3,7V lithiové-iontové polymerové baterie: konstrukce, nabíjení, bezpečnost a vlastní řešení

Zavedení

Výběr 3,7V LiPo baterie začíná mechanickým prostorem produktu a profilem zatížení-ne pouze cílovou kapacitou.

Tyto články jsou široce používány, protože kombinují nízkou hmotnost, kompaktní balení a flexibilní tvarové faktory. Ale baterie, která se hodí do krytu, může stále nedostatečný výkon, pokud je její nabíjecí napětí, C-hodnota, nastavení ochrany, teplotní rozsah nebo certifikační cesta nesprávná.

Tato příručka vysvětluje technické parametry, na kterých nejvíce záleží-od struktury článku a nabíjení CC/CV až po schopnost vybíjení, ochranu PCM/BMS, úložiště, bezpečnost a vlastní možnosti OEM-, abyste si mohli vybrat nebo specifikovat správné 3,7V LiPo řešení již dříve v cyklu návrhu.

1. Co je to 3,7V lithium-iontová polymerová baterie?

A lithium-iontová polymerová baterie 3,7Vje dobíjecí lithiová baterie vestavěná do flexibilního laminovaného hliníkového pouzdra.

Běžně se také nazývá a3,7V lipo článek, jednočlánková lipo baterienebo1S lithium-polymerová baterie.

LiPo články používají lehkou strukturu pouzdra. To dává návrhářům produktů mnohem větší svobodu při práci s tenkými, zakřivenými nebo prostorově-omezenými kryty [1].

Chemie a pracovní princip

Uvnitř ajednobuněčné lipobaterie typicky kombinuje lithiový oxid kobaltnatý (LCO), nikl-mangan-kobalt (NMC) nebo ternární katodový materiál s interkalovanou grafitovou anodou [1].

Během nabíjení a vybíjení se ionty lithia pohybují mezi katodou a anodou přes elektrolyt.

Mezi klíčové parametry napětí patří:

• Jmenovité napětí: 3,7V

Jedná se o průměrné pracovní napětí standardního lithiového polymerního článku za normálních podmínek vybíjení [1].

• Maximální nabíjecí napětí: 4,20V

Standardní 3,7V LiPo baterie se běžně nabíjí na 4,20V.

• Varianty vysokého-napětí: 3,8 V / 3,85 V

Modernívysokonapěťové lipo (LiHV)články lze nabíjet na 4,35V nebo 4,40V. Tyto konstrukce se používají, když je požadována vyšší hustota energie v rámci stejné mechanické stopy [2].

2. Technické srovnání: Lithium-iontové vs. Lithium Polymerové baterie

Inženýři často porovnávají pouzdrové-lithiopolymerové články s válcovými lithium-iontovými články, jako jsou např.18650a21700formáty [3].

Obě technologie využívají lithium-iontovou chemii, ale jejich mechanická konstrukce vytváří důležité rozdíly.

U mnoha přenosných produktů záleží na mechanickém provedení.

Pokud má kryt pevný válcový prostor pro baterie, může být lepší volbou 18650 nebo 21700.

Pokud je dostupný prostor tenký, nepravidelný, zakřivený nebo vysoce přizpůsobený, a3,7V lithium-polymerová baterieobvykle poskytuje konstrukčnímu týmu větší flexibilitu.

3. Voltage Windows a CC/CV Charging Protocol

 

A jednočlánková lithiová baterie 3,7Vby neměl být připojen přímo k pevnému stejnosměrnému napájení.

Vyžaduje to kontrolovanéNabíjecí profil CC/CV, což znamená nabíjení konstantním proudem / konstantním napětím [3], [5].

Tato metoda nabíjení je standardní pro lithium-iontové a lithiumpolymerové články.

 

4. Porozumění C-Křivkám hodnocení a vybíjení

TheC-hodnocenípopisuje nabíjecí nebo vybíjecí proud vzhledem ke jmenovité kapacitě baterie.

Základní výpočet je:

Aktuální (A)=Kapacita (Ah) × C-Sazba

Například:

1000mAh baterie odpovídá 1Ah.

V 1C:

1Ah × 1C=1A

Při 5C:

1Ah × 5C=5A

To je důvod, proč C-rating tak záleží při výběru a3,7V lipo bateriepro různé aplikace.

► Nízká-odběr a pohotovostní zařízení: 0,2C–1C

Tento rozsah je společný pro produkty, které upřednostňují dobu provozu a životnost cyklu před špičkovým proudem.

Mezi typické aplikace patří:

• IoT senzory
• Chytrá nositelná zařízení
• Lékařská sledovací zařízení
• Bluetooth zařízení
• Monitorovací systémy s nízkou spotřebou energie

U těchto produktů je stabilní vybíjení a nízké samo{0}}vybíjení obvykle důležitější než extrémní výstupní proud.

► Nepřetržité střední vybíjení: 2C–5C

Tento rozsah je vhodnější pro zařízení s mírnou spotřebou energie.

