3,7 V liitium-ioonpolümeerakud: tehniline, laadimine, ohutus ja kohandatud lahendused

Sissejuhatus

3,7 V LiPo aku valimine algab toote mehaanilisest ruumist ja koormusprofiilist -mitte ainult mahutavuse eesmärgist.

Neid rakke kasutatakse laialdaselt, kuna need ühendavad väikese kaalu, kompaktse pakendi ja paindlikud vormitegurid. Kuid korpusega sobiv aku võib siiski kehvemini toimida, kui selle laadimispinge, C-reiting, kaitseseaded, temperatuurivahemik või sertifitseerimistee on valed.

Selles juhendis selgitatakse kõige olulisemaid tehnilisi parameetreid-alates elemendi struktuurist ja CC/CV laadimisest kuni tühjendusvõime, PCM/BMS-kaitse, salvestuse, ohutuse ja kohandatud OEM-valikuteni,{1}}et saaksite valida või määrata õige 3,7 V LiPo lahenduse projekteerimistsükli alguses.

1. Mis on 3,7 V liitium-ioonpolümeeraku?

A liitiumioon-polümeer aku 3,7von laetav liitiumaku, mis on ehitatud painduvasse lamineeritud alumiiniumkotti.

Tavaliselt nimetatakse seda ka a3,7 V lipoelement, ühe-elemendiga lipoaku, või1S liitiumpolümeer aku.

LiPo rakud kasutavad kerget kotistruktuuri. See annab tootedisaineritele palju rohkem vabadust õhukeste, kumerate või piiratud ruumidega{1}}töötamisel [1].

Keemia ja tööpõhimõte

Sees aüherakuline lipo, ühendab aku tavaliselt liitiumkoobaltoksiidi (LCO), nikkel-mangaankoobalti (NMC) või kolmekomponentset katoodmaterjali interkaleeritud grafiitanoodiga [1].

Laadimise ja tühjenemise ajal liiguvad liitiumioonid katoodi ja anoodi vahel läbi elektrolüüdi.

Peamised pingeparameetrid hõlmavad järgmist:

• Nimipinge: 3,7V

See on standardse liitiumpolümeerelemendi keskmine tööpinge tavalistes tühjendustingimustes [1].

• Maksimaalne laadimispinge: 4,20 V

Tavaline 3,7 V LiPo aku laetakse tavaliselt 4,20 V-ni.

• Kõrge-pinge variandid: 3,8 V / 3,85 V

Täiustatudkõrge{0}}pinge lipo (LiHV)elemente saab laadida kuni 4,35 V või 4,40 V. Neid konstruktsioone kasutatakse siis, kui sama mehaanilise jalajälje piires on vaja suuremat energiatihedust [2].

2. Tehniline võrdlus: liitium-ioon vs. liitiumpolümeerakud

Insenerid võrdlevad sageli kott{0}}tüüpi liitiumpolümeerelemente silindriliste liitium{1}}ioonelementidega, nagu18650ja21700vormingud [3].

Mõlemad tehnoloogiad kasutavad liitium{0}}ioonide keemiat, kuid nende mehaaniline konstruktsioon tekitab olulisi erinevusi.

Paljude kaasaskantavate toodete puhul taandub otsus mehaanilisele disainile.

Kui korpusel on fikseeritud silindriline akupesa, võib parem valik olla 18650 või 21700.

Kui saadaolev ruum on õhuke, ebakorrapärane, kumer või väga kohandatud, a3,7 V liitium-ioonpolümeerakuannab tavaliselt disainimeeskonnale rohkem paindlikkust.

3. Pingeaknad ja CC/CV laadimisprotokoll

 

A üheelemendiline 3,7 V liitiumakuei tohiks olla ühendatud otse fikseeritud alalisvoolu toiteallikaga.

See nõuab kontrolliCC/CV laadimisprofiil, mis tähendab Constant Current / Constant Voltage laadimist [3], [5].

See laadimismeetod on liitiumioon{0}}- ja liitiumpolümeerelementide jaoks standardne.

