυξηθεί πάνω από το καθορισμένο όριο προστασίας υπερφόρτισης.

Μπορεί να υπάρχει ένα τυπικό εύρος προστασίας4.25V–4.30V [4].

Αυτό βοηθά στην αποτροπή της παραμονής της μπαταρίας σε μη ασφαλή τάση φόρτισης.

 

► Πάνω από-Προστασία εκφόρτισης

Το κύκλωμα προστασίας αποσυνδέει το φορτίο όταν η τάση του στοιχείου πέσει κάτω από το καθορισμένο επίπεδο αποκοπής.

Μπορεί να υπάρχει ένα τυπικό εύρος2.40V–2.50V [4].

Αυτό βοηθά στη μείωση του κινδύνου βλάβης από βαθιά εκκένωση.

 

► Προστασία βραχυκυκλώματος & υπερέντασης

Οι διακόπτες MOSFET γρήγορης-ενεργοποίησης μπορούν να αποσυνδέσουν την μπαταρία όταν το ρεύμα υπερβεί το σχεδιασμένο όριο.

Αυτό προστατεύει την κυψέλη και τα συνδεδεμένα ηλεκτρονικά κατά τη διάρκεια:

• Εξωτερικά βραχυκυκλώματα
• Συνθήκες ακινητοποίησης κινητήρα
• Υπερβολικό ρεύμα φορτίου
• Βλάβες καλωδίωσης
• Μη φυσιολογικές αιχμές ρεύματος

Για εφαρμογές υψηλής-τρέχουσας, οι ρυθμίσεις PCM πρέπει να αντιστοιχούν τόσο στην κυψέλη της μπαταρίας όσο και στο πραγματικό προφίλ φορτίου.

 

► Θερμική διαχείριση με θερμίστορ NTC

ΕναΘερμίστορ NTCμπορεί να προστεθεί για την παρακολούθηση της θερμοκρασίας της μπαταρίας.

Η συσκευή υποδοχής ή ο φορτιστής μπορεί να χρησιμοποιήσει αυτό το σήμα θερμοκρασίας για να σταματήσει τη φόρτιση όταν η μπαταρία βρίσκεται εκτός του εγκεκριμένου εύρους λειτουργίας της.

Ένα κοινό εύρος θερμοκρασίας φόρτισης είναι περίπου0 μοίρες έως 45 μοίρες, αν και το πραγματικό όριο εξαρτάται από τις προδιαγραφές κυψέλης [7].

Για ιατρικές συσκευές, φορητές συσκευές, ηλεκτρονικά είδη εξωτερικού χώρου και εφαρμογές υψηλής ισχύος-, η θερμική παρακολούθηση μπορεί να είναι σημαντικό μέρος του σχεδιασμού ασφάλειας της μπαταρίας.

► Έξυπνοι IoT & Αισθητήρες τηλεχειρισμού

προϊόντα IoTσυνήθως χρειάζονται χαμηλή κατανάλωση ενέργειας και μεγάλη διάρκεια αναμονής.

Ένα καλά επιλεγμένο-κελί θήκης μπορεί να υποστηρίξει:

• Ασύρματοι αισθητήρες
• Ανιχνευτές περιουσιακών στοιχείων
• Συσκευές GPS
• Εξοπλισμός απομακρυσμένης παρακολούθησης
• Έξυπνες οικιακές συσκευές
• Βιομηχανικοί κόμβοι IoT

Για προϊόντα IoT μακράς διάρκειας-οι μηχανικοί θα πρέπει να αξιολογούν την αυτο-αποφόρτιση, το ρεύμα αναμονής, τη θερμοκρασία λειτουργίας και τη συχνότητα φόρτισης.

► Ιατρικά Διαγνωστικά Συσκευές

Ιατρικά ηλεκτρονικά είδησυχνά απαιτούν σταθερή απόδοση μπαταρίας και αυστηρό έλεγχο ποιότητας.

Οι εφαρμογές μπορεί να περιλαμβάνουν:

• Φορητός διαγνωστικός εξοπλισμός
• Ιατρικές συσκευές παρακολούθησης
• Φορητοί αισθητήρες υγείας
• Φορητός εξοπλισμός δοκιμής
• Συστήματα παρακολούθησης ασθενών

Ανάλογα με το προϊόν και την αγορά, η πιστοποίηση της μπαταρίας μπορεί να περιλαμβάνειISO 13485ελέγχους παραγωγής καιIEC 62133-2απαιτήσεις ασφαλείας [7].
 

