3,7 V:n litium-ionipolymeeriakut: suunnittelu, lataus, turvallisuus ja mukautetut ratkaisut

Johdanto

3,7 V:n LiPo-akun valinta alkaa tuotteen mekaanisesta tilasta ja kuormitusprofiilista-ei vain kapasiteettitavoitteesta.

Näitä kennoja käytetään laajalti, koska niissä yhdistyvät pieni paino, kompakti pakkaus ja joustavat muototekijät. Mutta koteloon sopiva akku voi silti toimia huonommin, jos sen latausjännite, C-luokitus, suojausasetukset, lämpötila-alue tai sertifiointipolku ovat väärät.

Tässä oppaassa selitetään tärkeimmät suunnitteluparametrit-kennorakenteesta ja CC/CV-latauksesta purkauskykyyn, PCM/BMS-suojaukseen, varastointiin, turvallisuuteen ja mukautettuihin OEM-vaihtoehtoihin,{1}}jotta voit valita tai määrittää oikean 3,7 V:n LiPo-ratkaisun aiemmin suunnitteluvaiheessa.

1. Mikä on 3,7 V:n litium--ionipolymeeriakku?

A Litiumioniakku 3,7von ladattava litiumakku, joka on rakennettu joustavaan laminoituun alumiinipussiin.

Sitä kutsutaan yleisesti myös a3,7v lipokenno, yksi-kennon lipo-akku, tai1S litiumpolymeeriakku.

LiPo-soluissa käytetään kevyttä pussirakennetta. Tämä antaa tuotesuunnittelijoille paljon enemmän vapautta työskennellessään ohuiden, kaarevien tai{1}}tilarajoitteisten koteloiden kanssa [1].

Kemia ja toimintaperiaate

Sisällä ayksisoluinen lipo, akussa tyypillisesti yhdistyy litiumkobolttioksidi (LCO), nikkeli-mangaanikoboltti (NMC) tai kolmikantinen katodimateriaali ja interkaloitu grafiittianodi [1].

Latauksen ja purkamisen aikana litiumionit liikkuvat katodin ja anodin välillä elektrolyytin läpi.

Tärkeimmät jänniteparametrit sisältävät:

• Nimellisjännite: 3,7V

Tämä on standardin litiumpolymeerikennon keskimääräinen käyttöjännite normaaleissa purkausolosuhteissa [1].

• Suurin latausjännite: 4,20 V

Tavallinen 3,7 V:n LiPo-akku ladataan normaalisti 4,20 V:iin.

• Korkea{0}}jännitevaihtoehdot: 3,8 V / 3,85 V

Edistynytkorkea{0}}jännitelipo (LiHV)kennot voidaan ladata 4,35 V:iin tai 4,40 V:iin. Näitä malleja käytetään, kun vaaditaan suurempaa energiatiheyttä saman mekaanisen jalanjäljen sisällä [2].

2. Tekninen vertailu: litium-ioni vs. litiumpolymeeriakut

Insinöörit vertaavat usein pus{0}}tyyppisiä litiumpolymeerikennoja sylinterimäisiin litium--ionikennoihin, kuten18650ja21700muotoja [3].

Molemmissa teknologioissa käytetään litium{0}}ionikemiaa, mutta niiden mekaaninen rakenne luo merkittäviä eroja.

Monissa kannettavissa tuotteissa päätös on mekaaninen suunnittelu.

Jos kotelossa on kiinteä sylinterimäinen paristolokero, 18650 tai 21700 voi olla parempi valinta.

Jos käytettävissä oleva tila on ohut, epäsäännöllinen, kaareva tai erittäin räätälöity, a3,7 V:n litium-ionipolymeeriakkuyleensä antaa suunnittelutiimille enemmän joustavuutta.

3. Jänniteikkunat ja CC/CV-latausprotokolla

 

A yksikennoinen 3,7 V litiumakkuei saa kytkeä suoraan kiinteään tasavirtalähteeseen.

Se vaatii kontrolloituaCC/CV latausprofiili, tarkoittaa vakiovirta/vakiojännitelatausta [3], [5].

Tämä latausmenetelmä on vakiona litium-ioni- ja litiumpolymeerikennoissa.

 

4. C-luokitus- ja purkauskäyrien ymmärtäminen

The-luokituskuvaa lataus- tai purkausvirtaa suhteessa akun nimelliskapasiteettiin.

