Pengetahuan Dasar tentang Baterai Li-ion untuk Paket Baterai Lampu Jalan Tenaga Surya

(1) Komposisi baterai Li-ion

Baterai Li-ion terutama terdiri dari dua bagian: sel baterai dan papan pelindung PCM (sistem manajemen baterai, BMS). Sel baterai Li-ion adalah jantung dari baterai Li-ion, dan sistem manajemennya setara dengan otak dari baterai Li-ion.

Inti dari rangkaian ini terutama terdiri dari material elektroda positif, material elektroda negatif, elektrolit, diafragma, dan cangkang. Pelat pelindung terutama terdiri dari chip pelindung (atau chip manajemen), tabung MOS, resistor, kapasitor, dan papan PCB.

(2) Kelebihan dan kekurangan baterai Li-ion

Baterai Li-ion memiliki banyak keunggulan, seperti platform tegangan tinggi, kepadatan energi tinggi (ringan, volume kecil), masa pakai yang lama, dan ramah lingkungan.

Kelemahan baterai lithium adalah harganya relatif tinggi, rentang suhunya relatif sempit, dan terdapat risiko keamanan tertentu (perlu menambahkan sistem perlindungan).

(3) Klasifikasi Baterai Li-ion

Baterai lithium dapat dibagi menjadi dua kategori: baterai sekali pakai yang tidak dapat diisi ulang dan baterai isi ulang (juga dikenal sebagai baterai).

Baterai sekali pakai seperti baterai litium mangan dioksida, baterai litium sulfimida.

Baterai isi ulang dapat dibagi menjadi beberapa kategori berikut sesuai dengan situasi yang berbeda.

1. Berdasarkan penampilan: baterai lithium persegi (seperti baterai ponsel biasa) dan baterai lithium silinder (seperti baterai 18650 pada peralatan listrik);
2. Berdasarkan bahan yang diimpor: baterai lithium dengan cangkang aluminium, baterai lithium dengan cangkang baja, dan baterai dengan kantong lunak.
3. Berdasarkan bahan katoda, yaitu asam kobalt litium (LiCoO2), manganat litium (LiMn2O4), litium terner (LiMn2O4), dan besi fosfat litium (LiFePO4);
4. Berdasarkan jenis elektrolitnya: baterai ion litium (LIB) dan baterai polimer (PLB);
5. Berdasarkan penggunaan: baterai umum dan baterai daya.
6. Berdasarkan karakteristik kinerja: baterai kapasitas tinggi, baterai laju tinggi, baterai suhu tinggi, baterai suhu rendah, dll.

(4) Penjelasan istilah umum

1. Kapasitas

Ini merujuk pada jumlah listrik yang dapat diperoleh dari baterai lithium dalam kondisi pengosongan tertentu.

Kita tahu dalam pelajaran fisika SMA bahwa rumus besaran listrik adalah q = I * t, satuannya adalah Coulomb, dan satuan kapasitas baterai dinyatakan sebagai Ah (ampere-jam) atau mAh (milliampere-jam). Ini berarti bahwa baterai 1Ah dapat digunakan selama 1 jam dengan arus 1A ketika terisi penuh.

Dahulu, baterai ponsel Nokia lawas (seperti BL-5C) umumnya berkapasitas 500 mAh. Sekarang, baterai smartphone saat ini berkapasitas 800-1900 mAh, baterai sepeda listrik umumnya 10-20 Ah, dan baterai kendaraan listrik umumnya 20-200 Ah.

2. Tingkat pengisian/pengosongan

Ini menunjukkan berapa banyak arus yang digunakan untuk pengisian dan pengosongan. Nilai ini umumnya dihitung dengan mengalikan kapasitas nominal baterai, yang biasanya disebut "beberapa C".

Untuk baterai dengan kapasitas 1500mAh, 1C = 1500mAh telah ditentukan. Jika pengosongan dilakukan pada 2C, artinya arus yang mengalir adalah 3000mA. Pengisian dan pengosongan pada 0,1C berarti arus yang mengalir adalah 150mA.