 

4. C-hinnangu- ja tühjenduskõverate mõistmine

TheK-hinnangkirjeldab laadimis- või tühjendusvoolu aku nimimahtuvuse suhtes.

Põhiline arvutus on järgmine:

Praegune (A)=mahutavus (Ah) × C-kiirus

Näiteks:

1000 mAh aku on võrdne 1 Ah-ga.

1C juures:

1Ah × 1C=1A

5C juures:

1Ah × 5C=5A

Seetõttu on C{0}}reiting a valimisel nii oluline3,7 V lipo akuerinevate rakenduste jaoks.

► Madal-Tühjendus- ja ooterežiimi seadmed: 0,2–1 °C

See vahemik on tavaline toodete puhul, mis eelistavad tööaega ja tsükli eluiga tippvoolule.

Tüüpilised rakendused hõlmavad järgmist:

• IoT andurid
• Nutikad kantavad esemed
• Meditsiinilised jälgimisseadmed
• Bluetooth-seadmed
• Madala võimsusega-seiresüsteemid

Nende toodete puhul on stabiilne tühjenemine ja madal isetühjenemine{0}} tavaliselt olulisemad kui äärmuslik väljundvool.

► Pidev keskmine tühjenemine: 2C–5C

See vahemik sobib paremini mõõduka energiavajadusega seadmetele.

Tüüpilised rakendused hõlmavad järgmist:

• Mobiilsed POS-terminalid
• Tööstuslikud käeshoitavad skannerid
• RF saatjad
• Kaasaskantav elektroonika
• Väikesed mootorid ja ajamid

Aku peab säilitama stabiilse pinge, pakkudes samal ajal suuremat pidevat voolu.

► Kõrge{0}}kiirusega LiPo paketid: 15–30 °C+ sarivõte

Kõrge{0}}hinnaga LiPo paketidon mõeldud rakendustele, mis vajavad väga suurt tippvoolu.

Tüüpilised näited hõlmavad järgmist:

• Multikopterid
• Kaubanduslikud droonid
• Robootika
• RC seadmed
• Dünaamilised servoajamid
• Suure{0}}võimsusega kaasaskantavad süsteemid

Need rakendused võivad vajada 15C, 20C, 25C, 30C või suuremat purskelahenduse jõudlust.

Õige C{0}}reitingu valimine on ülioluline.

Ebapiisava tühjenemisvõimega aku puhul võib tekkida ülemäärane pingelangus, soojuse teke, kehv tööaeg või lühenenud tsükli eluiga.

 

 

5. Aku kaitse: miks PCM ja BMS on kohustuslikud?

Liitiumakud nõuavad kontrollitud töötingimusi.

Ülelaadimine, üle{0}}tühjenemine, lühised, liigne vool ja ebatavalised temperatuurid võivad kõik tekitada ohutusriske.

Seetõttu on paljudes akukomplektides integreeritud aKaitseahela moodul (PCM)võiAkuhaldussüsteem (BMS).

Kaasaskantavate liitiumakurakenduste puhul võib ohutuse hindamine hõlmata ka selliseid standardeid naguIEC 62133 [4], [7].

Tüüpiline 3,7 V LiPo kaitsestruktuur

 

► Ülelaadimiskaitse

PCM katkestab laadimistee, kui elemendi pinge tõuseb üle määratud ülelaadimiskaitse läve.

Tüüpiline kaitsevahemik võib olla umbes4.25V–4.30V [4].

See aitab vältida aku jäämist ebaturvalisele laadimispingele.

 

► Üle-tühjenemise kaitse

Kaitseahel katkestab koormuse, kui elemendi pinge langeb alla määratud piirtaseme.

Tüüpiline vahemik võib olla umbes2.40V–2.50V [4].

See aitab vähendada sügava tühjenemise kahjustuse ohtu.

 

► Lühise- ja liigvoolukaitse

Kiiresti{0}}toimivad MOSFET-lülitid võivad aku lahti ühendada, kui vool tõuseb üle kavandatud piiri.

