Az akkumulátor-összeszerelő sor magyarázata: A válogatástól a BMS-ig

Szerző: Dany Huang, Ph.D.

A TOB New Energy vezérigazgatója és kutatás-fejlesztési vezetője

Vezetői összefoglaló és legfontosabb tudnivalók

Az egyedi lítium{0}}ioncellák gyártásáról a nagyfeszültségű{1}}akkumulátorcsomag összeállítására való átmenet az, ahol az elektrokémiai tervezés találkozik a nagy-precíziós mechanikai integrációval. Hiába a tökéletes gyártású 21700-as cella, ha nem illeszkedő csomagba hegesztik.

• A "hordó effektus" abszolút:Az akkumulátor teljes kapacitását és élettartamát teljes mértékben a leggyengébb cella határozza meg. A belső ellenállás (IR) vagy a nyitott áramköri feszültség (OCV) kisebb eltérései a kapacitás idő előtti csökkenését okozzák a teljes modulban.

• A válogatás az Alapítvány:Az automatizált cellarendezés nem kötelező minőségellenőrzés; ez a csomag összeállítás alapvető matematikai alapja. A ± 1 mΩ tartományon belüli infravörös tűréssel és ± 5 mV feszültséggel rendelkező cellák csoportosítása kötelező az elektromos és ESS alkalmazásokhoz.

• A hegesztési integritás megköveteli a biztonságot:Akár kétoldalas-ellenállású ponthegesztésről, akár automatizált lézerhegesztésről van szó, a cella terminál és a gyűjtősín közötti metallurgiai kötésnek ellenállnia kell az erős vibrációnak és hőtágulásnak anélkül, hogy hamis varratokat idézne elő.

• A BMS teszt igazolja az agyat:A Battery Management System (BMS) az egyetlen dolog, amely a csomag és a hőkezelés között áll. Az átfogó BMS-tesztelő berendezéseknek szélsőséges hibaállapotokat kell szimulálniuk-túltöltést, mélykisülést és rövidzárlatokat-,- mielőtt a csomagot lezárják.

A kulcsrakész akkumulátor-összeszerelő vonal felépítése

Sok gyártó tévesen úgy tekinti a csomag összeszerelését, mint egy egyszerű mechanikus folyamatot,{0}}hogy összeragasztják a cellákat, és rácsapnak egy nikkelcsíkot. Ez az elavult gondolkodásmód az oka annak, hogy oly sok könnyű elektromos (e{2}}kerékpár) és energiatároló rendszerrel (ESS) működő startup katasztrofális garanciális igényekkel néz szembe a bevezetés első évében.

Modern, nagy{0}}hozamúakkumulátorcsomag-összeszerelő soregy adat-vezérelt, erősen automatizált munkafolyamat. Minden egyes cellát nyomon kell követni, mérni, össze kell hangolni, hegeszteni és ellenőrizni kell egy egységes gyártási végrehajtási rendszer (MES) szerint. Ha nem tudja visszavezetni a 100S10P csomag 45-ös cellájának pontos OCV-jét az eredeti rendezési adatokra, akkor nincs gyártósora; kötelezettséged van.

Az alábbiakban egy professzionális csomag-összeállítási munkafolyamat részletes, --lépésre történő mérnöki lebontása látható, kiemelve azokat a kritikus hibapontokat, amelyeket a legtöbb termelési vezető hiányol.

1. szakasz: A sejtválogatás és -illesztés kritikussága

Ha csak egy mérnöki elvet vesz ki ebből az útmutatóból, legyen ez:Soha ne szereljen össze páratlan cellákat.

Ha sorosan (a feszültség növelése érdekében) és párhuzamosan (a kapacitás növelése érdekében) csatlakoztatja a cellákat, azok egyetlen egységként működnek. A töltés során, ha egy soros sztring egyik cellája lényegesen nagyobb belső ellenállással (IR) rendelkezik, mint a szomszédaié, akkor gyorsabban éri el a feszültséglezárási küszöböt. A BMS a karakterláncot "teljesen feltöltöttként" regisztrálja, és levágja a töltőáramot, bár a többi cella csak 85%-os kapacitással rendelkezik.