3. Tegangan (OCV: tegangan rangkaian terbuka)

Tegangan baterai umumnya mengacu pada tegangan nominal baterai lithium (juga dikenal sebagai tegangan terukur). Tegangan nominal baterai lithium biasa umumnya adalah 3,7V, kita juga menyebut tegangan platformnya 3,7V. Ketika kita mengatakan tegangan, kita umumnya berarti tegangan rangkaian terbuka baterai.

Ketika kapasitas baterai adalah 20-80%, tegangan terkonsentrasi sekitar 3,7V (3,6-3,9V), ketika kapasitas terlalu tinggi atau terlalu rendah, dan tegangan berubah secara drastis.

4. Energi/daya

Ketika baterai habis dayanya sesuai standar tertentu, energi (E) yang dapat dikeluarkan baterai adalah Wh (watt-jam) atau kWh (kilowatt-jam), dan 1 kWh = 1 kilowatt-jam.

Buku fisika memiliki konsep dasar, e = u * I * t, yang juga sama dengan tegangan baterai dikalikan kapasitas baterai.

Rumus daya adalah p = u * I = E / T, yang mewakili energi yang dapat dilepaskan per satuan waktu. Satuannya adalah w (W) atau kW (kW).

Untuk baterai dengan kapasitas 1500mAh, tegangan nominal umumnya adalah 3,7V, sehingga energi yang dihasilkan adalah 5,55Wh.

5. Perlawanan

Karena pengisian dan pengosongan daya tidak dapat disamakan dengan catu daya ideal karena adanya hambatan internal tertentu. Hambatan internal tersebut mengkonsumsi energi. Semakin kecil hambatan internal, semakin baik.

Satuan hambatan internal baterai adalah milliohm (m Ω).

Secara umum, hambatan internal baterai terdiri dari hambatan internal ohmik dan hambatan internal terpolarisasi. Besarnya hambatan internal dipengaruhi oleh material, proses pembuatan, dan struktur baterai.

6. Siklus hidup

Setelah baterai diisi dan dikosongkan, proses tersebut disebut satu siklus, dan masa pakai siklus merupakan indikator penting untuk mengukur kinerja masa pakai baterai.

Menurut standar IEC, baterai lithium ponsel harus dikosongkan hingga 3,0V pada 0,2C dan diisi hingga 4,2V pada 1C. Kapasitas baterai harus dipertahankan di atas 60% dari kapasitas awal setelah 500 siklus. Dengan kata lain, masa pakai siklus baterai lithium adalah 500 kali.

Sesuai dengan standar nasional, kapasitas harus tetap sebesar 70% dari kapasitas awal setelah 300 siklus.

Jika kapasitas baterai kurang dari 60% dari kapasitas awal, umumnya baterai tersebut dianggap tidak layak pakai.

7. DOD: kedalaman pelepasan

Ini didefinisikan sebagai persentase dari kapasitas nominal yang dilepaskan oleh baterai.

Secara umum, semakin dalam kedalaman pengosongan, semakin pendek umur baterai.

8. Tegangan terputus

Tegangan terminasi dibagi menjadi tegangan terminasi pengisian dan tegangan terminasi pengosongan, yaitu tegangan di mana baterai tidak dapat lagi diisi atau dikosongkan. Jika baterai terus diisi atau dikosongkan pada tegangan terminasi, masa pakai baterai akan sangat terpengaruh.

Tegangan penghentian pengisian dan pengosongan baterai lithium masing-masing adalah 4,2V dan 3,0V.

Dilarang keras mengisi atau mengosongkan daya baterai lithium melebihi tegangan terminasi.

9. Pelepasan diri sendiri

Ini mengacu pada tingkat penurunan kapasitas selamapenyimpanan ng, dinyatakan sebagai persentase penurunan kapasitas per satuan waktu.

Tingkat pengosongan sendiri pada baterai lithium umum adalah 2% ~ 9% / bulan.

10.   SOC (Status Pengisian Daya)

Ini mengacu pada persentase daya baterai yang tersisa dan total daya yang dapat dikeluarkan, 0 ~ 100%. Mencerminkan daya baterai yang tersisa.

