ความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสำหรับชุดแบตเตอรี่ของไฟถนนพลังงานแสงอาทิตย์

(1) ส่วนประกอบของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนประกอบด้วยสองส่วนหลักๆ คือ เซลล์แบตเตอรี่และแผงวงจรป้องกัน (PCM หรือระบบจัดการแบตเตอรี่) เซลล์แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน คือหัวใจสำคัญของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน และระบบจัดการก็เปรียบเสมือนสมองของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน.

ส่วนประกอบหลักได้แก่ วัสดุขั้วบวก วัสดุขั้วลบ สารละลายอิเล็กโทรไลต์ แผ่นไดอะแฟรม และเปลือกหุ้ม ส่วนแผ่นป้องกันประกอบด้วยชิปป้องกัน (หรือชิปควบคุม) ท่อ MOS ตัวต้านทาน ตัวเก็บประจุ และแผ่น PCB เป็นหลัก.

(2) ข้อดีและข้อเสียของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีข้อดีหลายประการ เช่น แรงดันไฟฟ้าสูง ความหนาแน่นพลังงานสูง (น้ำหนักเบา ขนาดเล็ก) อายุการใช้งานยาวนาน และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม.

ข้อเสียของแบตเตอรี่ลิเธียมคือ ราคาค่อนข้างสูง ช่วงอุณหภูมิใช้งานค่อนข้างแคบ และมีความเสี่ยงด้านความปลอดภัยบางประการ (จำเป็นต้องเพิ่มระบบป้องกัน).

(3) การจำแนกประเภทแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

แบตเตอรี่ลิเธียมสามารถแบ่งออกได้เป็นสองประเภท ได้แก่ แบตเตอรี่แบบใช้แล้วทิ้งที่ไม่สามารถชาร์จใหม่ได้ และแบตเตอรี่แบบชาร์จใหม่ได้ (หรือเรียกอีกอย่างว่าแบตเตอรี่).

แบตเตอรี่ที่ไม่สามารถชาร์จใหม่ได้ เช่น แบตเตอรี่ลิเธียมแมงกานีสไดออกไซด์ และแบตเตอรี่ลิเธียมซัลไฟไมด์.

แบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้สามารถแบ่งออกเป็นประเภทต่างๆ ตามสถานการณ์การใช้งานได้ดังนี้.

1. แบ่งตามลักษณะภายนอก: แบตเตอรี่ลิเธียมทรงสี่เหลี่ยม (เช่น แบตเตอรี่โทรศัพท์มือถือทั่วไป) และแบตเตอรี่ลิเธียมทรงกระบอก (เช่น แบตเตอรี่ 18650 สำหรับเครื่องมือไฟฟ้า);
2. ตามวัสดุที่รับจ้างผลิต ได้แก่ แบตเตอรี่ลิเธียมเปลือกอลูมิเนียม แบตเตอรี่ลิเธียมเปลือกเหล็ก และแบตเตอรี่แบบถุงนิ่ม.
3. ตามวัสดุของแคโทด ได้แก่ ลิเธียมโคบอลติกแอซิด (LiCoO2), ลิเธียมแมงกาเนต (LiMn2O4), ลิเธียมเทอร์นารี (LiMn2O4) และลิเธียมเหล็กฟอสเฟต (LiFePO4);
4. แบ่งตามสถานะของอิเล็กโทรไลต์: แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน (LIB) และแบตเตอรี่โพลิเมอร์ (PLB);
5. แบ่งตามการใช้งาน: แบตเตอรี่ทั่วไปและแบตเตอรี่กำลังสูง.
6. จำแนกตามคุณลักษณะด้านประสิทธิภาพ: แบตเตอรี่ความจุสูง, แบตเตอรี่อัตราการจ่ายไฟสูง, แบตเตอรี่ทนอุณหภูมิสูง, แบตเตอรี่ทนอุณหภูมิต่ำ เป็นต้น.

(4) คำอธิบายคำศัพท์ทั่วไป

1. ความจุ

หมายถึงปริมาณไฟฟ้าที่สามารถผลิตได้จากแบตเตอรี่ลิเธียมภายใต้สภาวะการคายประจุที่กำหนด.

เราทราบกันดีในวิชาฟิสิกส์ระดับมัธยมปลายว่า สูตรของปริมาณไฟฟ้าคือ q = I * t หน่วยเป็นคูลอมบ์ และหน่วยของความจุแบตเตอรี่ระบุเป็น Ah (แอมแปร์-ชั่วโมง) หรือ mAh (มิลลิแอมแปร์-ชั่วโมง) ซึ่งหมายความว่าแบตเตอรี่ขนาด 1 Ah สามารถคายประจุได้เป็นเวลา 1 ชั่วโมงด้วยกระแส 1 A เมื่อชาร์จเต็มแล้ว.