A kisülés során ennek az ellenkezője történik. A "gyenge" cella először az alacsonyabb feszültség határát érinti, leállítja a csomagot, miközben a többi cella még energiát tart. Ez a hordóeffektusként ismert jelenség drasztikusan csökkenti a csomag felhasználható kapacitását, és felgyorsítja a helyi leromlást.

Az automatizált sejtválogató gép: az Ön első védelmi vonala

A hordóeffektus megelőzése érdekében a bejövő hengeres (18650, 21700, 4680) vagy prizmás cellákat automata válogatógépen kell átvezetni.

Modernakkumulátorcella-válogató gépekne hagyatkozzon a multiméter kézi leolvasására. Erősen kalibrált váltakozó áramú impedancia-tesztelőket (általában 1 kHz-en mérnek) és precíziós voltmérőket használnak az egyes cellák ezredmásodperc alatti profilálásához.

Szabványos rendezési paraméterek a nagy{0}}teljesítményű csomagokhoz:

• AC belső ellenállás (ACIR):A tűrés szigorúan ellenőrzött ± 1 mΩ és ± 2 mΩ között.

• Nyitott áramköri feszültség (OCV):A tűrés ± 5 mV és ± 10 mV között szabályozott.

• Kapacitás (ha osztályozott készletet használ):1%-os eltérésen belül megegyezik.

Mérnöki betekintés:Ne szortírozza szét a cellákat azonnal a szállítás után. A lítium-ion cellák feszültséglazulást és önkisülést{2}} tapasztalnak a szállítás során. A pontos OCV-leolvasások eléréséhez a sejteket ellenőrzött hőmérsékletű környezetben (25 fok ± 2 fok) kell tárolni legalább 48-72 órán keresztül, mielőtt a válogatógépen keresztül futtatnák őket.

2. szakasz: Szerkezeti összeszerelés és polaritásellenőrzés

Ha egy tökéletesen illeszkedő cellakötege van, azokat szerkezetileg rögzíteni kell. A vibráció a hegesztett kötés ellensége. Ha a cellák egymástól függetlenül mozognak a csomagon belül működés közben (például egy elektromos robogóban egyenetlen terepen haladva), a nikkel gyűjtősínek fémfáradást tapasztalnak, és végül elpattannak.

Cellatartók és szigetelés

A cellákat lángkésleltető polikarbonát vagy ABS műanyag konzolokba helyezik{0}}. Ezek a zárójelek három kritikus funkciót látnak el:

1. Mechanikai merevség:Rögzítik a cellákat egy fix rácsba, így a fizikai ütést a hegesztési pontoktól távolítják el.

2. Hőtávolság:A hengeres cellák között kötelező légrést (általában 1-2 mm) írnak elő. Ez a rés létfontosságú a hőelvezetéshez; ha egy cella termikus kifutóba kerül, a távolság megakadályozza az azonnali hőterjedést a szomszédos cellákba.

3. Elektromos szigetelés:Megakadályozzák, hogy a szomszédos cellák külső burkolatai (amelyek normál hengeres formátumban negatív töltést hordoznak) összeérjenek és rövidzárlatot okozzanak, ha a PVC zsugorfólia megsérül.

CCD polaritásvizsgálat

Mielőtt a csomag a hegesztőállomásra kerül, automatikus szemrevételezésnek kell alávetni. Egyetlen fejjel lefelé behelyezett cella (fordított polaritás) azonnali, katasztrofális rövidzárlatot okoz abban a pillanatban, amikor a gyűjtősínt áthegesztik rajta. A nagy sebességű CCD-kamerák a cellák mátrixát pásztázzák, és képfelismeréssel ellenőrzik, hogy a pozitív (felül gomb) és a negatív (lapos) kapcsok pontosan egyeznek-e a tervezett sorozat/párhuzamos kapcsolási rajzzal.

3. szakasz: A hegesztési folyamat – Ellenállás kontra lézer

Az egyes cellák és a csomag fő kivezetései közötti elektromos kapcsolat gyűjtősíneken keresztül -jellemzően tiszta nikkelszalagon, nikkelezett acélon,{1}}nikkelezett acélon, vagy nagy teljesítményű-alkalmazásokban alumínium- vagy rézkompozitokon keresztül valósul meg.

