Baterie litowo-polimerowe 3,7 V:-akumulatory jonowo-polimerowe: inżynieria, ładowanie, bezpieczeństwo i rozwiązania niestandardowe

Wstęp

Wybierając akumulator LiPo 3,7 V, należy wziąć pod uwagę przestrzeń mechaniczną produktu i profil obciążenia,-a nie tylko docelową pojemność.

Ogniwa te są szeroko stosowane, ponieważ łączą w sobie niską wagę, kompaktowe opakowanie i elastyczną obudowę. Jednak akumulator pasujący do obudowy może nadal działać gorzej, jeśli jego napięcie ładowania, wartość znamionowa C-, ustawienia zabezpieczeń, zakres temperatur lub ścieżka certyfikacji są nieprawidłowe.

W tym przewodniku wyjaśniono najważniejsze parametry inżynieryjne,-od struktury ogniwa i ładowania CC/CV po zdolność do rozładowania, ochronę PCM/BMS, przechowywanie, bezpieczeństwo i niestandardowe opcje OEM-, dzięki czemu możesz wybrać lub określić odpowiednie rozwiązanie LiPo 3,7 V na wcześniejszym etapie cyklu projektowania.

1. Co to jest bateria litowo-polimerowa-3,7 V?

A akumulator litowo-jonowo-polimerowy 3,7 Vto akumulator litowy wielokrotnego ładowania umieszczony w elastycznym, laminowanym aluminiowym etui.

Powszechnie nazywa się go również aOgniwo lipo 3,7 V, jednoogniwowa-bateria lipo, LubBateria litowo-polimerowa 1S.

Ogniwa LiPo wykorzystują lekką konstrukcję woreczka. Daje to projektantom produktów znacznie większą swobodę podczas pracy z cienkimi, zakrzywionymi obudowami lub obudowami o ograniczonej przestrzeni- [1].

Chemia i zasada działania

Wewnątrzjednokomórkowy lipoakumulator zazwyczaj składa się z tlenku litowo-kobaltowego (LCO), niklowo-manganowo-kobaltowego (NMC) lub materiału katody trójskładnikowej z anodą z interkalowanego grafitu [1].

Podczas ładowania i rozładowywania jony litu przemieszczają się pomiędzy katodą i anodą poprzez elektrolit.

Kluczowe parametry napięcia obejmują:

• Napięcie nominalne: 3,7 V

Jest to średnie napięcie robocze standardowego ogniwa litowo-polimerowego w normalnych warunkach rozładowania [1].

• Maksymalne napięcie ładowania: 4,20 V

Standardowy akumulator LiPo 3,7 V jest zwykle ładowany do napięcia 4,20 V.

• Wysokie-warianty napięcia: 3,8 V / 3,85 V

ZaawansowanyLipo{0}}wysokonapięciowe (LiHV)ogniwa można ładować do napięcia 4,35 V lub 4,40 V. Konstrukcje te są stosowane, gdy wymagana jest większa gęstość energii w ramach tego samego śladu mechanicznego [2].

2. Porównanie techniczne: baterie litowe-jonowe i litowo-polimerowe

Inżynierowie często porównują ogniwa litowo-polimerowe-z cylindrycznymi ogniwami litowo-jonowymi-, takimi jak18650I21700formaty [3].

Obie technologie wykorzystują chemię litu-jonowego, ale ich konstrukcja mechaniczna stwarza istotne różnice.

W przypadku wielu produktów przenośnych decyzja sprowadza się do konstrukcji mechanicznej.

Jeśli obudowa ma stałą, cylindryczną komorę baterii, lepszym wyborem może być model 18650 lub 21700.

Jeśli dostępna przestrzeń jest cienka, nieregularna, zakrzywiona lub w dużym stopniu dostosowana do indywidualnych potrzeb, aBateria litowo-polimerowa-3,7 Vzwykle zapewnia zespołowi projektowemu większą elastyczność.

3. Okno napięcia i protokół ładowania CC/CV

 

A jednoogniwowa bateria litowa 3,7 Vnie należy podłączać bezpośrednio do stałego źródła zasilania prądem stałym.

Wymaga kontrolowaniaProfil ładowania CC/CV, co oznacza ładowanie stałym prądem / stałym napięciem [3], [5].

Ta metoda ładowania jest standardem w przypadku ogniw litowo-jonowych i litowo-polimerowych.