ในอดีต แบตเตอรี่ของโทรศัพท์มือถือรุ่นเก่าของโนเกีย (เช่น BL-5C) โดยทั่วไปมีความจุ 500 mAh ปัจจุบัน แบตเตอรี่ของสมาร์ทโฟนในปัจจุบันมีความจุ 800-1900 mAh แบตเตอรี่ของจักรยานไฟฟ้าโดยทั่วไปมีความจุ 10-20 mAh และแบตเตอรี่ของรถยนต์ไฟฟ้าโดยทั่วไปมีความจุ 20-200 mAh.

2. อัตราการชาร์จ / อัตราการคายประจุ

ค่านี้บ่งบอกถึงปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ใช้ในการชาร์จและคายประจุ โดยทั่วไปจะคำนวณจากค่าความจุที่ระบุไว้ของแบตเตอรี่ ซึ่งโดยทั่วไปเรียกว่า "หลาย C".

สำหรับแบตเตอรี่ที่มีความจุ 1500 mAh จะระบุว่า 1c = 1500 mAh หากคายประจุที่ 2c หมายถึงคายประจุด้วยกระแส 3000 mA ส่วนการชาร์จและคายประจุที่ 0.1c หมายถึงการชาร์จและคายประจุด้วยกระแส 150 mA.

3. แรงดันไฟฟ้า (OCV: แรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด)

โดยทั่วไปแล้ว แรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่หมายถึงแรงดันไฟฟ้าที่ระบุไว้ของแบตเตอรี่ลิเธียม (หรือที่เรียกว่าแรงดันไฟฟ้าที่กำหนด) แรงดันไฟฟ้าที่ระบุไว้ของแบตเตอรี่ลิเธียมทั่วไปโดยทั่วไปคือ 3.7V หรือเราเรียกแรงดันไฟฟ้านี้ว่า 3.7V เมื่อเราพูดถึงแรงดันไฟฟ้า โดยทั่วไปเราหมายถึงแรงดันไฟฟ้าขณะแบตเตอรี่ไม่มีวงจร.

เมื่อความจุของแบตเตอรี่อยู่ที่ 20-80% แรงดันไฟฟ้าจะอยู่ที่ประมาณ 3.7V (3.6-3.9V) แต่หากความจุสูงหรือต่ำเกินไป แรงดันไฟฟ้าจะเปลี่ยนแปลงอย่างมาก.

4. พลังงาน/กำลังไฟฟ้า

เมื่อแบตเตอรี่คายประจุตามมาตรฐานที่กำหนด พลังงาน (E) ที่แบตเตอรี่สามารถคายประจุได้จะมีค่าเป็น Wh (วัตต์-ชั่วโมง) หรือ kWh (กิโลวัตต์-ชั่วโมง) โดย 1 kWh = 1 กิโลวัตต์-ชั่วโมง.

ในหนังสือฟิสิกส์มีแนวคิดพื้นฐานอยู่ข้อหนึ่ง คือ e = u * I * t ซึ่งเท่ากับแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่คูณด้วยความจุของแบตเตอรี่.

สูตรของกำลังคือ p = u * I = E / T ซึ่งแสดงถึงพลังงานที่สามารถปล่อยออกมาได้ต่อหน่วยเวลา หน่วยเป็นวัตต์ (W) หรือกิโลวัตต์ (kW).

สำหรับแบตเตอรี่ที่มีความจุ 1500 mAh โดยทั่วไปแรงดันไฟฟ้าที่ระบุจะอยู่ที่ 3.7V ดังนั้นพลังงานที่สอดคล้องกันคือ 5.55 Wh.

5. ความต้านทาน

เนื่องจากการชาร์จและการคายประจุไม่สามารถเทียบเท่ากับแหล่งจ่ายไฟในอุดมคติได้ เพราะมีค่าความต้านทานภายในอยู่ ค่าความต้านทานภายในนี้ทำให้สิ้นเปลืองพลังงาน ยิ่งค่าความต้านทานภายในน้อยเท่าไรก็ยิ่งดีเท่านั้น.

หน่วยวัดความต้านทานภายในของแบตเตอรี่คือ มิลลิโอห์ม (mΩ).

โดยทั่วไป ความต้านทานภายในของแบตเตอรี่ประกอบด้วยความต้านทานภายในแบบโอห์มิกและความต้านทานภายในแบบโพลาไรซ์ ขนาดของความต้านทานภายในจะได้รับผลกระทบจากวัสดุ กระบวนการผลิต และโครงสร้างของแบตเตอรี่.

6. อายุการใช้งาน

เมื่อแบตเตอรี่ถูกชาร์จและคายประจุจนหมด จะเรียกว่าหนึ่งรอบการใช้งาน และอายุการใช้งานตามรอบการใช้งานนั้นเป็นตัวบ่งชี้สำคัญในการวัดประสิทธิภาพอายุการใช้งานของแบตเตอรี่.

