Akun kokoonpanolinja selitetty: lajittelusta BMS:ään

Kirjoittaja: Dany Huang, Ph.D.

Toimitusjohtaja ja T&K-johtaja, TOB New Energy

Tiivistelmä ja tärkeimmät takeawayt

Siirtymä yksittäisten litium{0}}ionikennojen valmistuksesta korkeajännitteisen-akun kokoamiseen on kohta, jossa sähkökemiallinen suunnittelu kohtaa suuren-tarkkuuden mekaanisen integroinnin. Täydellisesti valmistettu 21700 kenno on hyödytön, jos se hitsataan yhteensopimattomaan pakkaukseen.

• "Barrel Effect" on ehdoton:Akun kokonaiskapasiteetti ja käyttöikä määräytyvät täysin sen heikoimman yksittäisen solun mukaan. Pienet poikkeamat sisäisessä resistanssissa (IR) tai avoimen piirin jännitteessä (OCV) aiheuttavat ennenaikaisen kapasiteetin häipymisen koko moduulissa.

• Lajittelu on säätiö:Automaattinen solujen lajittelu ei ole valinnainen laaduntarkistus; se on pakkauksen kokoamisen matemaattinen perusviiva. Kennojen ryhmittely, joiden IR-toleranssi on ± 1 mΩ ja jännite ± 5 mV, on pakollista EV- ja ESS-sovelluksissa.

• Hitsauksen eheys sanelee turvallisuuden:Käytettäessä kaksipuolista-vastuspistepistehitsausta tai automatisoitua laserhitsausta, kennoliittimen ja virtakiskon välisen metallurgisen sidoksen on kestettävä voimakasta tärinää ja lämpölaajenemista aiheuttamatta vääriä hitsejä.

• BMS-testaus vahvistaa aivot:Battery Management System (BMS) on ainoa asia, joka seisoo pakkauksen ja lämpökaran välissä. Kattavien BMS-testauslaitteiden on simuloitava äärimmäisiä vikatilanteita-ylilataus, syväpurkaus ja oikosulut-,-ennen kuin pakkaus suljetaan.

Avaimet käteen -periaatteella toimivan akun kokoonpanolinjan arkkitehtuuri

Monet valmistajat pitävät pakkausten kokoamista virheellisesti yksinkertaisena mekaanisena prosessina,-liimataan solut yhteen ja lyötään nikkelinauha päälle. Tämän vanhentuneen ajattelutavan vuoksi niin monet kevyiden sähköautojen (e-pyörä) ja energian varastointijärjestelmien (ESS) startup-yritykset kohtaavat katastrofaalisia takuuvaatimuksia ensimmäisen käyttöönottovuoden aikana.

Moderni, korkea{0}}tuottoakun kokoonpanolinjaon data{0}}ohjattu, pitkälle automatisoitu työnkulku. Jokaista yksittäistä kennoa on seurattava, mitattava, sovitettava, hitsattava ja tarkastettava yhtenäisen valmistuksen suoritusjärjestelmän (MES) mukaisesti. Jos et voi jäljittää solun #45 tarkkaa OCV:tä 100S10P-pakkauksessa alkuperäisiin lajittelutietoihinsa, sinulla ei ole tuotantolinjaa. sinulla on vastuu.

Alla on ammattimaisen pakkauskokoonpanon työnkulun lopullinen, vaiheittainen--erittely, joka korostaa kriittisiä vikakohtia, joita useimmat tuotantojohtajat kaipaavat.

Vaihe 1: Solujen lajittelun ja sovituksen kriittisyys

Jos otat pois tästä oppaasta vain yhden suunnitteluperiaatteen, olkoon se tämä:Älä koskaan koota vertaansa vailla olevia soluja.

Kun kytket kennot sarjaan (jännitteen lisäämiseksi) ja rinnan (kapasiteetin lisäämiseksi), ne toimivat yhtenä yksikkönä. Jos yhdellä sarjassa olevalla solulla on latauksen aikana huomattavasti suurempi sisäinen resistanssi (IR) kuin sen naapureissa, se saavuttaa jännitteenkatkoskynnyksen nopeammin. BMS rekisteröi merkkijonon "täysin ladatuksi" ja katkaisee latausvirran, vaikka muiden kennojen kapasiteetti on vain 85 %.