 

4. Zrozumienie krzywych znamionowych-C i rozładowania

TheOcena C.-opisuje prąd ładowania lub rozładowania w stosunku do nominalnej pojemności akumulatora.

Podstawowe obliczenia to:

Prąd (A)=Pojemność (Ah) × C-Stawka

Na przykład:

Bateria 1000 mAh równa się 1 Ah.

W 1C:

1Ah × 1C=1A

W 5C:

1Ah × 5C=5A

Dlatego właśnie ocena C-ma tak duże znaczenie przy wyborzeBateria lipo 3,7 Vdla różnych zastosowań.

► Niska-Urządzenia odprowadzające i rezerwowe: 0,2°C–1°C

Ten zakres jest powszechny w przypadku produktów, dla których priorytetem jest czas pracy i trwałość cyklu nad prądem szczytowym.

Typowe zastosowania obejmują:

• Czujniki Internetu Rzeczy
• Inteligentne urządzenia do noszenia
• Medyczne urządzenia śledzące
• Urządzenia Bluetooth
• Systemy monitorowania małej-mocy

W przypadku tych produktów stabilne rozładowanie i niski poziom-samorozładowania są zwykle ważniejsze niż ekstremalny prąd wyjściowy.

► Ciągłe średnie rozładowanie: 2C–5C

Ten zakres jest lepiej dostosowany do urządzeń o umiarkowanym zapotrzebowaniu na moc.

Typowe zastosowania obejmują:

• Mobilne terminale POS
• Ręczne skanery przemysłowe
• Nadajniki RF
• Przenośna elektronika
• Małe silniki i siłowniki

Akumulator musi utrzymywać stabilne napięcie, zapewniając jednocześnie wyższy prąd ciągły.

► Pakiety LiPo o wysokiej-wydajności: seria 15C–30C+

Pakiety LiPo o wysokiej-wysokościsą przeznaczone do zastosowań wymagających bardzo wysokiego prądu szczytowego.

Typowe przykłady obejmują:

• Multikoptery
• Komercyjne drony
• Robotyka
• Sprzęt RC
• Siłowniki dynamiczne serwo
• Systemy przenośne o dużej-mocy

Zastosowania te mogą wymagać temperatur 15°C, 20°C, 25°C, 30°C lub wyższych.

Wybór właściwej oceny C-ma kluczowe znaczenie.

W akumulatorze o niewystarczającej zdolności rozładowania może wystąpić nadmierny spadek napięcia, wytwarzanie ciepła, skrócenie czasu pracy lub skrócenie cyklu życia.

 

 

5. Ochrona baterii: dlaczego PCM i BMS są obowiązkowe

Baterie litowe wymagają kontrolowanych warunków pracy.

Przeładowanie, nadmierne-rozładowanie, zwarcia, nadmierny prąd i nieprawidłowe temperatury mogą stwarzać zagrożenie dla bezpieczeństwa.

Dlatego też wiele projektów akumulatorów zawiera w sobie:Moduł obwodu zabezpieczającego (PCM)LubSystem zarządzania baterią (BMS).

W przypadku zastosowań w przenośnych bateriach litowych ocena bezpieczeństwa może również obejmować takie standardy, jak:IEC 62133 [4], [7].

Typowa struktura zabezpieczająca LiPo 3,7 V

 

► Ochrona przed przeładowaniem

PCM odłącza ścieżkę ładowania, jeśli napięcie ogniwa wzrośnie powyżej określonego progu zabezpieczenia przed przeładowaniem.

Typowy zakres ochrony może wynosić ok4.25V–4.30V [4].

Pomaga to zapobiec utrzymywaniu się akumulatora pod niebezpiecznym napięciem ładowania.

 

► Ochrona przed nadmiernym rozładowaniem

Obwód zabezpieczający odłącza obciążenie, gdy napięcie ogniwa spadnie poniżej określonego poziomu odcięcia.

Typowy zakres może wynosić około2.40V–2.50V [4].

Pomaga to zmniejszyć ryzyko uszkodzeń spowodowanych głębokim rozładowaniem.

 

► Zabezpieczenie przed zwarciem i przetężeniem

Szybko{0}}działające przełączniki MOSFET mogą odłączyć akumulator, gdy prąd wzrośnie powyżej zaprojektowanego limitu.