ตามมาตรฐาน IEC แบตเตอรี่ลิเธียมของโทรศัพท์มือถือจะต้องคายประจุจนถึง 3.0V ที่อัตรา 0.2C และชาร์จจนถึง 4.2V ที่อัตรา 1C ความจุของแบตเตอรี่จะต้องคงอยู่เหนือ 60% ของความจุเริ่มต้นหลังจาก 500 รอบการใช้งาน กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ อายุการใช้งานของแบตเตอรี่ลิเธียมคือ 500 รอบ.

ตามมาตรฐานแห่งชาติ ความจุจะต้องคงอยู่ที่ 70% ของความจุเริ่มต้นหลังจาก 300 รอบการใช้งาน.

โดยทั่วไปแล้ว หากความจุของแบตเตอรี่เหลือน้อยกว่า 60% ของความจุเริ่มต้น จะถือว่าแบตเตอรี่นั้นใช้การไม่ได้แล้ว.

7. DOD: ความลึกของการปล่อยประจุ

หมายถึงเปอร์เซ็นต์ของความจุที่ระบุไว้ของแบตเตอรี่ที่ถูกปล่อยออกมา.

โดยทั่วไป ยิ่งระดับการคายประจุลึกมากเท่าไหร่ อายุการใช้งานของแบตเตอรี่ก็จะยิ่งสั้นลงเท่านั้น.

8. แรงดันตัด

แรงดันสิ้นสุดการชาร์จแบ่งออกเป็นแรงดันสิ้นสุดการชาร์จและแรงดันสิ้นสุดการคายประจุ กล่าวคือ แรงดันที่แบตเตอรี่ไม่สามารถชาร์จหรือคายประจุต่อไปได้ หากยังคงชาร์จหรือคายประจุแบตเตอรี่ต่อไปที่แรงดันสิ้นสุดนี้ อายุการใช้งานของแบตเตอรี่จะลดลงอย่างมาก.

แรงดันไฟฟ้าสิ้นสุดการชาร์จและการคายประจุของแบตเตอรี่ลิเธียมคือ 4.2 โวลต์และ 3.0 โวลต์ ตามลำดับ.

ห้ามชาร์จหรือคายประจุแบตเตอรี่ลิเธียมเกินแรงดันที่กำหนดไว้โดยเด็ดขาด.

9. การปลดปล่อยด้วยตนเอง

หมายถึงอัตราการลดลงของกำลังการผลิตในช่วงเวลาหนึ่งปริมาณการจัดเก็บ ng แสดงเป็นเปอร์เซ็นต์ของการลดลงของความจุต่อหน่วยเวลา.

อัตราการคายประจุเองของแบตเตอรี่ลิเธียมทั่วไปอยู่ที่ 2% ถึง 9% ต่อเดือน.

10.   SOC (สถานะการถูกตั้งข้อหา)

นี่หมายถึงเปอร์เซ็นต์ของพลังงานแบตเตอรี่ที่เหลืออยู่และพลังงานทั้งหมดที่สามารถคายประจุได้ 0 ~ 100% แสดงถึงพลังงานแบตเตอรี่ที่เหลืออยู่.

(5) กฎการตั้งชื่อแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

แตกต่าง แบตเตอรี่ ผู้ผลิต แม้ว่าจะมีกฎการตั้งชื่อที่แตกต่างกัน แต่เราทุกคนก็ปฏิบัติตามมาตรฐานที่เป็นเอกภาพสำหรับแบตเตอรี่ทั่วไป ขนาดของแบตเตอรี่สามารถทราบได้จากชื่อของแบตเตอรี่

ตามมาตรฐาน IEC61960 กฎสำหรับแบตเตอรี่ทรงกระบอกและทรงสี่เหลี่ยมมีดังนี้:

1. แบตเตอรี่ทรงกระบอก ประกอบด้วยตัวอักษร 3 ตัว ตามด้วยตัวเลข 5 ตัว,

ประกอบด้วยตัวอักษรสามตัว ตัวแรกแสดงถึงวัสดุของขั้วลบ I หมายถึงมีลิเธียมไอออนอยู่ภายใน L หมายถึงโลหะลิเธียมหรือโลหะผสมลิเธียม ตัวที่สองแสดงถึงวัสดุของขั้วบวก C หมายถึงโคบอลต์ n หมายถึงนิกเกล m หมายถึงแมงกานีส และ V หมายถึงวานาเดียม ตัวที่สามคือ R สำหรับรูปทรงกระบอก ตัวเลข 5 หลัก โดย 2 หลักแรกแสดงถึงเส้นผ่านศูนย์กลาง และ 3 หลักสุดท้ายแสดงถึงความสูง ทั้งหมดมีหน่วยเป็นมิลลิเมตร.