Purkamisen aikana tapahtuu päinvastoin. "Heikko" kenno osuu ensin alempaan jännitteen katkaisuun ja sammuttaa paketin, kun muut kennot säilyttävät edelleen energiaa. Tämä ilmiö, joka tunnetaan nimellä Barrel Effect, vähentää rajusti pakkaussi käyttökapasiteettia ja nopeuttaa paikallista hajoamista.

Automaattinen solulajittelukone: ensimmäinen puolustuslinjasi

Barrel-ilmiön estämiseksi sisään tulevat lieriömäiset (18650, 21700, 4680) tai prismasolut on ajettava automaattisen lajittelukoneen läpi.

Moderniakkukennojen lajittelukoneetälä luota manuaalisiin yleismittarin lukemiin. Ne käyttävät erittäin kalibroituja vaihtovirtaimpedanssin testaajia (mittaa yleensä 1 kHz:llä) ja tarkkoja volttimittareita kunkin kennon profiloimiseksi millisekunneissa.

Suorituskykyisten{0}}pakettien vakiolajitteluparametrit:

• AC:n sisäinen vastus (ACIR):Toleranssi tiukasti säädelty välillä ± 1 mΩ - ± 2 mΩ.

• Avoimen piirin jännite (OCV):Toleranssi säädetty ± 5 mV - ± 10 mV.

• Kapasiteetti (jos käytetään lajiteltua varastoa):Vastaa 1 %:n poikkeamaa.

Engineering Insight:Älä lajittele soluja heti, kun olet vastaanottanut ne lähetyksestä. Litium-ionikennot kokevat jännitteen rentoutumisen ja itsepurkauksen kuljetuksen aikana. Tarkkojen OCV-lukemien saamiseksi soluja on säilytettävä lämpötilakontrolloidussa ympäristössä (25 astetta ± 2 astetta) vähintään 48–72 tuntia ennen kuin ne ajetaan lajittelukoneen läpi.

Vaihe 2: Rakennekokoonpano ja napaisuuden tarkistus

Kun sinulla on täydellisesti yhteensopiva soluerä, ne on kiinnitettävä rakenteellisesti. Tärinä on hitsausliitoksen vihollinen. Jos kennot liikkuvat itsenäisesti pakkauksessa käytön aikana (kuten sähköskootterissa, joka kulkee epätasaisessa maastossa), nikkelikiskot väsyvät metalliin ja lopulta napsahtavat.

Kennojen kiinnikkeet ja eristys

Kennot asetetaan paloa{0}}hidastaviin polykarbonaatti- tai ABS-muovikiinnikkeisiin. Nämä kiinnikkeet palvelevat kolmea kriittistä toimintoa:

1. Mekaaninen jäykkyys:Ne lukitsevat solut kiinteään verkkoon siirtäen fyysisen iskun pois hitsauspisteistä.

2. Lämpöväli:Ne varmistavat pakollisen ilmaraon (tyypillisesti 1–2 mm) sylinterimäisten kennojen välillä. Tämä rako on elintärkeä lämmönpoistolle; jos solu joutuu lämpökarkaamaan, etäisyys estää välittömän lämmön leviämisen viereisiin soluihin.

3. Sähköeristys:Ne estävät vierekkäisten kennojen ulkokoteloita (joissa on negatiivinen varaus tavallisissa lieriömäisissä muodoissa) koskettamasta ja aiheuttamasta oikosulkua, jos PVC-kutistekalvo vaurioituu.

CCD-napaisuuden tarkastus

Ennen kuin pakkaus siirtyy hitsausasemalle, sille on suoritettava automaattinen silmämääräinen tarkastus. Yksi ylösalaisin asetettu kenno (napaisuus käänteinen) aiheuttaa välittömän, katastrofaalisen oikosulun heti, kun virtakisko hitsataan sen yli. Nopeat -CCD-kamerat skannaavat solujen matriisia ja varmistavat kuvantunnistuksen avulla, että positiiviset (napin yläosa) ja negatiiviset (litteät) liittimet vastaavat tarkasti suunniteltua sarja-/rinnakkaiskaaviota.

Vaihe 3: Hitsausprosessi – Resistanssi vs. laser

Yksittäisten kennojen ja pakkauksen pääliittimien välinen sähköyhteys saadaan aikaan virtakiskoilla-yleensä puhdas nikkelinauha, nikkeli-pinnoitettu teräs tai suuritehoisissa sovelluksissa alumiini- tai kuparikomposiiteilla.