Az a módszer, amellyel ezeket a gyűjtősíneket a cellakapcsokhoz kötik, meghatározza a csatlakozás belső ellenállását és a csomag mechanikai tartósságát.

Mikro-ellenállásos ponthegesztés (két-oldalas)

A hengeres cellacsomagok túlnyomó többségénél (e-kerékpárok, elektromos szerszámok, szabványos ESS-modulok) a kétoldalas-ellenállásponthegesztés az ipari szabvány.

Aautomata ponthegesztő gépnagy{0}}frekvenciás inverteres egyenáramú tápegységet vagy tranzisztoros tápegységet használ. Helyi nyomást fejt ki két réz-alumínium-oxid hegesztőcsapon keresztül, és hatalmas áramimpulzust ad le a másodperc töredékéig (általában 5-15 milliszekundum). A nikkelszalag és az acél cellaburkolat közötti határfelületen lévő elektromos ellenállás intenzív helyi hőt hoz létre, és a két fémet összeolvasztja, és "rögöt" képez.

"Álhegesztések" (álhegesztés{0}}elkerülése):

A hamis varrat vizuálisan elfogadhatónak tűnik, de hiányzik belőle a kohászati ​​áthatolás. Ha a nikkelcsíkot egy jó hegesztési varratról lefeszíti, egy lyukat kell szakítania a szalagon, így a hegesztési rög a cellán marad (sikeres roncsolásos húzási teszt). A hamis hegesztés tisztán kipattan.

Ennek elkerülése érdekében a gyártómérnököknek folyamatosan figyelniük kell:

• Elektróda tű kopás:A borravalót rendszeresen le kell adni és fel kell öltöztetni. A fénytelen vagy oxidált csapok túl széles területen terjesztik az áramot, csökkentve a behatolási mélységet.

• Pneumatikus nyomás:Ha a hegesztőfej nyomása túl kicsi, az érintkezési ellenállás túl magas, ami felületi szikrázást és égést okoz. Ha a nyomás túl nagy, az áram teljesen megkerüli az interfészt.

Lézeres hegesztés nagy{0}}teljesítményű csomagokhoz

Ahogy haladunk a nagy-kapacitású prizmatikus cellák és a masszív EV-architektúrák felé, a hagyományos ponthegesztés nehezen képes áthatolni a vastag réz- vagy alumíniumsíneken. Itt a szálas lézerhegesztés veszi át az uralmat. A lézeres hegesztés folyamatos, alacsony -ellenállású varrathegesztést tesz lehetővé, erősen szabályozott hőhatászónával (HAZ). Ez azonban nagyságrendekkel több tőkebefektetést és rendkívül szigorú légköri szabályozást igényel a plazmaárnyékolás és a hegesztési porozitás megelőzése érdekében.

4. szakasz: BMS-integráció – A művelet agya

Az akkumulátorcsomag szerkezetileg és elektromosan egységes, de "buta". Akkumulátorkezelő rendszer (BMS) nélkül a lítium{1}}ionok kémiája eredendően instabil és veszélyes.

A BMS egy összetett nyomtatott áramköri kártya (PCB), amely figyeli a csomag minden párhuzamos csoportjának állapotát. A kábelköteget aprólékosan el kell vezetni és forrasztani (vagy ultrahanggal hegeszteni) a BMS-től minden egyes soros csatlakozás pozitív kivezetésére.

Alapvető BMS funkciók:

1. Túltöltés elleni védelem:Leválasztja az áramkört, ha bármely cellalánc túllépi a maximális biztonságos feszültséget (pl. 4,25 V NMC, 3,65 V LFP).

2. Túl-kisülés elleni védelem:Lekapcsolja az áramellátást, ha bármely húr a minimális biztonságos feszültség alá esik, így megakadályozza a réz visszafordíthatatlan feloldódását az anódon.

3. Túláram / rövidzárlat elleni védelem:MOSFET-eket vagy kontaktorokat használ a kapcsolat azonnali megszakításához, ha a kisülési áram túllép a tervezési határon.

4. Hőmérséklet figyelés:A cella mátrixába eltemetett NTC termisztorokat alkalmaz a hő figyelésére. Ha a hőmérséklet meghaladja a biztonságos működési határokat (általában 65 fok), a BMS leállítja a csomagot.