2. แบตเตอรี่ทรงสี่เหลี่ยม ตัวเลข 6 หลักต่อท้ายตัวอักษร 3 ตัว,

มีสามตัวอักษร สองตัวอักษรแรกมีความหมายเหมือนกับทรงกระบอก ส่วนตัวสุดท้ายคือ p ซึ่งหมายถึงสี่เหลี่ยม.

มีตัวเลขหกหลัก โดยสองหลักแรกบ่งบอกถึงความหนา หลักกลางบ่งบอกถึงความกว้าง และสองหลักสุดท้ายบ่งบอกถึงความสูง (ความยาว) หน่วยเป็นมิลลิเมตรเช่นกัน.

ตัวอย่างเช่น ICR 18650 เป็นแบตเตอรี่ทรงกระบอกขนาด 18650 ทั่วไป มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 18 มม. และความสูง 65 มม.;

ICP 053353 เป็นแบตเตอรี่ทรงสี่เหลี่ยมจัตุรัส มีความหนา 5 มม. ความกว้าง 33 มม. และความสูง (ความยาว) 53 มม.

(6) เทคโนโลยีแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

กระบวนการผลิตแบตเตอรี่แต่ละชนิดและแต่ละผู้ผลิตมีความแตกต่างกัน และขั้นตอนการผลิตโดยละเอียดจะค่อนข้างซับซ้อน ดังนั้น ขั้นตอนการผลิตพื้นฐาน ขั้นตอนการผลิตเซลล์แบตเตอรี่ และขั้นตอนการผลิตชุดแบตเตอรี่จึงแสดงไว้ด้านล่างนี้.

กระบวนการผลิตแบตเตอรี่ส่วนใหญ่ประกอบด้วย การผลิตขั้วแม่เหล็ก การผลิตเซลล์ไฟฟ้า การประกอบแบตเตอรี่ การฉีดของเหลว การขึ้นรูปทางเคมี การแยกสาร และกระบวนการอื่นๆ.

ตั้งแต่การผสมวัตถุดิบไปจนถึงการพันขดลวด ขั้วบวกและขั้วลบจะถูกผลิตในโรงงานที่แตกต่างกันในเวลาเดียวกัน หลังจากผลิตขั้วบวกและขั้วลบเสร็จแล้ว กระบวนการต่อไปจะดำเนินการพร้อมกัน โดยจะมีขั้นตอนการตรวจสอบคุณภาพ (QA) ต่างๆ แทรกอยู่ระหว่างนั้น.

(7) การเชื่อมต่อแบบกลุ่มและแบบอนุกรม-ขนานของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

ในแต่ละสาขา ความต้องการแบตเตอรี่จะแตกต่างกัน ระบบจะมีข้อกำหนดพิเศษเกี่ยวกับแรงดันไฟฟ้า ความจุ ความต้านทานภายใน ฯลฯ ซึ่งบ่อยครั้งแบตเตอรี่เพียงก้อนเดียวไม่สามารถตอบสนองความต้องการได้ จำเป็นต้องต่อแบบอนุกรมและขนานเพื่อจ่ายพลังงานให้กับภายนอก.

ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ที่ต่อแบบอนุกรมและแบบขนานนั้นถูกกำหนดโดยประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ที่แย่ที่สุด ซึ่งมักเรียกกันว่า "หลักการทรงกระบอก" ดังนั้น จุดสำคัญที่สุดของการจัดกลุ่มแบตเตอรี่คือความสม่ำเสมอของพารามิเตอร์ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่.

ตัวอย่างเช่น โน้ตบุ๊ก จักรยานไฟฟ้า รถยนต์ไฟฟ้า ระบบจัดเก็บพลังงาน ฯลฯ ล้วนต้องพิจารณาการเชื่อมต่อแบบอนุกรมและแบบขนานของแบตเตอรี่เพื่อประกอบเป็นชุดแบตเตอรี่.

โดยทั่วไปแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ในโน้ตบุ๊กจะอยู่ที่ 11.1 โวลต์หรือ 14.8 โวลต์ ซึ่งส่วนใหญ่เป็นแบตเตอรี่แบบ 18650 ดังนั้นโดยทั่วไปจะเป็นการต่อแบบอนุกรม 2 ก้อนและขนาน 3 ก้อน หรืออนุกรม 2 ก้อนและขนาน 4 ก้อน.

Apple iPad ใช้แบตเตอรี่โพลีเมอร์ 3 ก้อนต่อขนานกัน โดยมีความจุประมาณ 25 วัตต์ชั่วโมง.

