อธิบายสายการประกอบชุดแบตเตอรี่: จากการเรียงลำดับไปจนถึง BMS

ผู้แต่ง: Dany Huang, Ph.D.

ผู้นำ CEO และ R&D, TOB New Energy

บทสรุปผู้บริหารและประเด็นสำคัญ

การเปลี่ยนจากการผลิตเซลล์ลิเธียม-แต่ละเซลล์ไปเป็นการประกอบชุดแบตเตอรี่แรงดันสูง-คือจุดที่วิศวกรรมไฟฟ้าเคมีมาบรรจบกัน-การบูรณาการทางกลที่มีความแม่นยำสูง เซลล์ 21700 ที่ผลิตขึ้นมาอย่างสมบูรณ์แบบจะไม่มีประโยชน์หากเชื่อมเข้ากับแพ็คที่ไม่ตรงกัน

• "เอฟเฟกต์ลำกล้อง" นั้นแน่นอน:ความจุและอายุการใช้งานรวมของแบตเตอรี่จะขึ้นอยู่กับเซลล์แต่ละเซลล์ที่อ่อนแอที่สุด การเบี่ยงเบนเล็กน้อยในความต้านทานภายใน (IR) หรือแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด (OCV) จะทำให้ความจุลดลงก่อนกำหนดทั่วทั้งโมดูล

• การเรียงลำดับเป็นรากฐาน:การเรียงลำดับเซลล์อัตโนมัติไม่ใช่การตรวจสอบคุณภาพที่เป็นทางเลือก มันเป็นพื้นฐานทางคณิตศาสตร์พื้นฐานของการประกอบแพ็ค การจัดกลุ่มเซลล์ที่มีความคลาดเคลื่อนของ IR ภายใน ± 1 mΩ และแรงดันไฟฟ้าภายใน ± 5 mV เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการใช้งาน EV และ ESS

• ความสมบูรณ์ในการเชื่อมกำหนดความปลอดภัย:ไม่ว่าจะใช้การเชื่อมจุดด้วยความต้านทานสอง-หรือการเชื่อมด้วยเลเซอร์อัตโนมัติ พันธะทางโลหะวิทยาระหว่างขั้วเซลล์และบัสบาร์จะต้องทนทานต่อการสั่นสะเทือนที่รุนแรงและการขยายตัวทางความร้อนโดยไม่ทำให้เกิดการเชื่อมผิดพลาด

• การทดสอบ BMS ตรวจสอบสมอง:ระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) เป็นเพียงสิ่งเดียวที่อยู่ระหว่างกระเป๋าของคุณและระบบระบายความร้อน อุปกรณ์ทดสอบ BMS ที่ครอบคลุมจะต้องจำลองสภาวะความผิดปกติขั้นรุนแรง-การชาร์จไฟเกิน การคายประจุลึก และ-วงจร-ก่อนที่บรรจุภัณฑ์จะถูกปิดผนึก

สถาปัตยกรรมของสายการประกอบชุดแบตเตอรี่แบบครบวงจร

ผู้ผลิตหลายรายเข้าใจผิดมองว่าการประกอบแพ็คเป็นกระบวนการทางกลที่เรียบง่าย-โดยติดเซลล์เข้าด้วยกันแล้วตบแถบนิกเกิลที่ด้านบน กรอบความคิดที่ล้าสมัยนี้เป็นเหตุให้สตาร์ทอัพที่ใช้ EV (e-bike) และระบบกักเก็บพลังงาน (ESS) ขนาดเล็กจำนวนมากต้องเผชิญกับการเรียกร้องการรับประกันที่เลวร้ายภายในปีแรกของการใช้งาน

ทันสมัย ​​ให้ผลตอบแทนสูง-สายการประกอบชุดแบตเตอรี่เป็นขั้นตอนการทำงานอัตโนมัติที่ขับเคลื่อนด้วยข้อมูล- ทุกเซลล์ต้องมีการติดตาม วัด จับคู่ เชื่อม และตรวจสอบภายใต้ระบบการดำเนินการผลิตแบบครบวงจร (MES) หากคุณไม่สามารถติดตาม OCV ที่แน่นอนของเซลล์ #45 ในแพ็ค 100S10P กลับไปยังข้อมูลการเรียงลำดับดั้งเดิม แสดงว่าคุณไม่มีสายการผลิต คุณมีความรับผิด