Peruslaskelma on:

Nykyinen (A)=Kapasiteetti (Ah) × C-nopeus

Esimerkiksi:

1000 mAh akku vastaa 1Ah:ta.

1C:ssa:

1Ah × 1C=1A

5C:ssa:

1Ah × 5C=5A

Tästä syystä C-luokituksella on niin suuri merkitys valittaessa a3,7v lipo akkueri sovelluksiin.

► Alhainen-tyhjennys- ja valmiustilalaitteet: 0,2–1 C

Tämä valikoima on yleinen tuotteille, jotka priorisoivat käyntiajan ja syklin käyttöiän huippuvirran sijaan.

Tyypillisiä sovelluksia ovat:

• IoT-anturit
• Älykkäät puettavat vaatteet
• Lääketieteelliset seurantalaitteet
• Bluetooth-laitteet
• Vähätehoiset{0}}valvontajärjestelmät

Näille tuotteille vakaa purkaus ja alhainen itsepurkautuminen{0}} ovat yleensä tärkeämpiä kuin äärimmäinen virta.

► Jatkuva keskipurkaus: 2C–5C

Tämä valikoima sopii paremmin laitteille, joilla on kohtalainen virrantarve.

Tyypillisiä sovelluksia ovat:

• Mobiili POS-päätteet
• Kädessä pidettävät teollisuusskannerit
• RF-lähettimet
• Kannettava elektroniikka
• Pienet moottorit ja toimilaitteet

Akun on säilytettävä vakaa jännite samalla kun se tuottaa suurempaa jatkuvaa virtaa.

► Korkean{0}}nopeuden LiPo-paketit: 15–30 C+ Burst

Korkean{0}}LiPo-paketiton suunniteltu sovelluksiin, jotka tarvitsevat erittäin suurta huippuvirtaa.

Tyypillisiä esimerkkejä ovat:

• Multikopterit
• Kaupalliset droonit
• Robotiikka
• RC-laitteet
• Dynaamiset servotoimilaitteet
• Tehokkaat{0}} kannettavat järjestelmät

Nämä sovellukset voivat vaatia 15C, 20C, 25C, 30C tai korkeampaa purskepurkaustehoa.

Oikean C-luokituksen valitseminen on tärkeää.

Akku, jonka purkautumiskyky on riittämätön, voi kokea liiallista jännitehäviötä, lämmön muodostumista, huonoa käyttöaikaa tai lyhentynyttä käyttöikää.

 

 

5. Akun suojaus: Miksi PCM ja BMS ovat pakollisia

Litiumakut vaativat valvottuja käyttöolosuhteita.

Ylilataus, yli-purkautuminen, oikosulut, liiallinen virta ja epänormaalit lämpötilat voivat kaikki aiheuttaa turvallisuusriskejä.

Tästä syystä monissa akkupakettien malleissa on integroitu aSuojauspiirimoduuli (PCM)taiAkunhallintajärjestelmä (BMS).

Kannettavien litiumakkusovellusten turvallisuusarviointi voi sisältää myös standardeja, kutenIEC 62133 [4], [7].

Tyypillinen 3.7V LiPo-suojarakenne

 

► Ylilataussuoja

PCM katkaisee latauspolun, jos kennojännite nousee määritellyn ylilataussuojakynnyksen yläpuolelle.

Tyypillinen suojausalue voi olla noin4.25V–4.30V [4].

Tämä auttaa estämään akun jäämisen vaaralliselle latausjännitteelle.

 

► Yli-purkaussuojaus

Suojapiiri katkaisee kuorman, kun kennojännite laskee määritellyn katkaisutason alapuolelle.

Tyypillinen alue voi olla noin2.40V–2.50V [4].

Tämä auttaa vähentämään syväpurkausvaurioiden riskiä.

 

► Oikosulku- ja ylivirtasuoja

Nopeatoimiset{0}}MOSFET-kytkimet voivat irrottaa akun, kun virta ylittää suunnitellun rajan.

Tämä suojaa kennoa ja kytkettyä elektroniikkaa seuraavien aikana:

• Ulkoiset oikosulut
• Moottorin jumiutumisolosuhteet
• Liiallinen kuormitusvirta
• Johdon viat
• Epänormaalit virtapiikit

Korkeavirta{0}}sovelluksissa PCM-asetusten on vastattava sekä akkukennoa että todellista kuormitusprofiilia.