ระบบของจักรยานไฟฟ้าและรถจักรยานยนต์ไฟฟ้าโดยทั่วไปจะมีแรงดันไฟฟ้า 24V, 36V, 48V, 60V และ 72V โปรดดูตารางต่อไปนี้สำหรับเงื่อนไขเฉพาะของแต่ละกลุ่ม (s หมายถึงการต่อแบบอนุกรม).

รถยนต์ไฟฟ้าล้วนและรถยนต์ไฮบริด (EV/PHEV) มีแรงดันไฟฟ้าสูงกว่า ประมาณ 250 ~ 500 โวลต์ และแรงดันไฟฟ้าสูงสุดจะมากกว่า 150 นอตเมื่อต่ออนุกรมกัน.

นอกจากนี้ ยังมีหลายสิ่งที่ต้องพิจารณาในการต่อแบตเตอรี่แบบอนุกรม-ขนาน เช่น ความสม่ำเสมอของระดับแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ ความสม่ำเสมอของความจุแบตเตอรี่ ความสม่ำเสมอของความต้านทานภายในของแบตเตอรี่ เป็นต้น.

ความสม่ำเสมอของพารามิเตอร์แบตเตอรี่หลังจากการเชื่อมต่อแบบอนุกรม-ขนาน มีผลอย่างมากต่อประสิทธิภาพและอายุการใช้งานของแบตเตอรี่.

 8) การเปรียบเทียบแบตเตอรี่ชนิดต่างๆ

โดยทั่วไปแล้ว แบตเตอรี่ไฟฟ้าจะถูกพิจารณาในแง่ของการใช้งานเป็นหลัก ซึ่งส่วนใหญ่ใช้ในรถยนต์ไฟฟ้า จักรยานไฟฟ้า เครื่องมือไฟฟ้า และอื่นๆ.

แบตเตอรี่กำลังสูงนั้นแตกต่างจากแบตเตอรี่ทั่วไป แต่ก็มีคุณสมบัติพิเศษบางประการ

1. การต่อแบตเตอรี่แบบอนุกรมและแบบขนาน
2. แบตเตอรี่มีความจุมากกว่าเดิม
3. อัตราการคายประจุของแบตเตอรี่สูง (พลังงานไฮบริดและเครื่องมือไฟฟ้า)
4. แบตเตอรี่ชนิดนี้มีข้อกำหนดด้านความปลอดภัยที่สูงกว่า
5. แบตเตอรี่มีช่วงอุณหภูมิการทำงานที่กว้าง
6. แบตเตอรี่มีอายุการใช้งานยาวนาน โดยทั่วไปประมาณ 5-10 ปี

เนื่องจากคุณสมบัติเฉพาะของแบตเตอรี่กำลังสูง จึงมีความแตกต่างกันในกระบวนการผลิตและวัสดุ โดยแบ่งตามวัสดุขั้วบวกเป็นหลัก ได้แก่ ลิเธียมแมงกาเนต (LiMn2O4), ลิเธียมไตรนารี (LiMn2O4), ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต (LiFePO4) เป็นต้น ซึ่งมีความแตกต่างกันในด้านแรงดันไฟฟ้า ความหนาแน่นของพลังงาน ราคา ความปลอดภัย ฯลฯ ดูรายละเอียดเพิ่มเติมได้จากตารางเปรียบเทียบด้านล่าง:

(ลิเธียมโคบอลไทต์ไม่ค่อยได้ใช้เป็นแบตเตอรี่พลังงานเนื่องจากความเสถียรต่ำและราคาสูง ซึ่งแสดงและเปรียบเทียบไว้ในตารางด้านล่าง)

(9) รุ่นแบตเตอรี่ลิเธียม

ในแง่ของคุณสมบัติทางไฟฟ้า ความต้านทานภายในของแบตเตอรี่ไม่เทียบเท่ากับตัวต้านทานโดยสมบูรณ์ สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติม โปรดดูแบบจำลองวงจรเทียบเท่า PNGV จากต่างประเทศ ดังแสดงในรูปด้านล่าง.

ความต้านทานภายในของแบตเตอรี่ส่วนใหญ่ประกอบด้วยความต้านทานโอห์มิก R0 และความต้านทานโพลาไรเซชัน R1 โดยที่ C1 คือความจุโพลาไรเซชัน.

ในอุตสาหกรรมมีวิธีการทดสอบหลักสองวิธีสำหรับการวัดความต้านทานภายในของแบตเตอรี่ ได้แก่ วิธีการคายประจุแบบ DC และวิธีการฉีดกระแสสลับ ซึ่งความต้านทานที่ไม่สามารถวัดได้ด้วยวิธีการวัดความต้านทานทั่วไป แต่ต้องวัดด้วยเครื่องมือวัดความต้านทานภายในโดยเฉพาะเท่านั้น.