Mezi typické aplikace patří:

• Mobilní POS terminály
• Ruční průmyslové skenery
• RF vysílače
• Přenosná elektronika
• Malé motory a pohony

Baterie musí udržovat stabilní napětí a zároveň dodávat vyšší trvalý proud.

► Baterie LiPo s vysokou{0}}rychlostí: 15C–30C+ Burst

Vysokorychlostní LiPo balíčkyjsou určeny pro aplikace, které vyžadují velmi vysoký špičkový proud.

Mezi typické příklady patří:

• Multikoptéry
• Komerční drony
• Robotika
• RC vybavení
• Dynamické servopohony
• Přenosné-systémy s vysokým výkonem

Tyto aplikace mohou vyžadovat 15C, 20C, 25C, 30C nebo vyšší výkon nárazového výboje.

Výběr správného C-hodnocení je zásadní.

Baterie s nedostatečnou schopností vybíjení může zaznamenat nadměrný pokles napětí, tvorbu tepla, špatnou dobu chodu nebo zkrácenou životnost.

 

 

5. Ochrana baterie: Proč jsou PCM a BMS povinné

Lithiové baterie vyžadují kontrolované provozní podmínky.

Přebití, nadměrné{0}}vybití, zkraty, nadměrný proud a abnormální teploty mohou představovat bezpečnostní rizika.

To je důvod, proč mnoho konstrukcí bateriových sad integruje aModul ochranného obvodu (PCM)neboBattery Management System (BMS).

Pro aplikace přenosných lithiových baterií může hodnocení bezpečnosti zahrnovat také normy, jako je napřIEC 62133 [4], [7].

Typická 3,7V LiPo ochranná struktura

 

► Ochrana proti přebití

PCM odpojí nabíjecí cestu, pokud napětí článku stoupne nad specifikovanou prahovou hodnotu ochrany proti přebití.

Typický rozsah ochrany může být kolem4.25V–4.30V [4].

To pomáhá zabránit tomu, aby baterie zůstala na nebezpečném nabíjecím napětí.

 

► Ochrana proti nadměrnému vybití-

Ochranný obvod odpojí zátěž, když napětí článku klesne pod specifikovanou mezní úroveň.

Typický rozsah může být kolem2.40V–2.50V [4].

To pomáhá snížit riziko poškození hlubokým výbojem.

 

► Ochrana proti zkratu a nadproudu

Rychle{0}}činné spínače MOSFET mohou odpojit baterii, když proud překročí navržený limit.

To chrání článek a připojenou elektroniku během:

• Vnější zkraty
• Podmínky zastavení motoru
• Nadměrný zatěžovací proud
• Poruchy elektroinstalace
• Abnormální proudové špičky

U aplikací s vysokým{0}}proudem musí nastavení PCM odpovídat jak článku baterie, tak profilu skutečné zátěže.

 

► Tepelné řízení s NTC termistorem

AnNTC termistorlze přidat pro sledování teploty baterie.

Hostitelské zařízení nebo nabíječka může tento teplotní signál použít k zastavení nabíjení, když je baterie mimo schválený provozní rozsah.

Běžný rozsah teplot nabíjení je přibližně0 stupňů až 45 stupňů, ačkoli skutečný limit závisí na specifikaci buňky [7].

U lékařských přístrojů, nositelných zařízení, venkovní elektroniky a-vysokopříkonových aplikací může být monitorování teploty důležitou součástí návrhu bezpečnosti baterie.

► Smart IoT & Remote Sensors

produkty IoTobvykle vyžadují nízkou spotřebu energie a dlouhou životnost v pohotovostním režimu.

Dobře{0}}vybraná pouzdrová buňka může podporovat:

• Bezdrátové senzory
• Sledování aktiv
• GPS zařízení
• Zařízení pro dálkové monitorování
• Zařízení chytré domácnosti
• Průmyslové uzly IoT

U produktů IoT s dlouhou{0}}životností by měli inženýři vyhodnotit samo-vybíjení, pohotovostní proud, provozní teplotu a frekvenci nabíjení.

► Lékařské diagnostické přístroje

Lékařská elektronikačasto vyžadují stálý výkon baterie a přísnou kontrolu kvality.

Aplikace mohou zahrnovat:

• Přenosné diagnostické zařízení
• Lékařská monitorovací zařízení
• Nositelné zdravotní senzory
• Přenosné testovací zařízení
• Systémy sledování pacientů

V závislosti na produktu a trhu může kvalifikace baterie zahrnovatISO 13485výrobní kontroly aIEC 62133-2bezpečnostní požadavky [7].
 

► Sub-nulové operace

Standardní lithiové baterie ztrácejí výkon při nízkých teplotách.

Pro venkovní vybavení a elektroniku pro studené-prostředí mohou být vyžadovány specializované nízkoteplotní-formulace.

Některá provedení mohou udržovat užitečný výkon při teplotách až přibližně-40 stupňů.

Mezi typické aplikace patří:

• Venkovní sledovací zařízení
• Studené-monitorování řetězce
• Elektronika pro zimní sporty
• Průmyslové senzory
• Zařízení pro dálkové monitorování

Nízká-teplota baterie výběr by měl vzít v úvahu jak výkon vybíjení, tak omezení nabíjení.

