הסבר על קו ייצור חבילות סוללות: ממיון ל-BMS

מחבר: Dany Huang, Ph.D.

מנכ"ל ומנהיג מו"פ, TOB New Energy

תקציר מנהלים ונקודות חשובות

המעבר מייצור תאי ליתיום- בודדים להרכבת ערכת סוללות-גבוהה הוא המקום שבו הנדסה אלקטרוכימית פוגשת אינטגרציה מכאנית-בדיוק גבוה. תא 21700 מיוצר בצורה מושלמת הוא חסר תועלת אם הוא מרותך למארז לא תואם.

• "אפקט החבית" הוא מוחלט:הקיבולת הכוללת ותוחלת החיים של ערכת סוללות מוכתבים לחלוטין על ידי התא היחיד החלש ביותר שלה. סטיות קלות בהתנגדות פנימית (IR) או במתח מעגל פתוח (OCV) יגרמו לדהיית קיבולת מוקדמת על פני המודול כולו.

• המיון הוא הקרן:מיון תאים אוטומטי אינו בדיקת איכות אופציונלית; זהו קו הבסיס המתמטי הבסיסי של הרכבת החבילות. קיבוץ תאים עם סובלנות IR בתוך ± 1 mΩ ומתח בתוך ± 5 mV הוא חובה עבור יישומי EV ו-ESS.

• שלמות ריתוך מכתיבה בטיחות:בין אם נעשה שימוש בריתוך נקודתי של התנגדות דו-צדדית- או ריתוך לייזר אוטומטי, הקשר המתכתי בין מסוף התא למוט המסילה חייב לעמוד בפני רעידות והתפשטות תרמית קשים מבלי לגרום לריתוכים שקריים.

• בדיקת BMS מאמתת את המוח:מערכת ניהול הסוללות (BMS) היא הדבר היחיד שעומד בין החבילה שלך לבורחת התרמית. ציוד מקיף לבדיקת BMS חייב לדמות מצבי תקלה קיצוניים-טעינת יתר, פריקה עמוקה וקצר-מעגלים-לפני שהחבילה נאטמת.

הארכיטקטורה של קו ייצור מארז סוללות סוהר

יצרנים רבים רואים בטעות את הרכבת החבילה כתהליך מכני פשוט-להדביק תאים זה לזה והצמדת פס ​​ניקל למעלה. הלך הרוח המיושן הזה הוא הסיבה שכל כך הרבה סטארט-אפים של EV קל (-אופניים חשמליים) ומערכות אחסון אנרגיה (ESS) מתמודדים עם תביעות אחריות קטסטרופליות במהלך השנה הראשונה לפריסה.

תשואה מודרנית, גבוהה-פס ייצור של ערכת סוללותהוא זרימת עבודה אוטומטית מונעת-נתונים. יש לעקוב, למדוד, להתאים, לרתך ולאמת כל תא בודד תחת מערכת ביצוע ייצור מאוחדת (MES). אם אינך יכול לאתר את ה-OCV המדויק של תא #45 בחבילת 100S10P בחזרה לנתוני המיון המקוריים שלו, אין לך פס ייצור; יש לך אחריות.

להלן הפירוט ההנדסי הסופי-אחר-שלב של זרימת עבודה מקצועית של הרכבת חבילות, המדגיש את נקודות הכשל הקריטיות שרוב מנהלי הייצור מפספסים.

שלב 1: הביקורתיות של מיון והתאמה של תאים

אם אתה לוקח רק עיקרון הנדסי אחד מהמדריך הזה, תן לזה להיות זה:לעולם אל תרכיב תאים ללא תחרות.

כאשר אתה מחבר תאים בסדרה (כדי להגביר את המתח) ומקביל (כדי להגדיל את הקיבולת), הם פועלים כיחידה אחת. במהלך הטעינה, אם לתא אחד במחרוזת סדרה יש התנגדות פנימית (IR) גבוהה משמעותית מהשכנים שלו, הוא יגיע לסף ניתוק המתח מהר יותר. ה-BMS ירשום את המיתר כ"טעון במלואו" ויקצץ את זרם הטעינה, למרות ששאר התאים נמצאים בקיבולת של 85%.