ความต้านทานภายในของแบตเตอรี่เป็นพารามิเตอร์สำคัญที่สะท้อนถึงประสิทธิภาพและอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ เมื่ออายุการใช้งานของแบตเตอรี่ใกล้ถึงขีดจำกัด ความต้านทานภายในของแบตเตอรี่จะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ความสัมพันธ์ระหว่างจำนวนรอบการใช้งานและความต้านทานภายในแสดงอยู่ในรูปด้านล่าง.

10) คุณสมบัติทางไฟฟ้าและพารามิเตอร์สำคัญของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

1. กราฟแสดงการชาร์จและการคายประจุของแบตเตอรี่

กราฟการชาร์จและการคายประจุของแบตเตอรี่ลิเธียม หมายถึงกราฟความสัมพันธ์ระหว่างความจุของแบตเตอรี่และแรงดันไฟฟ้าวงเปิด จากกราฟการคายประจุ สามารถประมาณกำลังไฟฟ้าของแบตเตอรี่ได้คร่าวๆ ดังแสดงในรูปด้านล่าง.

กราฟการชาร์จและการคายประจุของแบตเตอรี่ลิเธียมนั้นไม่เพียงแต่เกี่ยวข้องกับกระแสการชาร์จและการคายประจุเท่านั้น แต่ยังเกี่ยวข้องกับอุณหภูมิด้วย ดังแสดงในรูปด้านล่าง.

2. พารามิเตอร์สำคัญของแบตเตอรี่

เนื่องจากคุณสมบัติเฉพาะตัว แบตเตอรี่ลิเธียมจึงไม่สามารถชาร์จเกิน คายประจุเกิน กระแสไฟเกิน หรืออุณหภูมิสูงเกินได้ ดังนั้น เพื่อความปลอดภัยและอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ จึงควรปกป้องแบตเตอรี่อย่างเหมาะสม มีพารามิเตอร์หลายอย่างที่มักพบเจอ ซึ่งได้ระบุไว้แล้ว แรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่จากผู้ผลิตต่าง ๆ จะแตกต่างกันเล็กน้อย อย่างไรก็ตาม จะมีความแตกต่างกันบ้างในแบตเตอรี่ที่มีอุณหภูมิการทำงาน อัตราการคายประจุ หรือผู้ผลิตต่างกัน.

11) ข้อกำหนดและระบบการป้องกันและการจัดการแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

เนื่องจากคุณสมบัติเฉพาะของแบตเตอรี่ลิเธียม จึงจำเป็นต้องติดตั้งแผงป้องกันแบตเตอรี่ (PCM) หรือระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) แบตเตอรี่ที่ไม่มีแผงป้องกันหรือระบบจัดการนั้นห้ามใช้งาน และจะก่อให้เกิดความเสี่ยงด้านความปลอดภัยอย่างมาก ความปลอดภัยเป็นสิ่งสำคัญที่สุดสำหรับระบบแบตเตอรี่เสมอ.

หากแบตเตอรี่ไม่ได้รับการปกป้องหรือจัดการอย่างดี อาจมีความเสี่ยงที่จะมีอายุการใช้งานสั้นลง เสียหาย หรือระเบิดได้.

โมดูลวงจรไฟฟ้า (PCM) ส่วนใหญ่ใช้ในผลิตภัณฑ์สำหรับผู้บริโภค เช่น โทรศัพท์มือถือและโน้ตบุ๊ก.

ระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ส่วนใหญ่ใช้ในแบตเตอรี่กำลังสูง เช่น รถยนต์ไฟฟ้า จักรยานไฟฟ้า ระบบจัดเก็บพลังงาน และระบบขนาดใหญ่อื่นๆ.

หน้าที่หลักของ PCM ได้แก่ OVP, UVP, OTP, OCP เป็นต้น ในกรณีที่เกิดความผิดปกติใดๆ ระบบจะตัดการทำงานโดยอัตโนมัติเพื่อความปลอดภัยของระบบ.

เทคโนโลยีระบบป้องกันแบตเตอรี่นั้นค่อนข้างพัฒนาแล้ว มีโรงงานผลิตแผงวงจรที่เกี่ยวข้องมากมาย โดยส่วนใหญ่กระจุกตัวอยู่ในภาคใต้ของจีน และยังมีผู้ผลิต IC เฉพาะทางที่ผลิตชิปป้องกันแบตเตอรี่ลิเธียมโดยเฉพาะ เทคโนโลยีด้านนี้ค่อนข้างพัฒนาแล้ว และมีชิป IC ป้องกันที่พัฒนาแล้วมากมายในประเทศจีน.