(5) Aturan penamaan baterai Li-ion

Berbeda baterai produsen Meskipun memiliki aturan penamaan yang berbeda, kita semua mengikuti standar yang sama untuk baterai secara umum. Ukuran baterai dapat diketahui berdasarkan nama baterai tersebut.

Menurut IEC61960, aturan untuk baterai silinder dan persegi adalah sebagai berikut:

1. Baterai silinder, 3 huruf diikuti 5 angka,

Tiga huruf, huruf pertama mewakili material elektroda negatif, I berarti terdapat ion litium terintegrasi, L mewakili elektroda logam litium atau paduan litium. Huruf kedua menunjukkan material elektroda positif, C menunjukkan kobalt, n menunjukkan nikel, m menunjukkan mangan, dan V menunjukkan vanadium. Huruf ketiga adalah R untuk silinder. 5 digit, 2 digit pertama mewakili diameter, 3 digit terakhir mewakili tinggi, semuanya dalam mm.

2. Baterai persegi, 6 digit setelah 3 huruf,

Tiga huruf. Dua huruf pertama memiliki arti yang sama dengan silinder. Huruf terakhir adalah p, yang berarti persegi.

Terdapat enam digit, dua digit pertama menunjukkan ketebalan, digit tengah menunjukkan lebar, dan dua digit terakhir menunjukkan tinggi (panjang), dengan satuan mm.

Sebagai contoh, ICR 18650 adalah baterai silinder 18650 universal dengan diameter 18mm dan tinggi 65mm;

ICP 053353 adalah baterai berbentuk persegi dengan ketebalan 5mm, lebar 33mm, dan tinggi (panjang) 53mm.

(6) Teknologi Baterai Li-ion

Terdapat beberapa perbedaan dalam alur proses berbagai baterai dan berbagai produsen, dan alur proses detailnya akan sangat kompleks. Alur proses dasar, alur proses pembuatan sel, dan alur proses pembuatan paket baterai tercantum di bawah ini.

Proses produksi sel listrik terutama meliputi pembuatan kutub magnet, pembuatan sel listrik, perakitan baterai, injeksi cairan, pembentukan bahan kimia, pemisahan, dan proses lainnya.

Dari pencampuran bahan hingga penggulungan, elektroda positif dan negatif dibuat di bengkel yang berbeda secara bersamaan. Setelah elektroda positif dan negatif dibuat, proses selanjutnya dilakukan bersamaan. Berbagai tahapan pemeriksaan kualitas (QA) akan disisipkan di tengah proses.

(7) Konfigurasi grup dan seri-paralel baterai Li-ion

Di berbagai bidang, persyaratan untuk baterai berbeda-beda. Sistem tersebut memiliki beberapa persyaratan khusus untuk tegangan, kapasitas, resistansi internal, dan lain-lain. Seringkali satu baterai saja tidak dapat memenuhi persyaratan tersebut, baterai perlu dihubungkan secara seri dan paralel untuk memasok daya ke luar.

Performa baterai yang disusun secara seri dan paralel ditentukan oleh performa baterai terburuk, yang sering disebut sebagai "prinsip barel". Oleh karena itu, poin terpenting dalam pengelompokan baterai adalah konsistensi parameter performa baterai.

Sebagai contoh, laptop, sepeda listrik, kendaraan listrik, sistem penyimpanan energi, dan lain sebagainya, semuanya perlu mempertimbangkan koneksi seri dan paralel baterai untuk membentuk paket baterai.

Tegangan baterai notebook umumnya 11,1V atau 14,8V, terutama baterai 18650, sehingga biasanya disusun 2 seri dan 3 paralel atau 2 seri dan 4 paralel.

Apple iPad menggunakan tiga baterai polimer yang dihubungkan secara paralel, dengan kapasitas sekitar 25 Wh.

Sistem sepeda listrik dan sepeda motor listrik umumnya menggunakan tegangan 24V, 36V, 48V, 60V, dan 72V. Lihat tabel berikut untuk kondisi grup spesifik (s mewakili koneksi seri).