בזמן פריקה קורה ההיפך. התא ה"חלש" פוגע תחילה בניתוק המתח התחתון, מכבה את החבילה בעוד התאים האחרים עדיין מחזיקים אנרגיה. תופעה זו, המכונה אפקט החבית, מפחיתה באופן דרסטי את הקיבולת השמישה של החפיסה שלך ומאיצה השפלה מקומית.

מכונת מיון התאים האוטומטית: קו ההגנה הראשון שלך

כדי למנוע את אפקט החבית, יש להפעיל תאים גליליים נכנסים (18650, 21700, 4680) או פריזמטיים דרך מכונת מיון אוטומטית.

מוֹדֶרנִימכונות מיון תאי סוללהאל תסתמך על קריאות מולטימטר ידניות. הם משתמשים בבודקי עכבת AC מכוילים מאוד (בדרך כלל מודדים ב-1 קילו-הרץ) ובמדדי מתח מדויקים כדי ליצור פרופיל של כל תא באלפיות שניות.

פרמטרי מיון סטנדרטיים עבור חבילות-בעלות ביצועים גבוהים:

• התנגדות פנימית ACIR (ACIR):סובלנות נשלטת בקפדנות בתוך ± 1 mΩ עד ± 2 mΩ.

• מתח מעגל פתוח (OCV):סובלנות נשלטת בתוך ± 5 mV עד ± 10 mV.

• קיבולת (אם משתמשים במלאי מדורג):תואם בתוך 1% סטייה.

תובנה הנדסית:אין למיין תאים מיד עם קבלתם מהמשלוח. תאי ליתיום- חווים הרפיית מתח ופריקה עצמית- במהלך המעבר. כדי להשיג קריאות OCV מדויקות, יש לאחסן תאים בסביבה מבוקרת-בטמפרטורה (25 מעלות ± 2 מעלות) לפחות 48 עד 72 שעות לפני הפעלתם במכונת המיון.

שלב 2: הרכבה מבנית ואימות קוטביות

ברגע שיש לך אצווה מתאימה לחלוטין של תאים, הם חייבים להיות מאובטחים מבנית. רטט הוא האויב של המפרק המרותך. אם התאים נעים באופן עצמאי בתוך החבילה במהלך הפעולה (כגון בקורקינט חשמלי הנוסע על פני שטח קשים), פסי הניקל יחוו עייפות מתכת ובסופו של דבר ניתקעו.

סוגריים לתא ובידוד

תאים מוכנסים לפוליקרבונט-מעכב בעירה או בסוגריים מפלסטיק ABS. סוגריים אלה משרתים שלוש פונקציות קריטיות:

1. קשיחות מכנית:הם נועלים את התאים לרשת קבועה, ומעבירים זעזוע פיזי הרחק מנקודות הריתוך.

2. מרווח תרמי:הם אוכפים מרווח אוויר חובה (בדרך כלל 1 מ"מ עד 2 מ"מ) בין התאים הגליליים. פער זה חיוני לפיזור תרמי; אם תא נכנס לברוח תרמית, המרווח מונע התפשטות תרמית מיידית לתאים סמוכים.

3. בידוד חשמלי:הם מונעים מהמארזים החיצוניים של תאים סמוכים (הנושאים מטען שלילי בפורמטים גליליים סטנדרטיים) לגעת ולגרום לקצר אם עטיפת ה-PVC ניזוקה.

בדיקת קוטביות CCD

לפני שהחבילה עוברת לתחנת הריתוך, עליה לעבור בדיקה ויזואלית אוטומטית. תא בודד המוכנס הפוך (קוטביות הפוכה) יגרום לקצר חשמלי מיידי, קטסטרופלי ברגע שהפס מרותך לרוחבו. מצלמות CCD מהירות- סורקות את מטריצת התאים, תוך שימוש בזיהוי תמונה כדי לוודא שהמסוף החיובי (עליון הכפתור) והשלילי (השטוח) תואמים במדויק את הסכימה המיועדת לסדרה/מקבילה.

שלב 3: תהליך הריתוך - התנגדות מול לייזר

החיבור החשמלי בין התאים הבודדים לבין המסופים הראשיים של החבילה מושג באמצעות פסי רשת -בדרך כלל רצועות ניקל טהור, פלדה בציפוי ניקל- או, ביישומי הספק גבוה-, אלומיניום או נחושת מרוכבים.