นอกเหนือจากฟังก์ชันการป้องกันพื้นฐานของระบบป้องกันแล้ว ฟังก์ชันหลักของระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ยังรวมถึงการวัดแรงดัน อุณหภูมิ และกระแสไฟฟ้าของแบตเตอรี่ การรักษาสมดุลพลังงาน การคำนวณและแสดงค่า SOC การแจ้งเตือนความผิดปกติ การจัดการการชาร์จและการคายประจุ การสื่อสาร ฯลฯ ระบบ BMS บางระบบยังรวมการจัดการความร้อน การทำความร้อนแบตเตอรี่ การวิเคราะห์สถานะสุขภาพแบตเตอรี่ (SOH) การวัดความต้านทานฉนวน ฯลฯ ไว้ด้วย.

บทนำและการวิเคราะห์การทำงานของระบบ BMS:

1. ระบบป้องกันแบตเตอรี่คล้ายกับ PCM ซึ่งรวมถึงการป้องกันการชาร์จเกิน การคายประจุเกิน อุณหภูมิเกิน กระแสเกิน และการลัดวงจร เช่นเดียวกับแบตเตอรี่ลิเธียมแมงกานีสทั่วไปและแบตเตอรี่ลิเธียมไตรนารี หากแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ใดๆ เกิน 4.2V หรือต่ำกว่า 3.0V ระบบจะตัดวงจรการชาร์จหรือการคายประจุโดยอัตโนมัติ หากอุณหภูมิของแบตเตอรี่เกินอุณหภูมิการทำงาน หรือกระแสไฟฟ้ามากกว่ากระแสคายประจุของแบตเตอรี่ ระบบจะตัดเส้นทางกระแสไฟฟ้าโดยอัตโนมัติเพื่อความปลอดภัยของแบตเตอรี่และระบบ.
2. สมดุลพลังงานของชุดแบตเตอรี่ทั้งหมดหลังจากใช้งานไประยะหนึ่งจะแสดงความแตกต่างอย่างมาก ซึ่งอาจเกิดจากการต่อแบตเตอรี่หลายก้อนแบบอนุกรม ความไม่สม่ำเสมอของเซลล์เอง ความไม่สม่ำเสมอของอุณหภูมิในการทำงาน หรือสาเหตุอื่นๆ สิ่งนี้ส่งผลกระทบอย่างมากต่ออายุการใช้งานของแบตเตอรี่และการใช้งานของระบบ การปรับสมดุลพลังงานมีจุดประสงค์เพื่อชดเชยความแตกต่างระหว่างเซลล์แต่ละเซลล์ โดยใช้การจัดการการชาร์จหรือการคายประจุแบบแอคทีฟหรือพาสซีฟ เพื่อให้มั่นใจในความสม่ำเสมอของแบตเตอรี่และยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่.

ในอุตสาหกรรมมีวิธีการปรับสมดุลอยู่สองแบบ คือ การปรับสมดุลแบบพาสซีฟและการปรับสมดุลแบบแอคทีฟ การปรับสมดุลแบบพาสซีฟส่วนใหญ่เป็นการปรับสมดุลปริมาณพลังงานที่ใช้ไปโดยความต้านทาน ส่วนการปรับสมดุลแบบแอคทีฟส่วนใหญ่เป็นการถ่ายโอนพลังงานจากแบตเตอรี่ที่มีกำลังมากกว่าไปยังแบตเตอรี่ที่มีกำลังน้อยกว่าผ่านทางตัวเก็บประจุ ตัวเหนี่ยวนำ หรือหม้อแปลงไฟฟ้า ตารางด้านล่างแสดงการเปรียบเทียบระหว่างการปรับสมดุลแบบพาสซีฟและแบบแอคทีฟ.

เนื่องจากระบบสมดุลแบบแอคทีฟค่อนข้างซับซ้อนและมีต้นทุนค่อนข้างสูง ระบบสมดุลแบบพาสซีฟจึงยังคงเป็นที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลาย.

3. การคำนวณ SOC และการคำนวณกำลังไฟของแบตเตอรี่เป็นส่วนสำคัญมากของระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) หลายระบบจำเป็นต้องทราบกำลังไฟที่เหลืออยู่ให้แม่นยำยิ่งขึ้น เนื่องจากการพัฒนาของเทคโนโลยี ทำให้มีวิธีการคำนวณ SOC มากมาย หากไม่ต้องการความแม่นยำสูง สามารถประเมินกำลังไฟที่เหลืออยู่ได้จากแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ วิธีการหลักและแม่นยำ ได้แก่ วิธีการรวมกระแส (เรียกอีกอย่างว่าวิธี ah), q = ∫ I DT, วิธีความต้านทานภายใน, วิธีเครือข่ายประสาทเทียม, วิธีตัวกรอง Kalman เป็นต้น ปัจจุบันวิธีการคำนวณกระแสยังคงเป็นวิธีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรม.
4. การสื่อสาร ระบบต่างๆ มีความต้องการอินเทอร์เฟซการสื่อสารที่แตกต่างกัน อินเทอร์เฟซการสื่อสารหลักๆ ได้แก่ SPI, I2C, CAN, RS485 เป็นต้น ระบบยานยนต์และระบบจัดเก็บพลังงานส่วนใหญ่ใช้ CAN และ RS485.