Chroni to ogniwo i podłączoną elektronikę podczas:

• Zewnętrzne zwarcia
• Warunki utknięcia silnika
• Nadmierny prąd obciążenia
• Błędy okablowania
• Nieprawidłowe skoki prądu

W przypadku zastosowań wysoko-prądowych ustawienia PCM muszą odpowiadać zarówno ogniwu akumulatora, jak i rzeczywistemu profilowi ​​obciążenia.

 

► Zarządzanie temperaturą za pomocą termistora NTC

JakiśTermistor NTCmożna dodać w celu monitorowania temperatury akumulatora.

Urządzenie główne lub ładowarka może wykorzystać ten sygnał temperatury do zatrzymania ładowania, gdy akumulator znajdzie się poza zatwierdzonym zakresem działania.

Typowy zakres temperatur ładowania wynosi w przybliżeniu0 stopni do 45 stopni, chociaż faktyczny limit zależy od specyfikacji ogniwa [7].

W przypadku urządzeń medycznych, urządzeń do noszenia, elektroniki przeznaczonej do użytku zewnętrznego i- zastosowań wymagających dużej mocy monitorowanie temperatury może stanowić ważną część projektu bezpieczeństwa baterii.

► Inteligentne czujniki IoT i zdalne

Produkty IoTzwykle wymagają niskiego zużycia energii i długiego czasu czuwania.

Dobrze-wybrane etui może obsługiwać:

• Czujniki bezprzewodowe
• Śledzenie zasobów
• Urządzenia GPS
• Sprzęt do zdalnego monitorowania
• Inteligentne urządzenia domowe
• Przemysłowe węzły IoT

W przypadku-produktów IoT o długiej żywotności inżynierowie powinni ocenić-samorozładowanie, prąd w stanie czuwania, temperaturę roboczą i częstotliwość ładowania.

► Medyczne urządzenia diagnostyczne

Elektronika medycznaczęsto wymagają stałej wydajności baterii i ścisłej kontroli jakości.

Aplikacje mogą obejmować:

• Przenośny sprzęt diagnostyczny
• Medyczne urządzenia monitorujące
• Poręczne czujniki zdrowia
• Przenośny sprzęt testowy
• Systemy śledzenia pacjentów

W zależności od produktu i rynku, kwalifikacja baterii może obejmowaćISO13485kontroli produkcji iIEC 62133-2wymagania bezpieczeństwa [7].
 

► Sub-Operacje zerowe

Standardowe baterie litowe tracą wydajność w niskich temperaturach.

W przypadku sprzętu zewnętrznego i elektroniki przeznaczonej do-zimnych środowisk mogą być wymagane specjalistyczne preparaty-do niskich temperatur.

Niektóre konstrukcje mogą utrzymywać użyteczną moc wyjściową w temperaturach do około-40 stopni.

Typowe zastosowania obejmują:

• Urządzenia śledzące na zewnątrz
• Monitorowanie-łańcucha chłodniczego
• Elektronika do sportów zimowych
• Czujniki przemysłowe
• Sprzęt do zdalnego monitorowania

Niska-temperatura akumulatora wybór powinien uwzględniać zarówno wydajność rozładowania, jak i ograniczenia ładowania.

►Komercyjne drony i robotyka

Dronyi robotyka wymagają dużej mocy w lekkiej obudowie.

Aplikacje te często korzystająpakiety wieloogniwowe o-szybkim rozładowywaniu-zdolny do dostarczania prądu ciągłego lub impulsowego powyżej25C.

Ważne parametry projektowe obejmują:

• Ciągły prąd rozładowania
• Szczytowy prąd rozładowania
• Spadek napięcia
• Opór wewnętrzny
• Masa baterii
• Dopasowanie komórek
• Wydajność cieplna

W przypadku tych produktów sam wybór-akumulatora o dużej pojemności nie wystarczy.

Akumulator musi także dostarczać wymagany prąd bez nadmiernego nagrzewania się i spadku napięcia.

7. Przechowywanie, pielęgnacja i bezpieczeństwo: unikanie puchnięcia baterii

Typowe ogniwo litowo-polimerowe może zapewnić ok300 do 500 cykli ładowaniazanim pojemność spadnie poniżej około 80% pierwotnej wartości znamionowej w określonych warunkach testowych [8].

Rzeczywista żywotność baterii zależy w dużej mierze od sposobu, w jaki ogniwo jest ładowane, rozładowywane, przechowywane i używane.
 