השיטה המשמשת לחיבור פסים אלה למסופי התא מכתיבה את ההתנגדות הפנימית של החיבור ואת העמידות המכנית של החבילה.

ריתוך נקודתי מיקרו-(דו-צדדי-)

עבור הרוב המכריע של חבילות התאים הגליליים (-אופניים חשמליים, כלי עבודה חשמליים, מודולי ESS סטנדרטיים), ריתוך נקודתי התנגדות דו-צדדי דו-צדדי הוא הסטנדרט בתעשייה.

המכונת ריתוך נקודתית אוטומטיתמשתמש בספק מתח DC של-מהפך בתדר גבוה או בספק כוח טרנזיסטורי. הוא מפעיל לחץ מקומי באמצעות שני פיני ריתוך אלומינה-נחושת ומספק זרם מסיבי למשך שבריר שנייה (בדרך כלל 5 עד 15 אלפיות שניות). ההתנגדות החשמלית בממשק בין רצועת הניקל למעטפת תא הפלדה מייצרת חום מקומי אינטנסיבי, וממיסה את שתי המתכות יחד ליצירת "גוש".

הימנעות מ"ריתוכים כוזבים" (ריתוך פסאודו-):

ריתוך כוזב נראה מקובל מבחינה ויזואלית אך חסר חדירה מתכתית. אם תגררו את פס הניקל מעל ריתוך טוב, הוא אמור לקרוע חור ברצועה, ולהשאיר את גוש הריתוך מחובר לתא (מבחן משיכה הרסני מוצלח). ריתוך כוזב יקפוץ בצורה נקייה.

כדי למנוע זאת, מהנדסי ייצור חייבים לפקח באופן רציף על:

• בלאי סיכת אלקטרודה:את העצות יש לתייק ולהלביש באופן קבוע. סיכות עמומות או מחומצנות מפזרות את הזרם על שטח רחב מדי, ומקטינות את עומק החדירה.

• לחץ פנאומטי:אם לחץ ראש הריתוך קל מדי, התנגדות המגע גבוהה מדי, מה שגורם לניצוץ ושריפה של פני השטח. אם הלחץ כבד מדי, הזרם עוקף את הממשק לחלוטין.

ריתוך לייזר עבור ערכות כוח-גבוהות

ככל שאנו מתקדמים לעבר תאים מנסרים בעלי קיבולת גבוהה- וארכיטקטורות EV מסיביות, ריתוך נקודתי מסורתי מתקשה לחדור לפסי נחושת או אלומיניום עבים. כאן, ריתוך לייזר סיבים משתלט. ריתוך בלייזר מציע ריתוך תפר רציף, בעל התנגדות-נמוכה, עם אזור מושפע חום מבוקר במיוחד (HAZ). עם זאת, זה דורש השקעות הון בסדרי גודל ובקרות אטמוספריות קפדניות ביותר כדי למנוע מיגון פלזמה ונקבוביות ריתוך.

שלב 4: שילוב BMS - מוחות המבצע

ערכת הסוללות מאוחדת כעת מבחינה מבנית וחשמלית, אבל היא "מטופשת". ללא מערכת ניהול סוללות (BMS), הכימיה של-יון הליתיום אינה יציבה ומסוכנת מטבעה.

ה-BMS הוא לוח מעגלים מודפס מורכב (PCB) המנטר את המצב של כל קבוצה מקבילה בחבילה. יש לנתב ולהלחים את רתמת החיווט בקפידה (או מרותכת על-קולית) מה-BMS אל המסוף החיובי של כל חיבור סדרה בודד.

פונקציות ליבה של BMS:

1. הגנת טעינת יתר:מנתק את המעגל אם מחרוזת תא כלשהי חורגת מהמתח הבטוח המרבי (למשל, 4.25V עבור NMC, 3.65V עבור LFP).

2. הגנת-פריקת יתר:מקצץ את החשמל אם מיתר כלשהו יורד מתחת למתח הבטוח המינימלי, ומונע פירוק נחושת בלתי הפיך באנודה.

3. הגנה מפני זרם יתר / קצר חשמלי:משתמש ב-MOSFET או במגעים כדי לנתק את החיבור באופן מיידי אם זרם הפריקה עולה מעבר לגבול התכנון.