ด้านล่างนี้คือรายละเอียดทางวิศวกรรมขั้นสุดท้าย-ทีละ-ทีละขั้นตอนของขั้นตอนการประกอบแพ็คระดับมืออาชีพ โดยเน้นถึงจุดความล้มเหลวที่สำคัญที่ผู้จัดการฝ่ายผลิตส่วนใหญ่พลาดไป

ขั้นที่ 1: ความสำคัญของการเรียงลำดับและจับคู่เซลล์

หากคุณนำหลักการทางวิศวกรรมเพียงข้อเดียวออกจากคู่มือนี้ ปล่อยให้เป็นดังนี้:อย่าประกอบเซลล์ที่ไม่ตรงกัน

เมื่อคุณเชื่อมต่อเซลล์แบบอนุกรม (เพื่อเพิ่มแรงดันไฟฟ้า) และขนาน (เพื่อเพิ่มความจุ) เซลล์เหล่านี้จะทำหน้าที่เป็นหน่วยเดียว ในระหว่างการชาร์จ หากเซลล์หนึ่งในสายอนุกรมมีความต้านทานภายใน (IR) สูงกว่าเซลล์ข้างเคียงอย่างมาก เซลล์จะถึงเกณฑ์ตัดแรงดันไฟฟ้าได้เร็วขึ้น BMS จะลงทะเบียนสตริงว่า "ชาร์จเต็มแล้ว" และตัดกระแสไฟชาร์จ แม้ว่าเซลล์อื่นๆ จะมีความจุเพียง 85% เท่านั้น

ในระหว่างการปลดประจำการจะเกิดสิ่งตรงกันข้าม เซลล์ที่ "อ่อนแอ" จะกระทบกับแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่าก่อน และจะปิดเซลล์ในขณะที่เซลล์อื่นๆ ยังคงกักเก็บพลังงานไว้ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า Barrel Effect ช่วยลดความจุในการใช้งานของแพ็คลงอย่างมาก และเร่งการย่อยสลายเฉพาะที่

เครื่องคัดแยกเซลล์อัตโนมัติ: แนวป้องกันแรกของคุณ

เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดผลกระทบจากลำกล้อง จะต้องดำเนินการเซลล์ทรงกระบอกขาเข้า (18650, 21700, 4680) หรือเซลล์ปริซึมผ่านเครื่องคัดแยกอัตโนมัติ

ทันสมัยเครื่องคัดแยกเซลล์แบตเตอรี่ไม่ต้องพึ่งพาการอ่านมัลติมิเตอร์แบบแมนนวล พวกเขาใช้เครื่องทดสอบความต้านทานไฟฟ้ากระแสสลับที่ได้รับการสอบเทียบสูง (โดยทั่วไปจะวัดที่ 1 kHz) และโวลต์มิเตอร์ที่มีความแม่นยำเพื่อโปรไฟล์แต่ละเซลล์ในหน่วยมิลลิวินาที

พารามิเตอร์การเรียงลำดับมาตรฐานสำหรับ-แพ็คประสิทธิภาพสูง:

• ความต้านทานภายใน AC (ACIR):ความคลาดเคลื่อนได้รับการควบคุมอย่างเข้มงวดภายใน ± 1 mΩ ถึง ± 2 mΩ

• แรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด (OCV):ความคลาดเคลื่อนควบคุมภายใน ± 5 mV ถึง ± 10 mV

• ความจุ (หากใช้สต็อกแบบให้คะแนน):จับคู่ภายในส่วนเบี่ยงเบน 1%

ข้อมูลเชิงลึกด้านวิศวกรรม:อย่าจัดเรียงเซลล์ทันทีที่ได้รับจากการขนส่ง เซลล์ลิเธียม-จะมีแรงดันไฟฟ้าคลายตัวและคายประจุเอง-ระหว่างการขนส่ง หากต้องการอ่านค่า OCV ที่แม่นยำ เซลล์ต้องถูกจัดเก็บไว้ในสภาพแวดล้อมที่มีการควบคุมอุณหภูมิ- (25 องศา ± 2 องศา ) เป็นเวลาอย่างน้อย 48 ถึง 72 ชั่วโมงก่อนที่จะนำเซลล์เหล่านั้นผ่านเครื่องคัดแยก