Kendaraan listrik murni dan kendaraan listrik hibrida (EV/PHEV) memiliki tegangan yang lebih tinggi, sekitar 250 ~ 500V, dan tegangan maksimum akan lebih dari 150 knot yang dihubungkan secara seri.

Selain itu, ada banyak hal yang perlu dipertimbangkan dalam pengelompokan baterai dalam koneksi seri-paralel, seperti konsistensi platform tegangan baterai, konsistensi kapasitas baterai, konsistensi resistansi internal baterai, dan lain sebagainya.

Konsistensi parameter baterai setelah koneksi seri-paralel sangat berpengaruh terhadap kinerja dan umur baterai.

 8) Perbandingan berbagai baterai daya

Baterai daya terutama dipertimbangkan dari segi aplikasinya, terutama digunakan pada kendaraan listrik, sepeda listrik, peralatan listrik, dan sebagainya.

Baterai daya berbeda dari baterai biasa, tetapi memiliki beberapa karakteristik khusus.

1. Koneksi seri dan paralel baterai
2. Baterai tersebut memiliki kapasitas yang lebih besar.
3. Tingkat pengurasan baterai tinggi (daya hibrida dan peralatan listrik)
4. Baterai ini memiliki persyaratan keamanan yang lebih tinggi.
5. Baterai ini memiliki rentang suhu operasi yang luas.
6. Masa pakai baterai cukup lama, umumnya 5-10 tahun.

Karena kekhususan baterai daya, terdapat beberapa perbedaan dalam proses dan materialnya. Menurut situasi material elektroda positif, baterai ini terutama dibagi menjadi litium manganat (LiMn2O4), litium terner (LiMn2O4), litium besi fosfat (LiFePO4), dll. Platform tegangan, kepadatan energi, harga, keamanan, dll. semuanya memiliki perbedaan tertentu. Lihat perbandingan pada tabel di bawah ini untuk detailnya:

(Litium kobaltit jarang digunakan sebagai baterai daya karena stabilitasnya yang buruk dan harganya yang tinggi, yang tercantum dan dibandingkan dalam tabel di bawah ini)

(9) Model baterai lithium

Dari segi karakteristik kelistrikan, hambatan internal baterai tidak sepenuhnya setara dengan resistor. Untuk detailnya, silakan merujuk pada model rangkaian ekivalen PNGV luar negeri. Seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Hambatan internal baterai terutama terdiri dari hambatan ohmik R0 dan hambatan polarisasi R1, di mana C1 adalah kapasitansi polarisasi.

Terdapat dua metode pengujian utama untuk pengukuran resistansi internal baterai di industri. Metode pelepasan DC dan metode injeksi AC, yang tidak dapat diukur dengan metode pengukuran resistansi biasa, tetapi hanya dapat diukur dengan instrumen pengukuran resistansi internal khusus.

Resistansi internal baterai merupakan parameter penting yang mencerminkan kinerja dan masa pakai baterai. Ketika masa pakai baterai mendekati batas tertentu, resistansi internal baterai meningkat tajam. Hubungan antara jumlah siklus dan resistansi internal ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

10) Karakteristik listrik dan parameter utama baterai Li-ion

1. Kurva pengisian dan pengosongan baterai

Kurva pengisian dan pengosongan baterai lithium mengacu pada kurva hubungan antara kapasitas baterai dan tegangan rangkaian terbuka. Berdasarkan kurva pengosongan, daya baterai dapat diperkirakan secara kasar, seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Kurva pengisian dan pengosongan baterai lithium tidak hanya berkaitan dengan arus pengisian dan pengosongan, tetapi juga dengan suhu. Seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

2. Parameter-parameter utama baterai

Karena karakteristiknya sendiri, baterai lithium tidak dapat diisi daya berlebih, dikosongkan daya berlebih, mengalami arus berlebih, atau suhu berlebih. Oleh karena itu, dengan mempertimbangkan keamanan dan umur baterai, baterai harus dilindungi dengan benar. Ada beberapa parameter yang sering ditemui, dan parameter tersebut tercantum secara paralel. Perbedaan tegangan antar produsen relatif kecil. Namun, akan ada beberapa perbedaan antara baterai dengan suhu operasi yang berbeda, tingkat pengosongan daya yang berbeda, atau produsen yang berbeda.