4. ניטור טמפרטורה:מעסיק תרמיסטורי NTC הקבורים בתוך מטריצת התא כדי לנטר חום. אם הטמפרטורות חורגות מגבולות ההפעלה הבטוחה (בדרך כלל 65 מעלות), ה-BMS מכבה את החבילה.

5. איזון פסיבי/אקטיבי:מדמם את האנרגיה העודפת מתאי המתח-הגבוהים ביותר בסוף מחזור הטעינה דרך נגדים מעקפים, ומאפשר לתאי המתח הנמוכים יותר "להדביק את הקצב". כך ה-BMS נלחם ב-Barrel Effect לאורך אורך החיים של החבילה.

שלב 5: בדיקות BMS וחבילות מקיפות

אינך יכול להניח שה-BMS חויוו כהלכה או שהקושחה שלו פועלת כראוי. BMS פגום יאפשר לחבילה להיטען ישירות לתוך הבור התרמי.

לפני האריזה הסופית, יש לחבר את המכלול כולו לתעשייהציוד לבדיקת BMSובוחני חבילות-סוף-הקו (EOL).

פרוטוקול בדיקות BMS

בודק ה-BMS מדמה את ההתנהגות של תאי הסוללה כדי לוודא שהלוגיקת ההגנה על הלוח מופעלת במיקרו-שנייה המדויקת שהיא אמורה לעשות.

• הדמיית מתח:הבוחן מחדיר באופן מלאכותי אות מתח גבוה (למשל, 4.3V) לאחד מחוטי החישה. הציוד מוודא שה-MOSFET של ה-BMS מפעילים מיד את הפסקת טעינת היתר-.

• הזרקה נוכחית:הבוחן מניע דופק זרם מסיבי ומיידי דרך מובילי הפריקה הראשיים כדי לאמת את זמן התגובה של-הגנת המעגל הקצר (שחייב להגיב במיקרו-שניות).

• אימות איזון:הבוחן עוקב אחר מעגלי האיזון כדי להבטיח שנגדי הדימום יופעלו כאשר מוכנסת דלתא מתח מדומה על פני המיתרים.

בדיקת EOL Pack סופית

לאחר אימות ה-BMS, החבילה שהושלמה מופעלת באמצעות בוחן סוף-של-שורות. מכונה זו מבצעת בדיקה הוליסטית אחרונה:

• Total Pack AC התנגדות פנימית.

• מתח מעגל פתוח כולל.

• בדיקת- סיר גבוה (עמידה דיאלקטרית): הפעלת מתח גבוה בין המסופים החיים והמארז החיצוני של החבילה כדי להבטיח שאין תקלות בבידוד או זרמי דליפה.

• מחזור טעינה/פריקה קצר וגבוה-על מנת לאמת את יכולת אספקת החשמל הכוללת.

אנקפסולציה והזדקנות סופית

רק לאחר שעוברים את כל מבחני ה-EOL, החבילה אטומה סופית. עבור חבילות סטנדרטיות, זה כרוך לעטוף את המכלול בלוחות פיברגלס אפוקסי וכיווץ שרוול PVC כבד- סביבו. עבור יישומי ESS ו-EV, החבילה מונמכת לתוך מארז אלומיניום או פלדה בדירוג IP67, משובץ בדבקים מבניים מוליכים תרמית, ונסגר עם הברגים.

לבסוף, החבילות שהושלמו עוברות תהליך יישון (בדרך כלל 7 עד 14 ימים) במחסן המפוקח-בטמפרטורה. זה מאפשר לכימיה הפנימית של החבילה להתייצב וחושף כל מיקרו- קצר מושהה או ריתוכים פגומים לפני שהמוצר נשלח למשתמש הקצה.

להנדס את קו החבילה הבא שלך?

רכישת מכונות עצמאיות מספקים שונים מובילה לסיוטים של שילוב תוכנה וזמני מחזור לא תואמים. מהנדסי TOB New Energy משולבים באופן מלא, קווי ייצור של ערכות סוללות סוהר. ממיון תאים אוטומטי ובדיקת CCD ועד לריתוך סרוו דו-צדדי- ובדיקת EOL סופית, הציוד שלנו מתקשר ללא רבב תחת MES מאוחד. ספק לנו את קיבולת חבילת היעד שלך ואת דרישות התפוקה היומיות, וצוות ההנדסה שלנו יספק תוכנית מפעל מקיפה.