ขั้นตอนที่ 2: การประกอบโครงสร้างและการตรวจสอบขั้ว

เมื่อคุณมีชุดเซลล์ที่เข้ากันอย่างลงตัวแล้ว เซลล์เหล่านั้นจะต้องมีการรักษาความปลอดภัยเชิงโครงสร้าง การสั่นสะเทือนเป็นศัตรูตัวฉกาจของรอยเชื่อม หากเซลล์เคลื่อนที่อย่างอิสระภายในชุดระหว่างการทำงาน (เช่น ในสกู๊ตเตอร์ไฟฟ้าที่เดินทางบนพื้นที่ขรุขระ) บัสบาร์นิกเกิลจะพบกับความล้าของโลหะและแตกหักในที่สุด

วงเล็บเซลล์และฉนวน

เซลล์ถูกใส่เข้าไปใน-โพลีคาร์บอเนตที่หน่วงไฟหรือโครงพลาสติก ABS วงเล็บเหล่านี้ทำหน้าที่สำคัญสามประการ:

1. ความแข็งแกร่งทางกล:พวกมันล็อคเซลล์ไว้ในตารางที่ตายตัว เพื่อถ่ายเทแรงสั่นสะเทือนทางกายภาพออกไปจากจุดเชื่อม

2. ระยะห่างความร้อน:พวกเขาบังคับใช้ช่องว่างอากาศบังคับ (โดยทั่วไป 1 มม. ถึง 2 มม.) ระหว่างเซลล์ทรงกระบอก ช่องว่างนี้มีความสำคัญต่อการกระจายความร้อน ถ้าเซลล์เข้าสู่การระบายความร้อน ระยะห่างจะป้องกันการแพร่กระจายความร้อนทันทีไปยังเซลล์ที่อยู่ติดกัน

3. การแยกไฟฟ้า:โดยป้องกันไม่ให้เปลือกด้านนอกของเซลล์ที่อยู่ติดกัน (ซึ่งมีประจุลบในรูปแบบทรงกระบอกมาตรฐาน) สัมผัสกัน และทำให้เกิดการลัดวงจรหากฟิล์มหด PVC เสียหาย

การตรวจสอบขั้ว CCD

ก่อนที่บรรจุภัณฑ์จะย้ายไปยังสถานีเชื่อม จะต้องผ่านการตรวจสอบด้วยสายตาโดยอัตโนมัติ เซลล์เดียวที่ใส่กลับหัว (ขั้วกลับด้าน) จะทำให้เกิดการลัดวงจรที่รุนแรงทันทีที่เชื่อมบัสบาร์เข้าด้วยกัน กล้อง CCD ความเร็วสูง-จะสแกนเมทริกซ์ของเซลล์ โดยใช้การจดจำภาพเพื่อตรวจสอบว่าขั้วบวก (ปุ่มด้านบน) และขั้วลบ (แบน) ตรงกับอนุกรม/แผนผังขนานที่ต้องการทุกประการ

ขั้นตอนที่ 3: กระบวนการเชื่อม - ความต้านทานเทียบกับเลเซอร์

การเชื่อมต่อทางไฟฟ้าระหว่างเซลล์แต่ละเซลล์กับขั้วต่อหลักของแพ็คทำได้ผ่านบัสบาร์-โดยทั่วไปคือแถบนิกเกิลบริสุทธิ์ -เหล็กชุบนิกเกิล หรือในการใช้งานที่มีกำลังสูง- วัสดุผสมอะลูมิเนียมหรือทองแดง

วิธีการที่ใช้ในการหลอมบัสบาร์เหล่านี้เข้ากับขั้วเซลล์จะกำหนดความต้านทานภายในของการเชื่อมต่อและความทนทานทางกลของแพ็ค