11) Persyaratan dan sistem perlindungan dan manajemen baterai Li-ion

Karena karakteristik baterai lithium, perlu ditambahkan papan perlindungan baterai (PCM) atau sistem manajemen baterai (BMS). Baterai tanpa papan perlindungan atau sistem manajemen dilarang digunakan, dan akan menimbulkan risiko keselamatan yang besar. Keselamatan selalu menjadi prioritas utama untuk sistem baterai.

Jika baterai tidak terlindungi atau dikelola dengan baik, ada risiko masa pakai yang lebih pendek, kerusakan, atau ledakan.

PCM (modul rangkaian daya) terutama digunakan dalam produk konsumen seperti telepon seluler dan notebook.

Sistem manajemen baterai (BMS) terutama digunakan pada baterai daya, seperti kendaraan listrik, sepeda listrik, penyimpanan energi, dan sistem skala besar lainnya.

Fungsi utama PCM meliputi OVP, UVP, OTP, OCP, dan lain-lain. Jika terjadi kelainan, sistem akan mati secara otomatis untuk memastikan keamanan sistem.

Teknologi sistem perlindungan baterai sudah sangat matang, terdapat banyak pabrik papan sirkuit terkait, yang sebagian besar terkonsentrasi di Tiongkok Selatan. Dan ada produsen IC khusus yang menyediakan chip perlindungan baterai lithium khusus. Bagian ini relatif matang, dan terdapat banyak chip IC perlindungan yang sudah matang di Tiongkok.

Selain fungsi perlindungan dasar dari sistem proteksi, fungsi utama dari sistem manajemen baterai (BMS) meliputi pengukuran tegangan, suhu, dan arus baterai, keseimbangan energi, perhitungan dan tampilan SOC, alarm abnormal, manajemen pengisian dan pengosongan, komunikasi, dan lain-lain. Beberapa sistem BMS juga mengintegrasikan manajemen panas, pemanasan baterai, analisis status kesehatan baterai (SOH), pengukuran resistansi isolasi, dan lain-lain.

Pengenalan dan analisis fungsi BMS:

1. Perlindungan baterai serupa dengan PCM, yang mencakup perlindungan terhadap pengisian berlebih, pengosongan berlebih, suhu berlebih, arus berlebih, dan korsleting. Seperti baterai litium mangan biasa dan baterai litium terner, begitu tegangan baterai melebihi 4,2V atau tegangan baterai turun di bawah 3,0V, sistem akan secara otomatis memutus sirkuit pengisian atau pengosongan. Jika suhu baterai melebihi suhu kerja baterai atau arus lebih besar dari arus pengosongan baterai, sistem akan secara otomatis memutus jalur arus untuk memastikan keamanan baterai dan sistem.
2. Keseimbangan energi seluruh paket baterai setelah bekerja selama periode waktu tertentu akan menunjukkan perbedaan besar yang dapat disebabkan oleh banyaknya baterai yang disusun secara seri, ketidakkonsistenan sel itu sendiri, ketidakkonsistenan suhu kerja, atau alasan lainnya. Hal ini berdampak besar pada umur baterai dan penggunaan sistem. Keseimbangan energi bertujuan untuk mengimbangi perbedaan antar sel individual dengan melakukan manajemen pengisian atau pengosongan aktif atau pasif untuk memastikan konsistensi baterai dan memperpanjang umur baterai.

Terdapat dua jenis metode dalam industri: penyeimbangan pasif dan penyeimbangan aktif. Penyeimbangan pasif terutama bertujuan untuk menyeimbangkan jumlah daya yang dikonsumsi oleh resistansi. Penyeimbangan aktif terutama bertujuan untuk mentransfer daya dari baterai yang lebih besar ke baterai yang lebih kecil melalui kapasitansi, induktansi, atau transformator. Perbandingan penyeimbangan pasif dan aktif ditunjukkan pada tabel di bawah ini.