See kaitseb elementi ja ühendatud elektroonikat järgmistel juhtudel:

• Välised lühised
• Mootori seiskumise tingimused
• Liigne koormusvool
• Juhtmete vead
• Ebanormaalsed voolu hüpped

Suure vooluga{0}}rakenduste puhul peavad PCM-i sätted ühtima nii akuelemendi kui ka tegeliku koormusprofiiliga.

 

► Soojusjuhtimine NTC termistoriga

AnNTC termistorsaab lisada aku temperatuuri jälgimiseks.

Põhiseade või laadija saab seda temperatuurisignaali kasutada laadimise peatamiseks, kui aku on väljaspool heakskiidetud tööpiirkonda.

Tavaline laadimistemperatuuri vahemik on ligikaudu0 kraadi kuni 45 kraadi, kuigi tegelik piirang sõltub lahtri spetsifikatsioonist [7].

Meditsiiniseadmete, kantavate seadmete, väliselektroonika ja suure võimsusega{0}}rakenduste puhul võib termoseire olla aku ohutuse disaini oluline osa.

► Nutikad asjade internet ja kaugandurid

IoT tootedvajavad tavaliselt madalat energiatarbimist ja pikka ooteaega.

Hästi-valitud kotirakk toetab:

• Juhtmeta andurid
• Varade jälgijad
• GPS-seadmed
• Kaugseire seadmed
• Nutikad koduseadmed
• Tööstuslikud IoT sõlmed

Pikaealiste IoT-toodete puhul peaksid insenerid hindama isetühjenemist-, ooterežiimi voolu, töötemperatuuri ja laadimissagedust.

► Meditsiinilised diagnostikaseadmed

Meditsiiniline elektroonikanõuavad sageli ühtlast aku jõudlust ja ranget kvaliteedikontrolli.

Rakendused võivad sisaldada:

• Kaasaskantavad diagnostikaseadmed
• Meditsiinilised jälgimisseadmed
• Kantavad terviseandurid
• Kaasaskantavad testimisseadmed
• Patsiendi jälgimise süsteemid

Olenevalt tootest ja turust võib aku kvalifikatsioon hõlmataISO 13485tootmiskontrollid jaIEC 62133-2ohutusnõuded [7].
 

► Sub{0}}Null operatsioonid

Standardsed liitiumakud kaotavad madalatel temperatuuridel jõudluse.

Välisseadmete ja külma{0}}keskkonna elektroonika jaoks võib vaja minna spetsiaalseid madala temperatuuriga{1}}preparaate.

Mõned konstruktsioonid suudavad säilitada kasulikku väljundit temperatuuridel kuni ligikaudu-40 kraadi.

Tüüpilised rakendused hõlmavad järgmist:

• Välistingimustes kasutatavad jälgimisseadmed
• Külma-ahela jälgimine
• Talispordi elektroonika
• Tööstuslikud andurid
• Kaugseire seadmed

Madal{0}}temperatuur aku valikul tuleks arvesse võtta nii tühjenemise jõudlust kui ka laadimispiiranguid.

►Kaubanduslikud droonid ja robootika

Droonidja robootika vajab kerges pakendis suurt võimsust.

Need rakendused kasutavad sagelisuure -kiirusega tühjenemise mitme-rakupaketidvõimeline edastama ülaltoodud pidevat või purskevoolu25C.

Olulised disainiparameetrid hõlmavad järgmist:

• Pidev tühjendusvool
• Tipplahendusvool
• Pinge langus
• Sisemine takistus
• Aku kaal
• Lahtri sobitamine
• Termiline jõudlus

Nende toodete puhul ei piisa lihtsalt suure{0}}võimsusega aku valimisest.

Samuti peab aku andma vajaliku voolu ilma liigse kuumuse või pingelanguseta.

7. Hoiustamine, hooldus ja ohutus: aku paisumise vältimine

Tüüpiline liitiumpolümeerelement võib pakkuda umbes300 kuni 500 laadimistsüklitenne, kui võimsus langeb kindlaksmääratud katsetingimustes alla ligikaudu 80% esialgsest väärtusest [8].

Aku tegelik eluiga sõltub suuresti sellest, kuidas elementi laaditakse, tühjeneb, hoitakse ja kasutatakse.
 