 

► Lämmönhallinta NTC-termistorilla

AnNTC termistorivoidaan lisätä valvomaan akun lämpötilaa.

Isäntälaite tai laturi voi käyttää tätä lämpötilasignaalia latauksen lopettamiseen, kun akku on hyväksytyn toiminta-alueen ulkopuolella.

Yleinen latauslämpötila-alue on noin0 astetta 45 asteeseen, vaikka todellinen raja riippuu solun spesifikaatiosta [7].

Lääketieteellisten laitteiden, puettavien, ulkokäyttöön tarkoitettujen elektroniikkalaitteiden ja{0}}tehokkaiden sovellusten lämpövalvonta voi olla tärkeä osa akun turvallisuussuunnittelua.

► Älykkäät IoT- ja etäanturit

IoT-tuotteettarvitsevat yleensä alhaisen virrankulutuksen ja pitkän valmiustilan.

Hyvin valittu{0}}pussisolu tukee:

• Langattomat anturit
• Omaisuuden seurantalaitteet
• GPS-laitteet
• Etävalvontalaitteet
• Älykodin laitteet
• Teolliset IoT-solmut

Pitkäikäisten-IoT-tuotteiden kohdalla insinöörien tulee arvioida itsepurkautuminen,{1}}valmiusvirta, käyttölämpötila ja lataustaajuus.

► Lääketieteelliset diagnostiikkalaitteet

Lääketieteellinen elektroniikkavaativat usein tasaista akun suorituskykyä ja tiukkaa laadunvalvontaa.

Hakemukset voivat sisältää:

• Kannettavat diagnostiikkalaitteet
• Lääketieteelliset valvontalaitteet
• Puettavat terveysanturit
• Kannettavat testilaitteet
• Potilaiden seurantajärjestelmät

Tuotteesta ja markkinoista riippuen akun pätevyys voi edellyttääISO 13485valmistuksen valvonta jaIEC 62133-2turvallisuusvaatimukset [7].
 

► Sub-Zero Operations

Tavalliset litiumakut menettävät suorituskykynsä alhaisissa lämpötiloissa.

Ulkovarusteet ja kylmän{0}}ympäristön elektroniikka voivat vaatia erikoisvalmisteita matalassa{1}}lämpötiloissa.

Jotkut mallit voivat ylläpitää hyödyllistä tehoa noin lämpötilassa-40 astetta.

Tyypillisiä sovelluksia ovat:

• Ulkona käytettävät seurantalaitteet
• Kylmä{0}}ketjun valvonta
• Talviurheiluelektroniikkaa
• Teolliset anturit
• Etävalvontalaitteet

Alhainen{0}}lämpöinen akku valinnassa tulee ottaa huomioon sekä purkausteho että latausrajoitukset.

►Kaupalliset droonit ja robotit

Droonitja robotiikka tarvitsee suurta tehoa kevyessä paketissa.

Nämä sovellukset käyttävät useinkorkean-nopeuden purkamisen moni-solupakkauksetpystyy tuottamaan jatkuvaa tai purskevirtaa edellä25C.

Tärkeitä suunnitteluparametreja ovat:

• Jatkuva purkausvirta
• Huippupurkausvirta
• Jännitteen lasku
• Sisäinen vastus
• Akun paino
• Solujen yhteensopivuus
• Lämpöteho

Näille tuotteille ei riitä pelkkä{0}}kapasiteetin akun valitseminen.

Akun on myös toimitettava tarvittava virta ilman liiallista lämpöä tai jännitteen pudotusta.

7. Säilytys, hoito ja turvallisuus: Akun turpoamisen välttäminen

Tyypillinen litiumpolymeerikenno voi tarjota noin300-500 latauskertaaennen kuin kapasiteetti laskee alle noin 80 % alkuperäisestä nimellisarvostaan ​​tietyissä testiolosuhteissa [8].

Akun todellinen käyttöikä riippuu suuresti siitä, kuinka kennoa ladataan, puretaan, säilytetään ja käytetään.
 

► Varastointitila-lataus-: 3,80 V–3,85 V

Vältä pitämästä akkua jatkuvasti täyteen ladattuna, jos haluat säilyttää pitkäaikaista -säilytystä.