►Komerční drony a robotika

Dronya robotika potřebuje vysoký výkon v lehkém balení.

Tyto aplikace často používajívysokorychlostní -vybíjení více{1}}buněkschopné dodávat nepřetržitý nebo nárazový proud výše25C.

Mezi důležité konstrukční parametry patří:

• Trvalý vybíjecí proud
• Špičkový vybíjecí proud
• Pokles napětí
• Vnitřní odpor
• Hmotnost baterie
• Shoda buněk
• Tepelný výkon

U těchto produktů nestačí vybrat pouze-baterii s vysokou kapacitou.

Baterie musí také dodávat požadovaný proud bez nadměrného tepla nebo poklesu napětí.

7. Skladování, péče a bezpečnost: Zabraňte otékání baterie

Typický lithiový polymerní článek může poskytnout přibližně300 až 500 nabíjecích cyklůnež kapacita klesne pod přibližně 80 % původního jmenovitého výkonu za specifikovaných zkušebních podmínek [8].

Skutečná životnost baterie do značné míry závisí na způsobu nabíjení, vybíjení, skladování a používání článku.
 

► Stav úložiště-nabití-: 3,80 V–3,85 V

Chcete-li-dlouhodobě skladovat, neudržujte baterii nepřetržitě v plném nabití.

V okolí je plně nabitý standardní LiPo článek4.20V.

Pro skladování, napětí článku kolem3.80V–3.85V, nebo přibližně40%–50% stav nabití, může pomoci snížit dlouhodobou-degradaci [8].

To je zvláště důležité, když hotové výrobky mohou před použitím zůstat ve skladech několik měsíců.

► Zmírnění otoku buněk

Nabobtnání baterie je obvykle způsobeno tvorbou plynu uvnitř sáčku.

To může být důsledkem degradace elektrolytu a interfáze pevného elektrolytu, neboli SEI, rozpadu [6].

Mezi běžné příčiny patří:

• Dlouhodobé-vystavení vysoké teplotě
• Přebíjení
• Nabíjení nad specifikované napětí
• Silné nadměrné-vybití
• Vnitřní zkraty
• Mechanické poškození
• Stárnutí buněk
• Nevhodné podmínky nabíjení

Produkce plynu může zahrnovat CO2, CO a uhlovodíky [6].

Oteklá lithium-polymerová baterie by měla být vyřazena z provozu.

Neměl by být nadále nabíjen ani používán v produktu.

► Bezpečná likvidace

S poškozenými, oteklými, starými nebo s lithiovými bateriemi s koncem{0}}-životnosti je třeba zacházet v souladu s platnými místními požadavky na baterie a elektronický odpad.

Používejte schválené kanály pro recyklaci baterií nebo sběr elektronického -odpadu.

Lithium-polymerové baterie nevyhazujte do běžného domovního odpadu.

8. Vlastní 3,7V Lithium Polymer Solutions od Blumoti

Velikosti standardních{0}}baterií{1}}nepasují do každého produktu.

V mnoha projektech kompaktní elektroniky začíná výběr baterie s dostupným mechanickým prostorem.

Shenzhen Blumoti Energy Co., Ltd.poskytuje vlastní bateriová řešení pro aplikace, kde standardní rozměry pouzdra, rychlost vybíjení, délky vodičů, konektory nebo ochranné obvody nesplňují požadavky na design.

► Vlastní tvarové faktory

Zakázkové lithium-polymerové bateriemohou být navrženy podle specifických mechanických požadavků.

Možnosti mohou zahrnovat:

• Zakřivené LiPo baterie
• Ultra{0}}tenké baterie pod 1,0 mm
• Baterie ve tvaru L-
• Kruhové pouzdrové buňky
• Malé lithium-polymerové baterie
• Vlastní šířky a délky
• Vlastní rozsahy kapacity
• Speciální tvary baterií

Cíl je jednoduchý: umístit více využitelné kapacity baterie do prostoru, který je již k dispozici uvnitř produktu.

► Vlastní dráty, konektory a ochranné desky

Kompletní řešení baterií může také zahrnovat:

• PCM ochranná deska
• Vlastní délka drátu
• JST konektory
• Konektory Molex
• konektory PH2.0
• Konektory XH2,5
• NTC termistor
• Vlastní polarita konektoru
• Izolace baterie
• Vlastní štítky

To může snížit sekundární montážní práce při výrobě finálního produktu.

► Globální certifikace

Různé trhy a aplikace mohou vyžadovat různé dokumenty o shodě baterií.

Blumoti poskytuje certifikační podporu včetně:

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

Tyto požadavky mohou ovlivnit jak vývoj produktu, tak mezinárodní přepravu [4], [7], [9].

U projektů OEM a ODM by měly být požadavky na certifikaci projednány včas.

Čekání na sériovou výrobu s potvrzením certifikace může způsobit zbytečné zpoždění.