Menetelmä, jolla nämä virtakiskot sulatetaan kennoliittimiin, määrää liitännän sisäisen vastuksen ja pakkauksen mekaanisen kestävyyden.

Mikro-vastuspistehitsaus (kaksipuolinen{1}})

Suurimmassa osassa lieriömäisiä kennopaketteja (e-pyörät, sähkötyökalut, vakio-ESS-moduulit) kaksipuolinen automaattinen vastuspistehitsaus on alan standardi.

Theautomaattinen pistehitsauskonekäyttää korkeataajuista{0}}tasavirtalähdettä tai transistorisoitua virtalähdettä. Se kohdistaa paikallista painetta kahden kupari-alumiinioksidihitsausnastan kautta ja tuottaa massiivisen virtapulssin sekunnin murto-osan (tyypillisesti 5–15 millisekuntia) ajan. Nikkelinauhan ja teräskennokotelon välisessä rajapinnassa oleva sähkövastus tuottaa voimakasta paikallista lämpöä, joka sulattaa kaksi metallia yhteen muodostaen "kimpaleen".

"Väärehitsien" (pseudo-hitsauksen) välttäminen:

Valehitsi näyttää visuaalisesti hyväksyttävältä, mutta siltä puuttuu metallurginen tunkeutuminen. Jos irrotat nikkeliliuskan hyvästä hitsistä, sen pitäisi repiä nauhaan reikä, jolloin hitsauskimpale jää kiinni kennoon (onnistunut tuhoava vetotesti). Väärä hitsi irtoaa siististi.

Tämän estämiseksi tuotantoinsinöörien on valvottava jatkuvasti:

• Elektrodin tappien kuluminen:Vihjeitä tulee arkistoida ja pukea säännöllisesti. Tylsät tai hapettuneet nastat levittävät virran liian laajalle alueelle, mikä vähentää tunkeutumissyvyyttä.

• Pneumaattinen paine:Jos hitsauspään paine on liian kevyt, kosketusvastus on liian korkea, mikä aiheuttaa pinnan kipinöimistä ja palamista. Jos paine on liian kova, virta ohittaa rajapinnan kokonaan.

Laserhitsaus suuritehoisille{0}}tehoyksiköille

Kun siirrymme kohti korkean -kapasiteetin prismaattisia kennoja ja massiivisia sähköajoneuvojen arkkitehtuureja, perinteisellä pistehitsauksella on vaikeuksia tunkeutua paksuihin kupari- tai alumiinikiskoihin. Täällä kuitulaserhitsaus ottaa vallan. Laserhitsaus tarjoaa jatkuvan, matalavastuksen{3}}saumahitsauksen, jossa on hyvin hallittu lämpövaikutusvyöhyke (HAZ). Se vaatii kuitenkin suuruusluokkaa enemmän pääomasijoituksia ja äärimmäisen tiukkaa ilmakehän valvontaa plasmasuojauksen ja hitsin huokoisuuden estämiseksi.

Vaihe 4: BMS-integrointi – operaation aivot

Akkupaketti on nyt rakenteellisesti ja sähköisesti yhtenäinen, mutta se on "tyhmä". Ilman akunhallintajärjestelmää (BMS) litium-ionikemia on luonnostaan ​​epävakaa ja vaarallinen.

BMS on monimutkainen painettu piirilevy (PCB), joka valvoo pakkauksen jokaisen rinnakkaisryhmän tilaa. Johdinsarja tulee reitittää huolellisesti ja juottaa (tai ultraäänihitsata) BMS:stä jokaisen sarjaliitännän positiiviseen napaan.

BMS:n perustoiminnot:

1. Ylilataussuoja:Katkaisee piirin, jos jokin kennojono ylittää suurimman turvallisen jännitteen (esim. 4,25 V NMC:lle, 3,65 V LFP:lle).

2. Yli-purkaussuojaus:Katkaisee virran, jos jokin merkkijono putoaa turvallisen vähimmäisjännitteen alapuolelle, mikä estää kuparin peruuttamattoman liukenemisen anodissa.

3. Ylivirta-/oikosulkusuojaus:Käyttää MOSFETejä tai kontaktoreita katkaisemaan yhteyden välittömästi, jos purkausvirtapiikit ylittävät suunnittelurajan.