5. Passzív/aktív egyensúlyozás:Levezeti a felesleges energiát a legmagasabb{0}}feszültségű cellákból a töltési ciklus végén a bypass ellenállásokon keresztül, lehetővé téve az alacsonyabb-feszültségű cellák "utolérését". A BMS így küzd meg a hordóeffektussal a csomag élettartama felett.

5. szakasz: Átfogó BMS és csomagteszt

Nem feltételezhető, hogy a BMS megfelelően volt bekötve, vagy hogy a firmware megfelelően működik. A hibás BMS lehetővé teszi, hogy a csomag közvetlenül a hőelvezetőbe töltődjön.

A végső csomagolás előtt a teljes szerelvényt csatlakoztatni kell az ipari hálózathozBMS vizsgáló berendezésés végi-sor-(EOL) csomagtesztelők.

A BMS tesztelési protokoll

A BMS-tesztelő az akkumulátorcellák viselkedését szimulálja annak ellenőrzésére, hogy az alaplap védelmi logikája pontosan a feltételezett mikroszekundumban aktiválódik-e.

• Feszültség szimuláció:A teszter mesterségesen nagyfeszültségű jelet (pl. 4,3 V) fecskendez be az egyik érzékelő vezetékbe. A berendezés ellenőrzi, hogy a BMS MOSFET-jei azonnal kiváltják-e a túltöltés{4}}lezárását.

• Jelenlegi injekció:A teszter hatalmas, pillanatnyi áramimpulzust vezet át a fő kisülési vezetékeken, hogy ellenőrizze a rövidzár{0}}védelmi válaszidőt (amelynek mikroszekundumban kell reagálnia).

• Egyensúly ellenőrzése:A teszter figyeli a kiegyenlítő áramköröket, hogy megbizonyosodjon arról, hogy a légtelenítő ellenállások aktiválódnak, amikor szimulált feszültség-delta kerül a húrokba.

Végső EOL-csomag tesztelés

A BMS ellenőrzése után az elkészült csomagot egy End{0}}of-Line tesztelőn futtatják. Ez a gép végső, holisztikus ellenőrzést végez:

• Teljes Pack AC belső ellenállás.

• Teljes nyitott áramköri feszültség.

• Magas-potű (dielektromos ellenállású) tesztelés: Nagy feszültség alkalmazása a feszültség alatt álló kapcsok és a csomag külső burkolata között, hogy biztosítsa a szigetelés meghibásodását vagy szivárgási áramát.

• Egy rövid, nagy{0}}áramú töltési/kisütési ciklus az általános energiaellátási képesség ellenőrzésére.

Végső kapszulázás és öregedés

A csomag csak az összes EOL-teszten való megfelelés után záródik le. A szabványos csomagok esetében ez azt jelenti, hogy az összeállítást epoxi üvegszálas lapokba kell csomagolni, és egy nagy teherbírású PVC-hüvelyt köré kell zsugorítani. Az ESS és EV alkalmazásokhoz a csomagot egy IP67-es besorolású alumínium vagy acél burkolatba süllyesztik, hővezető szerkezeti ragasztóval bevonják, és csavarral zárják le.

Végül az elkészült csomagok érlelési folyamaton mennek keresztül (általában 7-14 napig) egy felügyelt hőmérsékletű raktárban. Ez lehetővé teszi a csomagolás belső kémiájának stabilizálódását, és feltárja a késleltetett mikro-zárlatokat vagy hibás hegesztéseket, mielőtt a terméket a végfelhasználóhoz szállítanák.

Tervezi a következő csomagot?

Az önálló gépek beszerzése különböző gyártóktól szoftverintegrációs rémálmokhoz és nem megfelelő ciklusidőhöz vezet. TOB New Energy mérnökei teljesen integrált, kulcsrakész akkumulátor-összeszerelő sorok. Az automatizált cellaválogatástól és CCD-ellenőrzéstől a kétoldalas szervohegesztésig és a végső EOL-tesztig berendezéseink hibátlanul kommunikálnak az egységes MES-rendszerben. Adja meg nekünk a megcélzott csomagkapacitást és a napi teljesítményigényt, és mérnöki csapatunk átfogó gyári tervet készít.