การเชื่อมจุดต้านทานขนาดเล็ก- (สอง-ด้าน)

สำหรับเซลล์ทรงกระบอกส่วนใหญ่ (จักรยานอี- เครื่องมือไฟฟ้า โมดูล ESS มาตรฐาน) การเชื่อมจุดต้านทานอัตโนมัติสอง-ถือเป็นมาตรฐานอุตสาหกรรม

ที่เครื่องเชื่อมจุดอัตโนมัติใช้แหล่งจ่ายไฟ DC อินเวอร์เตอร์ความถี่สูง- หรือแหล่งจ่ายไฟแบบทรานซิสเตอร์ ใช้แรงดันเฉพาะจุดผ่านหมุดเชื่อมอลูมินาทองแดง-สองตัว และจ่ายกระแสพัลส์ขนาดใหญ่เพียงเศษเสี้ยววินาที (โดยทั่วไปคือ 5 ถึง 15 มิลลิวินาที) ความต้านทานไฟฟ้าที่จุดเชื่อมต่อระหว่างแถบนิกเกิลและโครงเซลล์เหล็กทำให้เกิดความร้อนเฉพาะจุดที่รุนแรง โดยหลอมโลหะทั้งสองเข้าด้วยกันจนกลายเป็น "นักเก็ต"

การหลีกเลี่ยง "การเชื่อมปลอม" (การเชื่อมหลอก-):

การเชื่อมปลอมนั้นดูเป็นที่ยอมรับได้ แต่ขาดการเจาะทะลุของโลหะ หากคุณงัดแถบนิกเกิลออกจากแนวเชื่อมที่ดี แถบนั้นควรฉีกเป็นรู โดยปล่อยให้นักเชื่อมติดอยู่กับเซลล์ (การทดสอบแรงดึงแบบทำลายล้างได้สำเร็จ) รอยเชื่อมปลอมจะหลุดออกมาอย่างหมดจด

เพื่อป้องกันสิ่งนี้ วิศวกรการผลิตจะต้องตรวจสอบอย่างต่อเนื่อง:

• การสึกหรอของขั้วไฟฟ้า:ต้องยื่นทิปและแต่งกายอย่างสม่ำเสมอ หมุดทื่อหรือออกซิไดซ์จะกระจายกระแสไปในพื้นที่กว้างเกินไป ส่งผลให้ความลึกของการเจาะลดลง

• แรงดันลม:หากแรงดันหัวเชื่อมเบาเกินไป ความต้านทานการสัมผัสสูงเกินไป ทำให้เกิดประกายไฟและการเผาไหม้ที่พื้นผิว หากแรงดันหนักเกินไป กระแสไฟฟ้าจะทะลุส่วนต่อประสานทั้งหมด

การเชื่อมด้วยเลเซอร์สำหรับชุดกำลังสูง-

เมื่อเราก้าวไปสู่เซลล์แบบแท่งปริซึมความจุสูง-และสถาปัตยกรรม EV ขนาดใหญ่ การเชื่อมแบบจุดแบบดั้งเดิมจะต้องดิ้นรนเพื่อเจาะบัสบาร์ทองแดงหรืออะลูมิเนียมที่หนา ที่นี่การเชื่อมด้วยไฟเบอร์เลเซอร์เข้ามาแทนที่ การเชื่อมด้วยเลเซอร์ให้การเชื่อมตะเข็บที่มีความต้านทานต่ำ-อย่างต่อเนื่องพร้อมโซนควบคุมความร้อน (HAZ) ที่มีการควบคุมสูง อย่างไรก็ตาม จำเป็นต้องมีคำสั่งลงทุนที่เพิ่มมากขึ้นและการควบคุมบรรยากาศที่เข้มงวดอย่างยิ่ง เพื่อป้องกันการป้องกันพลาสมาและความพรุนในการเชื่อม

ขั้นที่ 4: บูรณาการ BMS - สมองของการปฏิบัติการ

ขณะนี้ก้อนแบตเตอรี่ได้รับการรวมเป็นหนึ่งเดียวทั้งทางโครงสร้างและทางไฟฟ้า แต่มัน "โง่" หากไม่มีระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) เคมีของลิเธียม-จึงไม่เสถียรและเป็นอันตรายโดยธรรมชาติ