4. Lämpötilan valvonta:Käyttää NTC-termistoreita, jotka on haudattu solumatriisiin lämmön valvomiseksi. Jos lämpötilat ylittävät turvalliset käyttörajat (yleensä 65 astetta), BMS sammuttaa pakkauksen.

5. Passiivinen/aktiivinen tasapainotus:Poistaa ylimääräisen energian korkeimmalla{0}}jännitteisistä kennoista latausjakson lopussa ohitusvastusten kautta, jolloin alemman -jännitteen kennot pääsevät kiinni. Näin BMS taistelee Barrel Effectiä vastaan ​​pakkauksen elinkaaren aikana.

Vaihe 5: Kattava BMS- ja pakkaustestaus

Et voi olettaa, että BMS on kytketty oikein tai että sen laiteohjelmisto toimii oikein. Viallinen BMS mahdollistaa pakkauksen latauksen suoraan lämpöpurkaukseen.

Ennen lopullista pakkaamista koko kokoonpano on liitettävä teollisuuskäyttöönBMS-testauslaitteetja lopun--sarjan (EOL) testaajat.

BMS-testausprotokolla

BMS-testeri simuloi akkukennojen käyttäytymistä varmistaakseen, että levyn suojauslogiikka laukeaa täsmälleen siinä mikrosekunnissa, jonka sen on tarkoitus.

• Jännitesimulaatio:Testeri ruiskuttaa keinotekoisesti korkeajännitesignaalin (esim. 4,3 V) yhteen anturijohtimista. Laitteisto varmistaa, että BMS:n MOSFETit laukaisevat välittömästi ylilatauksen katkaisun-.

• Nykyinen injektio:Testeri ohjaa massiivisen, hetkellisen virtapulssin pääpurkausjohtojen läpi varmistaakseen oikosulkusuojauksen vasteajan (jonka on reagoitava mikrosekunneissa).

• Tasapainotuksen tarkistus:Testaaja valvoo tasapainotuspiirejä varmistaakseen, että vuotovastukset aktivoituvat, kun simuloitu jännitekolmio tuodaan jonoihin.

Lopullinen EOL-pakkauksen testaus

Kun BMS on vahvistettu, valmis paketti ajetaan End{0}}of-Line-testaajan läpi. Tämä kone suorittaa lopullisen, kokonaisvaltaisen tarkistuksen:

• Pack AC sisäinen vastus.

• Avoimen piirin kokonaisjännite.

• Korkean-potkun (dielektrisen kestävyyden) testaus: korkeajännite jännitteen kytkeminen jännitteellisten liittimien ja pakkauksen ulkokuoren väliin varmistaakseen, ettei eristysvaurioita tai vuotovirtoja esiinny.

• Lyhyt, korkea{0}}virtalataus/purkausjakso, joka varmistaa yleisen virransyötön.

Lopullinen kapselointi ja ikääntyminen

Vasta kaikkien EOL-testien läpäisyn jälkeen pakkaus on vihdoin sinetöity. Vakiopakkauksissa tämä tarkoittaa kokoonpanon käärimistä epoksilasikuitulevyihin ja raskaan -PVC-holkin kutistamista sen ympärille. ESS- ja EV-sovelluksissa pakkaus lasketaan IP67-luokituksen mukaiseen alumiini- tai teräskoteloon, jossa on lämpöä johtavia rakenneliimoja ja pultattu kiinni.

Lopuksi valmiit pakkaukset vanhenevat (yleensä 7–14 päivää) lämpötilavalvotussa varastossa. Tämä mahdollistaa pakkauksen sisäisen kemian vakautumisen ja paljastaa kaikki viivästyneet mikro-oikosulut tai vialliset hitsaukset ennen kuin tuote toimitetaan loppukäyttäjälle.

Suunnitteletko seuraavaa pakkauslinjaasi?

Erillisten koneiden hankinta eri toimittajilta johtaa ohjelmistointegraatioon painajaisiin ja yhteensopimattomiin sykliaikoihin. TOB New Energyn insinöörit täysin integroidut avaimet käteen -periaatteella akun kokoonpanolinjat. Automaattisesta solulajittelusta ja CCD-tarkastuksista kaksipuoliseen servohitsaukseen ja lopulliseen EOL-testaukseen, laitteemme kommunikoivat virheettömästi yhtenäisen MES:n puitteissa. Anna meille tavoitepakkauskapasiteettisi ja päivittäiset tuotantovaatimukset, niin suunnittelutiimimme toimittaa kattavan tehdassuunnitelman.