► Stan przechowywania--ładowania: 3,80–3,85 V

W przypadku długotrwałego-przechowywania baterii należy unikać ciągłego ładowania baterii.

W pobliżu jest w pełni naładowane standardowe ogniwo LiPo4.20V.

Do przechowywania napięcie ogniwa ok3.80V–3.85Vlub w przybliżeniuStan naładowania 40–50%., może pomóc w ograniczeniu-długoterminowej degradacji [8].

Jest to szczególnie ważne, gdy gotowe produkty mogą pozostać w magazynach przez kilka miesięcy przed użyciem.

► Łagodzenie obrzęku komórek

Pęcznienie baterii jest zwykle spowodowane wytwarzaniem się gazu wewnątrz etui.

Może to wynikać z degradacji elektrolitu i rozkładu międzyfazy stałego elektrolitu, czyli SEI, [6].

Typowe przyczyny obejmują:

• Długotrwałe-narażenie na wysoką temperaturę
• Przeładowanie
• Ładowanie powyżej określonego napięcia
• Ciężkie nadmierne-rozładowanie
• Zwarcia wewnętrzne
• Uszkodzenia mechaniczne
• Starzenie się komórek
• Niewłaściwe warunki ładowania

Wytwarzanie gazu może obejmować CO2, CO i węglowodory [6].

Spęczniały akumulator litowo-polimerowy należy wycofać z użytku.

Nie należy go w dalszym ciągu ładować ani używać w produkcie.

► Bezpieczna utylizacja

Z uszkodzonymi, spuchniętymi, starymi lub-zeszłymi{1}}baterie litowe należy postępować zgodnie z obowiązującymi lokalnymi przepisami dotyczącymi baterii i odpadów elektronicznych.

Korzystaj z zatwierdzonych kanałów recyklingu baterii lub-odpadów elektronicznych.

Nie wyrzucaj baterii litowo-polimerowych do zwykłych odpadów domowych.

8. Niestandardowe rozwiązania w zakresie polimerów litowo-polimerowych 3,7 V firmy Blumoti

Rozmiary baterii-z półki-nie pasują do każdego produktu.

W wielu projektach elektroniki kompaktowej wybór baterii rozpoczyna się od dostępnej przestrzeni mechanicznej.

Shenzhen Blumoti Energy Co., Ltd.zapewnia niestandardowe rozwiązania akumulatorowe do zastosowań, w których standardowe wymiary torebek, szybkości rozładowania, długości przewodów, złącza lub obwody zabezpieczające nie spełniają wymagań projektowych.

► Niestandardowe współczynniki kształtu

Niestandardowe baterie litowo-polimerowemożna zaprojektować w oparciu o określone wymagania mechaniczne.

Opcje mogą obejmować:

• Zakrzywione akumulatory LiPo
• Bardzo-cienkie baterie o grubości poniżej 1,0 mm
• Baterie w kształcie litery L-
• Okrągłe ogniwa woreczkowe
• Małe baterie litowo-polimerowe
• Niestandardowe szerokości i długości
• Niestandardowe zakresy wydajności
• Specjalne kształty akumulatorów

Cel jest prosty: zmieścić większą użyteczną pojemność akumulatora w dostępnej już przestrzeni wewnątrz produktu.

► Niestandardowe przewody, złącza i płyty zabezpieczające

Kompletne rozwiązanie akumulatorowe może obejmować również:

• Płyta zabezpieczająca PCM
• Niestandardowa długość drutu
• Złącza JST
• Złącza Molex
• Złącza PH2.0
• Złącza XH2.5
• Termistor NTC
• Niestandardowa polaryzacja złącza
• Izolacja akumulatora
• Etykiety niestandardowe

Może to ograniczyć prace związane z montażem wtórnym podczas wytwarzania produktu końcowego.

► Globalne certyfikaty

Różne rynki i zastosowania mogą wymagać różnych dokumentów zgodności baterii.

Blumoti zapewnia wsparcie certyfikacyjne obejmujące:

• UN38.3
• UL1642
• CE
• IEC 62133-2
• RoHS
• KC

Wymagania te mogą mieć wpływ zarówno na rozwój produktu, jak i transport międzynarodowy [4], [7], [9].

W przypadku projektów OEM i ODM wymagania certyfikacyjne należy omówić wcześniej.

Oczekiwanie na masową produkcję w celu potwierdzenia certyfikacji może spowodować niepotrzebne opóźnienia.