BMS คือแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ที่ซับซ้อนที่ตรวจสอบสถานะของกลุ่มขนานทุกกลุ่มในแพ็ค ชุดสายไฟต้องได้รับการจัดเส้นทางและบัดกรีอย่างพิถีพิถัน (หรือเชื่อมด้วยอัลตราโซนิค) จาก BMS ไปยังขั้วบวกของการเชื่อมต่อทุกชุด

ฟังก์ชั่น BMS หลัก:

1. การป้องกันการชาร์จไฟเกิน:ตัดการเชื่อมต่อวงจรหากสายเซลล์ใดๆ เกินแรงดันไฟฟ้าที่ปลอดภัยสูงสุด (เช่น 4.25V สำหรับ NMC, 3.65V สำหรับ LFP)

2. การป้องกันการคายประจุเกิน-:ตัดไฟหากสายใดๆ ลดลงต่ำกว่าแรงดันไฟฟ้าที่ปลอดภัยขั้นต่ำ เพื่อป้องกันการละลายของทองแดงที่ขั้วบวกแบบถาวร

3. การป้องกันกระแสเกิน / ลัดวงจร:ใช้ MOSFET หรือคอนแทคเตอร์เพื่อตัดการเชื่อมต่อทันที หากกระแสดิสชาร์จพุ่งเกินขีดจำกัดการออกแบบ

4. การตรวจสอบอุณหภูมิ:ใช้เทอร์มิสเตอร์ NTC ที่ฝังอยู่ภายในเมทริกซ์เซลล์เพื่อตรวจสอบความร้อน หากอุณหภูมิเกินขีดจำกัดการทำงานที่ปลอดภัย (โดยทั่วไปคือ 65 องศา) BMS จะปิดบรรจุภัณฑ์

5. การปรับสมดุลแบบพาสซีฟ/แอคทีฟ:ไล่พลังงานส่วนเกินออกจากเซลล์แรงดันสูงสุด-เมื่อสิ้นสุดรอบการชาร์จผ่านตัวต้านทานบายพาส ซึ่งช่วยให้เซลล์แรงดัน-ต่ำกว่า "ตามทัน" นี่คือวิธีที่ BMS ต่อสู้กับ Barrel Effect ตลอดอายุการใช้งานของแพ็ค

ขั้นตอนที่ 5: การทดสอบ BMS และ Pack ที่ครอบคลุม

คุณไม่สามารถสรุปได้ว่า BMS มีการเชื่อมต่ออย่างถูกต้องหรือเฟิร์มแวร์ทำงานอย่างถูกต้อง BMS ที่ผิดพลาดจะทำให้แพ็คชาร์จโดยตรงไปยังระบบระบายความร้อน

ก่อนการบรรจุขั้นสุดท้าย ส่วนประกอบทั้งหมดจะต้องเชื่อมต่อกับอุตสาหกรรมอุปกรณ์ทดสอบ BMSและผู้ทดสอบแพ็คปลายทาง-ของ-บรรทัด (EOL)

โปรโตคอลการทดสอบ BMS

เครื่องทดสอบ BMS จำลองพฤติกรรมของเซลล์แบตเตอรี่เพื่อตรวจสอบว่าตรรกะการป้องกันบนบอร์ดทริกเกอร์ที่ไมโครวินาทีที่แน่นอนตามที่ควรจะเป็น

• การจำลองแรงดันไฟฟ้า:ผู้ทดสอบฉีดสัญญาณไฟฟ้าแรงสูง (เช่น 4.3V) เข้าไปในสายตรวจจับเส้นใดเส้นหนึ่งโดยไม่ได้ตั้งใจ อุปกรณ์จะตรวจสอบว่า MOSFET ของ BMS จะกระตุ้นให้มีการตัดการชาร์จไฟเกิน-ทันที

• การฉีดปัจจุบัน:ผู้ทดสอบจะขับพัลส์กระแสขนาดใหญ่ที่เกิดขึ้นทันทีผ่านลีดหลักเพื่อตรวจสอบเวลาตอบสนองการป้องกันการลัดวงจร (ซึ่งจะต้องตอบสนองในหน่วยไมโครวินาที)