Karena sistem keseimbangan aktif relatif kompleks dan biayanya relatif tinggi, sistem yang umum digunakan masih berupa keseimbangan pasif.

3. Perhitungan SOC (State of Charge), perhitungan daya baterai merupakan bagian yang sangat penting dari BMS (Battery Management System), banyak sistem perlu mengetahui daya sisa dengan lebih akurat. Karena perkembangan teknologi, terdapat banyak metode untuk perhitungan SoC. Jika persyaratan akurasi tidak tinggi, daya sisa dapat dinilai berdasarkan tegangan baterai. Metode utama dan akurat adalah metode integrasi arus (juga disebut metode Ah), q = ∫ I DT, metode resistansi internal, metode jaringan saraf, metode filter Kalman, dll. Metode utama yang saat ini digunakan di industri masih menggunakan metode penghitungan arus.
4. Komunikasi. Sistem yang berbeda memiliki persyaratan yang berbeda untuk antarmuka komunikasi. Antarmuka komunikasi utama adalah SPI, I2C, CAN, RS485, dll. Sistem otomotif dan penyimpanan energi terutama menggunakan CAN dan RS485.

Karena kurangnya persaingan dan kompleksitas sistem BMS, jumlah produsen sistem relatif sedikit. Produsen chip terkait sebagian besar berasal dari Eropa dan Amerika, dan ada beberapa perusahaan besar di Tiongkok juga. Terdapat banyak peluang di masa depan.

Saya berharap dapat mengirim email untuk berkomunikasi dengan Anda mengenai teknologi, produk, dan produsen di BMS.

(12) Persyaratan dan sistem pengisian baterai Li-ion

Metode pengisian daya utama untuk baterai lithium adalah arus konstan dan tegangan konstan (CC/CV): arus konstan – tegangan konstan. Arus konstan diisi terlebih dahulu, kemudian tegangan konstan diisi setelah mencapai potensial tertentu. Pengisi daya yang baik juga dapat melakukan pengisian daya tetes sesuai dengan kondisi tegangan baterai. Beberapa sistem juga menambahkan mode pengisian pulsa di bagian belakang dan mengatur akhir pengisian daya sesuai dengan waktu.

Pengisi daya umum mengintegrasikan fungsi-fungsi seperti pembatasan arus, pembatasan tegangan, perlindungan tegangan berlebih, perlindungan arus berlebih, perlindungan suhu berlebih, dan pencegahan koneksi terbalik. Sistem pengisian daya spesifik ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Selain itu, pengisian daya pada charger biasanya dikombinasikan dengan PCM atau BMS untuk melakukan penyeimbangan energi pada tahap pengisian tegangan konstan.

Untuk baterai lithium kobalt oksida biasa, jika tegangan baterai lebih rendah dari 3,0V, pengisi daya akan memulai pengisian daya tetes (sekitar 0,1C) untuk menghindari kerusakan pada baterai. Ketika tegangan baterai terisi hingga 3,0V, pengisian daya diubah menjadi arus konstan (sekitar 1C, arusnya tergantung pada sistem). Tegangan baterai terdeteksi telah beralih ke pengisian daya arus konstan ketika tegangan baterai mencapai 4,1V. Ketika arus baterai turun menjadi sekitar 0,1C, pengisian daya selesai, dan sistem pengisian daya serta rangkaian pengisian daya ditutup. Kurva pengisian daya ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Sesuai dengan daya yang berbeda, pengisi daya mengadopsi teknologi kontrol yang berbeda. Catu daya linier adalah skema utama untuk daya rendah, dan catu daya switching adalah skema utama untuk daya tinggi. Teknologi pengisi daya sudah cukup matang, kinerja dan efisiensi pengisi daya pada dasarnya mampu mencapai tingkat yang relatif baik. Terdapat banyak produsen terkait. Teknologi utama yang terlibat dalam pengisi daya terutama adalah teknologi catu daya dan teknologi baterai. Produsen terkait juga telah melakukan manufaktur catu daya sebelumnya.

(13) Bidang aplikasi baterai litium

Baterai terutama digunakan dalam produk konsumen, produk digital, produk tenaga listrik, peralatan medis, dan keamanan.