Täysin ladattu tavallinen LiPo-kenno on lähellä4.20V.

Varastointia varten kennojännite ympärillä3.80V–3.85V, tai suunnilleen40–50 % lataustila, voi auttaa vähentämään{0}}pitkän aikavälin hajoamista [8].

Tämä on erityisen tärkeää silloin, kun valmiit tuotteet voivat olla varastossa useita kuukausia ennen käyttöä.

► Lievittää solujen turvotusta

Akun turpoaminen johtuu yleensä kaasun muodostumisesta pussin sisällä.

Tämä voi johtua elektrolyytin hajoamisesta ja kiinteän elektrolyytin välivaiheen eli SEI:n hajoamisesta [6].

Yleisiä syitä ovat:

• Pitkäaikainen{0}}altistuminen korkeille lämpötiloille
• Ylilataus
• Lataus yli määritetyn jännitteen
• Vakava yli{0}}purkaus
• Sisäiset oikosulut
• Mekaaninen vaurio
• Solujen ikääntyminen
• Väärät latausolosuhteet

Kaasuntuotanto voi sisältää CO2:ta, CO:ta ja hiilivetyjä [6].

Turvonnut litiumpolymeeriakku tulee poistaa käytöstä.

Sitä ei saa jatkaa lataamista tai käyttää tuotteessa.

► Turvallinen hävittäminen

Vaurioituneita, turvonneita, vanhentuneita tai --käyttöikänsä lopussa olevia litiumakkuja tulee käsitellä sovellettavien paikallisten akku- ja elektroniikkajätevaatimusten mukaisesti.

Käytä hyväksyttyjä akkujen kierrätys- tai -e-jätteen keräyskanavia.

Älä laita litiumpolymeeriakkuja tavalliseen kotitalousjätteeseen.

8. Blumotin mukautetut 3,7 V litiumpolymeeriratkaisut

Hyllyssä olevat-paristot-eivät sovi kaikkiin tuotteisiin.

Monissa kompakteissa elektroniikkaprojekteissa akun valinta alkaa käytettävissä olevasta mekaanisesta tilasta.

Shenzhen Blumoti Energy Co., Ltd.tarjoaa mukautettuja akkuratkaisuja sovelluksiin, joissa pussin vakiomitat, purkautumisnopeudet, johtojen pituudet, liittimet tai suojapiirit eivät täytä suunnitteluvaatimuksia.

► Mukautetut muototekijät

Mukautetut litiumpolymeeriakutvoidaan suunnitella tiettyjen mekaanisten vaatimusten mukaisesti.

Vaihtoehtoja voivat olla:

• Kaarevat LiPo-akut
• Ultra-ohuet, alle 1,0 mm:n akut
• L-muotoiset paristot
• Pyöreät pussisolut
• Pienet litiumpolymeeriakut
• Mukautetut leveydet ja pituudet
• Mukautetut kapasiteettialueet
• Erikoismuotoiset akut

Tavoite on yksinkertainen: sovita enemmän käyttökelpoista akkukapasiteettia tuotteen sisällä jo olevaan tilaan.

► Mukautetut johdot, liittimet ja suojalevyt

Täydellinen akkuratkaisu voi sisältää myös:

• PCM-suojalevy
• Mukautettu langan pituus
• JST liittimet
• Molex-liittimet
• PH2.0 liittimet
• XH2.5 liittimet
• NTC termistori
• Mukautettu liittimen napaisuus
• Akun eristys
• Mukautetut tarrat

Tämä voi vähentää toissijaista kokoonpanotyötä lopputuotteen valmistuksen aikana.

► Maailmanlaajuiset sertifikaatit

Eri markkinat ja sovellukset voivat vaatia erilaisia ​​akun vaatimustenmukaisuusasiakirjoja.

Blumoti tarjoaa sertifiointitukea, mukaan lukien:

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

Nämä vaatimukset voivat vaikuttaa sekä tuotekehitykseen että kansainväliseen toimitukseen [4], [7], [9].

OEM- ja ODM-projektien sertifiointivaatimuksista tulisi keskustella ajoissa.

Sertifioinnin vahvistamisen odottaminen massatuotantoon voi aiheuttaa tarpeettomia viiveitä.