► Salvestusseisund-laadimis-: 3,80 V–3,85 V

Pikaajaliseks-säilitamiseks vältige aku pidevat täislaadimisel hoidmist.

Täielikult laetud tavaline LiPo element on ümberringi4.20V.

Säilitamiseks elemendi pinge ümber3.80V–3.85V, või ligikaudu40–50% laetuse tase, võib aidata vähendada pikaajalist{0}}degradatsiooni [8].

See on eriti oluline, kui valmistooted võivad enne kasutamist mitu kuud ladudes olla.

► Rakkude turse leevendamine

Aku paisumise põhjuseks on tavaliselt gaasi teke koti sees.

See võib tuleneda elektrolüütide lagunemisest ja tahke elektrolüüdi interfaasi ehk SEI lagunemisest [6].

Levinud põhjused on järgmised:

• Pikaajaline{0}}kokkupuude kõrge temperatuuriga
• Ülelaadimine
• Laadimine üle määratud pinge
• Tõsine üle{0}}heide
• Sisemised lühised
• Mehaaniline kahjustus
• Rakkude vananemine
• Valed laadimistingimused

Gaasi teke võib hõlmata CO2, CO ja süsivesinikke [6].

Paisunud liitiumpolümeeraku tuleks kasutusest eemaldada.

Seda ei tohiks tootes jätkuvalt laadida ega kasutada.

► Ohutu kõrvaldamine

Kahjustatud, paisunud, vananenud või kasutusea lõppenud--liitiumakusid tuleb käidelda vastavalt kehtivatele kohalikele aku- ja elektroonikajäätmete nõuetele.

Kasutage heakskiidetud akude ringlussevõtu või e{0}}jäätmete kogumiskanaleid.

Ärge visake liitiumpolümeerakusid tavaliste olmejäätmete hulka.

8. Blumoti kohandatud 3,7 V liitiumpolümeeri lahendused

Müügil olevad-aku-suurused ei sobi iga tootega.

Paljudes kompaktsete elektroonikaprojektide puhul algab aku valik olemasolevast mehaanilisest ruumist.

Shenzhen Blumoti Energy Co., Ltd.pakub kohandatud akulahendusi rakendustele, kus koti standardmõõtmed, tühjenemiskiirused, juhtmete pikkused, pistikud või kaitseahelad ei vasta projekteerimisnõuetele.

► Kohandatud vormitegurid

Kohandatud liitiumpolümeerakudsaab kujundada vastavalt konkreetsetele mehaanilistele nõuetele.

Valikud võivad hõlmata järgmist:

• Kumerad LiPo akud
• Ultra-õhukesed akud alla 1,0 mm
• L-kujulised patareid
• Ringikujulised kotirakud
• Väikesed liitiumpolümeerakud
• Kohandatud laiused ja pikkused
• Kohandatud võimsusvahemikud
• Aku erikujud

Eesmärk on lihtne: mahutage rohkem kasutatavat aku mahtu toote sees juba olemasolevasse ruumi.

► Kohandatud juhtmed, pistikud ja kaitseplaadid

Täielik akulahendus võib sisaldada ka:

• PCM kaitseplaat
• Kohandatud traadi pikkus
• JST pistikud
• Molexi pistikud
• PH2.0 pistikud
• XH2.5 pistikud
• NTC termistor
• Kohandatud pistiku polaarsus
• Aku isolatsioon
• Kohandatud sildid

See võib lõpptoote valmistamisel vähendada teisest montaažitööd.

► Globaalsed sertifikaadid

Erinevad turud ja rakendused võivad nõuda erinevaid aku vastavusdokumente.

Blumoti pakub sertifitseerimise tuge, sealhulgas:

• ÜRO38.3
• UL 1642
• CE
• IEC 62133-2
• RoHS
• KC

Need nõuded võivad mõjutada nii tootearendust kui ka rahvusvahelist saatmist [4], [7], [9].

OEM- ja ODM-projektide puhul tuleks sertifitseerimisnõudeid varakult arutada.

Sertifikaadi kinnitamiseks masstootmise ootamine võib tekitada tarbetuid viivitusi.