เนื่องจากมีการแข่งขันไม่เพียงพอและระบบ BMS มีความซับซ้อน จึงมีผู้ผลิตระบบดังกล่าวค่อนข้างน้อย ผู้ผลิตชิปที่เกี่ยวข้องส่วนใหญ่เป็นผู้ผลิตจากยุโรปและอเมริกา และมีบริษัทขนาดใหญ่ในประเทศจีนอยู่บ้างเช่นกัน อนาคตยังมีโอกาสอีกมาก.

ฉันหวังว่าจะสามารถส่งอีเมลเพื่อติดต่อสื่อสารกับคุณเกี่ยวกับเทคโนโลยี ผลิตภัณฑ์ และผู้ผลิตในด้าน BMS ได้.

(12) ข้อกำหนดและระบบการชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

วิธีการชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียมแบบทั่วไปคือ การชาร์จแบบกระแสคงที่และแรงดันคงที่ (CC/CV): กระแสคงที่ – แรงดันคงที่ โดยการชาร์จแบบกระแสคงที่จะทำการชาร์จก่อน แล้วจึงชาร์จแบบแรงดันคงที่เมื่อถึงระดับแรงดันไฟฟ้าที่กำหนด เครื่องชาร์จที่ดีบางรุ่นยังสามารถชาร์จแบบหยด (trickle charge) ตามสถานะแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ได้ บางระบบยังเพิ่มโหมดการชาร์จแบบพัลส์ (pulse charging) และตั้งเวลาสิ้นสุดการชาร์จได้ตามต้องการ.

โดยทั่วไปแล้วเครื่องชาร์จจะมีฟังก์ชันต่างๆ เช่น การจำกัดกระแส การจำกัดแรงดัน การป้องกันแรงดันเกิน การป้องกันกระแสเกิน การป้องกันอุณหภูมิเกิน และการป้องกันการต่อกลับขั้ว ระบบการชาร์จเฉพาะแสดงอยู่ในรูปด้านล่าง.

นอกจากนี้ การชาร์จด้วยเครื่องชาร์จมักจะทำงานร่วมกับ PCM หรือ BMS เพื่อทำการปรับสมดุลพลังงานในขั้นตอนการชาร์จด้วยแรงดันคงที่.

สำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์ทั่วไป หากแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ต่ำกว่า 3.0V เครื่องชาร์จจะเริ่มการชาร์จแบบหยด (ประมาณ 0.1C) เพื่อป้องกันความเสียหายต่อแบตเตอรี่ เมื่อแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ถึง 3.0V การชาร์จจะเปลี่ยนเป็นการชาร์จแบบกระแสคงที่ (ประมาณ 1C โดยกระแสขึ้นอยู่กับระบบ) ระบบจะตรวจจับได้ว่าแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่เปลี่ยนเป็นการชาร์จแบบกระแสคงที่เมื่อแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ถึง 4.1V เมื่อกระแสไฟของแบตเตอรี่ลดลงเหลือประมาณ 0.1C การชาร์จจะเสร็จสมบูรณ์ และระบบชาร์จและวงจรการชาร์จจะปิดลง กราฟการชาร์จแสดงอยู่ในรูปด้านล่าง.

ตามกำลังไฟที่แตกต่างกัน เครื่องชาร์จจะใช้เทคโนโลยีการควบคุมที่แตกต่างกัน แหล่งจ่ายไฟแบบเชิงเส้นเป็นระบบหลักสำหรับกำลังไฟต่ำ และแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งเป็นระบบหลักสำหรับกำลังไฟสูง เทคโนโลยีเครื่องชาร์จค่อนข้างพัฒนาแล้ว ประสิทธิภาพและประสิทธิผลของเครื่องชาร์จโดยพื้นฐานแล้วอยู่ในระดับที่ดี มีผู้ผลิตที่เกี่ยวข้องมากมาย เทคโนโลยีหลักที่เกี่ยวข้องกับเครื่องชาร์จส่วนใหญ่คือเทคโนโลยีแหล่งจ่ายไฟและเทคโนโลยีแบตเตอรี่ ผู้ผลิตที่เกี่ยวข้องเหล่านี้ยังเคยผลิตแหล่งจ่ายไฟมาก่อนด้วย.

(13) ขอบเขตการใช้งานของแบตเตอรี่ลิเธียม

แบตเตอรี่ส่วนใหญ่ใช้ในผลิตภัณฑ์สำหรับผู้บริโภค ผลิตภัณฑ์ดิจิทัล ผลิตภัณฑ์ด้านพลังงาน อุปกรณ์ทางการแพทย์ และระบบรักษาความปลอดภัย.