► Υπ-Μηδενικές λειτουργίες

Οι τυπικές μπαταρίες λιθίου χάνουν την απόδοση σε χαμηλές θερμοκρασίες.

Για εξοπλισμό εξωτερικού χώρου και ηλεκτρονικά κρύου{0}}περιβάλλοντος, ενδέχεται να απαιτούνται εξειδικευμένα σκευάσματα χαμηλής-θερμοκρασίας.

Ορισμένα σχέδια μπορούν να διατηρήσουν χρήσιμη απόδοση σε θερμοκρασίες έως περίπου-40 βαθμοί.

Οι τυπικές εφαρμογές περιλαμβάνουν:

• Συσκευές παρακολούθησης εξωτερικού χώρου
• Ψυχρή-παρακολούθηση αλυσίδας
• Ηλεκτρονικά χειμερινών σπορ
• Βιομηχανικοί αισθητήρες
• Εξοπλισμός απομακρυσμένης παρακολούθησης

Μπαταρία χαμηλής- θερμοκρασίας Η επιλογή θα πρέπει να λαμβάνει υπόψη τόσο την απόδοση εκφόρτισης όσο και τους περιορισμούς φόρτισης.

►Εμπορικά Drone & Robotics

Dronesκαι η ρομποτική χρειάζεται υψηλή ισχύ σε μια ελαφριά συσκευασία.

Αυτές οι εφαρμογές χρησιμοποιούν συχνάπακέτα πολλαπλών-κυψελών-υψηλού ποσοστού εκφόρτισηςικανό να παρέχει συνεχές ή ρεύμα διάρρηξης παραπάνω25C.

Οι σημαντικές παράμετροι σχεδιασμού περιλαμβάνουν:

• Συνεχές ρεύμα εκφόρτισης
• Ρεύμα αιχμής εκφόρτισης
• Πτώση τάσης
• Εσωτερική αντίσταση
• Βάρος μπαταρίας
• Ταίριασμα κυττάρων
• Θερμική απόδοση

Για αυτά τα προϊόντα, δεν αρκεί απλώς η επιλογή μιας-μπαταρίας υψηλής χωρητικότητας.

Η μπαταρία πρέπει επίσης να παρέχει το απαιτούμενο ρεύμα χωρίς υπερβολική θερμότητα ή πτώση τάσης.

7. Αποθήκευση, φροντίδα και ασφάλεια: Αποφυγή διόγκωσης της μπαταρίας

Μια τυπική κυψέλη πολυμερούς λιθίου μπορεί να παρέχει γύρω300 έως 500 κύκλοι φόρτισηςπροτού η χωρητικότητα πέσει κάτω από περίπου το 80% της αρχικής της ικανότητας υπό καθορισμένες συνθήκες δοκιμής [8].

Η πραγματική διάρκεια ζωής της μπαταρίας εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τον τρόπο φόρτισης, αποφόρτισης, αποθήκευσης και χρήσης της κυψέλης.
 

► Κατάσταση αποθήκευσης-φόρτισης: 3,80V–3,85V

Για μακροχρόνια αποθήκευση, αποφύγετε να διατηρείτε τη μπαταρία συνεχώς σε πλήρη φόρτιση.

Υπάρχει μια πλήρως φορτισμένη τυπική κυψέλη LiPo4.20V.

Για αποθήκευση, μια τάση κυψέλης γύρω3.80V–3.85V, ή περίπου40%-50% κατάσταση φόρτισης, μπορεί να βοηθήσει στη μείωση-μακροπρόθεσμης υποβάθμισης [8].

Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό όταν τα τελικά προϊόντα ενδέχεται να παραμείνουν στις αποθήκες για αρκετούς μήνες πριν από τη χρήση.

► Μετριασμός του κυτταρικού οιδήματος

Η διόγκωση της μπαταρίας προκαλείται συνήθως από την παραγωγή αερίου μέσα στη θήκη.

Αυτό μπορεί να προκύψει από την αποικοδόμηση ηλεκτρολυτών και τη διάσπαση στερεών ηλεκτρολυτών, ή SEI, [6].

Οι κοινές αιτίες περιλαμβάνουν:

• Μακροχρόνια-έκθεση σε υψηλή θερμοκρασία
• Υπερφόρτιση
• Φόρτιση πάνω από την καθορισμένη τάση
• Σοβαρή υπερ-έκκριση
• Εσωτερικά βραχυκυκλώματα
• Μηχανική βλάβη
• Γήρανση των κυττάρων
• Ακατάλληλες συνθήκες φόρτισης

Η παραγωγή αερίου μπορεί να περιλαμβάνει CO2, CO και υδρογονάνθρακες [6].