• การตรวจสอบความสมดุล:ผู้ทดสอบจะตรวจสอบวงจรสมดุลเพื่อให้แน่ใจว่าตัวต้านทานเลือดออกจะทำงานเมื่อมีการใช้เดลต้าแรงดันไฟฟ้าจำลองข้ามสายอักขระ

การทดสอบ EOL Pack ขั้นสุดท้าย

เมื่อ BMS ได้รับการตรวจสอบแล้ว แพ็กที่เสร็จสมบูรณ์จะถูกรันผ่านผู้ทดสอบจุดสิ้นสุด-ของ-บรรทัด เครื่องจักรนี้จะดำเนินการตรวจสอบแบบองค์รวมครั้งสุดท้าย:

• ความต้านทานภายใน Pack AC ทั้งหมด

• แรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดทั้งหมด

• การทดสอบหม้อสูง- (ความต้านทานต่อไดอิเล็กทริก): การใช้ไฟฟ้าแรงสูงระหว่างขั้วต่อที่มีกระแสไฟฟ้าและปลอกด้านนอกของบรรจุภัณฑ์เพื่อให้แน่ใจว่าฉนวนไม่พังหรือกระแสรั่วไหล

• รอบการชาร์จ/คายประจุกระแสไฟสูง-สั้นๆ เพื่อตรวจสอบความสามารถในการจ่ายพลังงานโดยรวม

การห่อหุ้มและการแก่ชราขั้นสุดท้าย

หลังจากผ่านการทดสอบ EOL ทั้งหมดแล้วเท่านั้นจึงจะปิดผนึกบรรจุภัณฑ์ได้ในที่สุด สำหรับแพ็คมาตรฐาน การดำเนินการนี้เกี่ยวข้องกับการพันชุดประกอบในบอร์ดอีพอกซีไฟเบอร์กลาส และการหดปลอก PVC สำหรับงานหนัก-รอบๆ สำหรับการใช้งาน ESS และ EV กล่องจะถูกหย่อนลงในกล่องอะลูมิเนียมหรือเหล็กที่ได้รับการจัดอันดับ IP67 บรรจุในกระถางด้วยกาวที่มีโครงสร้างนำความร้อน และปิดด้วยสลักเกลียว

สุดท้าย บรรจุภัณฑ์ที่เสร็จสมบูรณ์จะผ่านกระบวนการชราภาพ (โดยทั่วไปคือ 7 ถึง 14 วัน) ในคลังสินค้าที่มีการตรวจวัดอุณหภูมิ- ซึ่งช่วยให้เคมีภายในของบรรจุภัณฑ์มีเสถียรภาพและเผยให้เห็นการลัดวงจร-ที่ล่าช้าหรือรอยเชื่อมที่มีข้อบกพร่องก่อนที่ผลิตภัณฑ์จะถูกส่งไปยังผู้ใช้ปลายทาง

วิศวกรรมสายแพ็คถัดไปของคุณ?

การจัดหาเครื่องจักรแบบสแตนด์อโลนจากผู้ขายหลายรายนำไปสู่ฝันร้ายในการบูรณาการซอฟต์แวร์และรอบเวลาที่ไม่ตรงกัน วิศวกรของ TOB New Energy ได้บูรณาการสายการประกอบชุดแบตเตอรี่แบบครบวงจรอย่างสมบูรณ์ ตั้งแต่การเรียงลำดับเซลล์อัตโนมัติและการตรวจสอบ CCD ไปจนถึงการเชื่อมเซอร์โวแบบสอง-และการทดสอบ EOL ขั้นสุดท้าย อุปกรณ์ของเราสื่อสารได้อย่างไร้ที่ติภายใต้ MES แบบรวมศูนย์ ระบุกำลังการผลิตแพ็คเป้าหมายและความต้องการผลผลิตรายวันของคุณ แล้วทีมวิศวกรของเราจะส่งมอบพิมพ์เขียวโรงงานที่ครอบคลุม