Μια διογκωμένη μπαταρία πολυμερούς λιθίου πρέπει να αφαιρεθεί από τη λειτουργία.

Δεν πρέπει να συνεχίσει να φορτίζεται ή να χρησιμοποιείται στο προϊόν.

► Ασφαλής απόρριψη

Ο χειρισμός των μπαταριών λιθίου που έχουν υποστεί ζημιά, έχουν διογκωθεί, παλαιωθεί ή στο τέλος της διάρκειας ζωής τους θα πρέπει να γίνεται σύμφωνα με τις ισχύουσες τοπικές απαιτήσεις για μπαταρίες και ηλεκτρονικά απόβλητα.

Χρησιμοποιήστε εγκεκριμένα κανάλια ανακύκλωσης μπαταριών ή -συλλογής απορριμμάτων.

Μην τοποθετείτε μπαταρίες πολυμερούς λιθίου στα κανονικά οικιακά απορρίμματα.

8. Custom 3,7V Lithium Polymer Solutions της Blumoti

Τα μεγέθη μπαταριών-στο ράφι-δεν ταιριάζουν σε κάθε προϊόν.

Σε πολλά έργα συμπαγών ηλεκτρονικών, η επιλογή της μπαταρίας ξεκινά με τον διαθέσιμο μηχανικό χώρο.

Shenzhen Blumoti Energy Co., Ltd.παρέχει προσαρμοσμένες λύσεις μπαταρίας για εφαρμογές όπου οι τυπικές διαστάσεις θήκης, οι ρυθμοί εκφόρτισης, τα μήκη των συρμάτων, οι σύνδεσμοι ή τα κυκλώματα προστασίας δεν πληρούν τις απαιτήσεις σχεδιασμού.

► Custom Form Factors

Προσαρμοσμένες μπαταρίες πολυμερούς λιθίουμπορεί να σχεδιαστεί γύρω από συγκεκριμένες μηχανικές απαιτήσεις.

Οι επιλογές μπορεί να περιλαμβάνουν:

• Καμπύλες μπαταρίες LiPo
• Εξαιρετικά λεπτές μπαταρίες κάτω από 1,0 mm
• Μπαταρίες σε σχήμα L-
• Κυκλικά κελιά θήκης
• Μικρές μπαταρίες πολυμερούς λιθίου
• Προσαρμοσμένα πλάτη και μήκη
• Προσαρμοσμένα εύρη χωρητικότητας
• Ειδικά σχήματα μπαταριών

Ο στόχος είναι απλός: προσαρμόστε περισσότερη χρησιμοποιήσιμη χωρητικότητα μπαταρίας στον ήδη διαθέσιμο χώρο στο εσωτερικό του προϊόντος.

► Προσαρμοσμένα καλώδια, σύνδεσμοι και πλακέτες προστασίας

Μια ολοκληρωμένη λύση μπαταρίας μπορεί επίσης να περιλαμβάνει:

• Πλακέτα προστασίας PCM
• Προσαρμοσμένο μήκος σύρματος
• Υποδοχές JST
• Υποδοχές Molex
• Υποδοχές PH2.0
• Υποδοχές XH2.5
• Θερμίστορ NTC
• Προσαρμοσμένη πολικότητα συνδετήρα
• Μόνωση μπαταρίας
• Προσαρμοσμένες ετικέτες

Αυτό μπορεί να μειώσει τις εργασίες δευτερογενούς συναρμολόγησης κατά την κατασκευή του τελικού προϊόντος.

► Παγκόσμιες Πιστοποιήσεις

Διαφορετικές αγορές και εφαρμογές ενδέχεται να απαιτούν διαφορετικά έγγραφα συμμόρφωσης με τις μπαταρίες.

Η Blumoti παρέχει υποστήριξη πιστοποίησης που περιλαμβάνει:

• UN38.3
• UL 1642
• CE
• IEC 62133-2
• RoHS
• KC

Αυτές οι απαιτήσεις μπορούν να επηρεάσουν τόσο την ανάπτυξη προϊόντων όσο και τη διεθνή ναυτιλία [4], [7], [9].

Για έργα OEM και ODM, οι απαιτήσεις πιστοποίησης θα πρέπει να συζητηθούν έγκαιρα.

Η αναμονή μέχρι τη μαζική παραγωγή για την επιβεβαίωση της πιστοποίησης μπορεί να δημιουργήσει περιττές καθυστερήσεις.