3,7 V литиево-йонни полимерни батерии: Инженеринг, зареждане, безопасност и персонализирани решения

Въведение

Изборът на 3,7 V LiPo батерия започва с механичното пространство на продукта и профила на натоварване-, а не само с целевия капацитет.

Тези клетки са широко използвани, защото комбинират ниско тегло, компактна опаковка и гъвкави форми. Но батерия, която пасва на кутията, все още може да работи по-слабо, ако нейното зарядно напрежение, C-рейтинг, настройки за защита, температурен диапазон или път на сертифициране са грешни.

Това ръководство обяснява инженерните параметри, които са най-важни-от структурата на клетката и CC/CV зареждането до способността за разреждане, PCM/BMS защита, съхранение, безопасност и персонализирани OEM опции-, така че да можете да изберете или посочите правилното 3,7V LiPo решение по-рано в цикъла на проектиране.

1. Какво представлява 3,7 V литиево-йонна полимерна батерия?

A литиево-йонна полимерна батерия 3.7vе акумулаторна литиева батерия, вградена в гъвкава ламинирана алуминиева торбичка.

Също така обикновено се нарича a3.7v липо клетка, едноклетъчна липо{0}} батерия, или1S литиево-полимерна батерия.

LiPo клетките използват лека торбичка. Това дава на продуктовите дизайнери много повече свобода, когато работят с тънки, извити или -ограничени в пространството кутии [1].

Химия и принцип на работа

Вътре в aедноклетъчна липо, батерията обикновено комбинира литиево-кобалтов оксид (LCO), никел-манганов кобалт (NMC) или троен катоден материал с интеркалиран графитен анод [1].

По време на зареждане и разреждане литиевите йони се движат между катода и анода през електролита.

Ключовите параметри на напрежението включват:

• Номинално напрежение: 3.7V

Това е средното работно напрежение на стандартна литиево-полимерна клетка при нормални условия на разреждане [1].

• Максимално напрежение на зареждане: 4.20V

Стандартна 3,7 V LiPo батерия обикновено се зарежда до 4,20 V.

• Варианти за високо{0}}напрежение: 3,8 V / 3,85 V

Разширенолипо-високо напрежение (LiHV)клетките могат да се зареждат до 4,35 V или 4,40 V. Тези конструкции се използват, когато се изисква по-висока енергийна плътност в рамките на същия механичен отпечатък [2].

2. Техническо сравнение: литиево-йонни срещу литиево-полимерни батерии

Инженерите често сравняват литиево-полимерни-тип клетки с цилиндрични литиево-йонни клетки, като напр.18650и21700формати [3].

И двете технологии използват литиево-йонна химия, но тяхната механична конструкция създава важни разлики.

За много преносими продукти решението се свежда до механичен дизайн.

Ако кутията има фиксирано цилиндрично отделение за батерии, 18650 или 21700 може да са по-добрият избор.

Ако наличното пространство е тънко, неправилно, извито или силно персонализирано, a3,7 V литиево-йонна полимерна батерияобикновено дава на дизайнерския екип повече гъвкавост.

3. Прозорци на напрежението и протокол за зареждане CC/CV

 

A едноклетъчна 3.7V литиева батерияне трябва да се свързва директно към фиксирано захранване с постоянен ток.

Изисква се контролираноCC/CV профил на зареждане, което означава зареждане с постоянен ток / постоянно напрежение [3], [5].

Този метод на зареждане е стандартен за литиево-йонни и литиево-полимерни клетки.

 

4. Разбиране на C-номиналните и разрядни криви

TheC-оценкаописва тока на зареждане или разреждане спрямо номиналния капацитет на батерията.

Основното изчисление е:

Ток (A)=Капацитет (Ah) × C-Скорост

Например:

Батерия от 1000mAh се равнява на 1Ah.

В 1C:

1Ah × 1C=1A

При 5C:

1Ah × 5C=5A

Ето защо C-оценката има толкова голямо значение при избора на a3.7v липо батерияза различни приложения.

► Ниски{0}}устройства за източване и режим на готовност: 0,2C–1C

Този диапазон е общ за продукти, които дават приоритет на времето на работа и живота на цикъла пред пиковия ток.

Типичните приложения включват:

• IoT сензори
• Интелигентни носими устройства
• Медицински проследяващи устройства
• Bluetooth устройства
• Системи за наблюдение с-ниска мощност

За тези продукти стабилният разряд и ниският-саморазряд обикновено са по-важни от екстремния изходен ток.

► Непрекъснат среден разряд: 2C–5C

Този диапазон е по-подходящ за устройства с умерено потребление на енергия.

Типичните приложения включват:

• Мобилни ПОС терминали
• Ръчни индустриални скенери
• RF предаватели
• Преносима електроника
• Малки двигатели и задвижки

Батерията трябва да поддържа стабилно напрежение, като същевременно осигурява по-висок непрекъснат ток.

► LiPo пакети с висока-скорост: 15C–30C+ Burst

Високо{0}}скоростни LiPo пакетиса предназначени за приложения, които изискват много висок пиков ток.

Типичните примери включват:

• Мултикоптери
• Търговски дронове
• роботика
• RC оборудване
• Динамични серво задвижки
• Високо{0}}преносими системи

Тези приложения може да изискват 15C, 20C, 25C, 30C или по-висока производителност на разряд.

Изборът на правилната C-оценка е от решаващо значение.

Батерия с недостатъчна способност за разреждане може да изпита прекомерен спад на напрежението, генериране на топлина, лошо време на работа или намален живот на цикъла.

 

 

5. Защита на батерията: Защо PCM и BMS са задължителни

Литиевите батерии изискват контролирани работни условия.

Презареждането, пре{0}}разреждането, късите съединения, прекомерният ток и необичайните температури могат да създадат рискове за безопасността.

Ето защо много дизайни на батерии интегрират aМодул за защитна верига (PCM)илиСистема за управление на батерията (BMS).

За приложения с преносими литиеви батерии оценката на безопасността може също да включва стандарти катоIEC 62133 [4], [7].

Типична 3.7V LiPo защитна структура

 

► Защита от презареждане

PCM изключва пътя за зареждане, ако напрежението на клетката се повиши над посочения праг за защита от презареждане.

Типичен обхват на защита може да е около4.25V–4.30V [4].

Това помага да се предотврати оставането на батерията при опасно зареждащо напрежение.

 

► Защита от-преразреждане

Защитната верига изключва товара, когато напрежението на клетката падне под определеното ниво на прекъсване.

Типичен диапазон може да бъде около2.40V–2.50V [4].

Това помага за намаляване на риска от повреда при дълбоко разреждане.

 

► Защита от късо съединение и свръхток

Бързо{0}}действащите MOSFET превключватели могат да изключат батерията, когато токът се повиши над проектираната граница.

Това предпазва клетката и свързаната електроника по време на:

• Външни къси съединения
• Условия на спиране на двигателя
• Прекомерен ток на натоварване
• Неизправности в окабеляването
• Ненормални пикове на тока

За приложения с висок{0}}ток, настройките на PCM трябва да съответстват както на батерията, така и на действителния профил на натоварване.

 

► Термично управление с NTC термистор

АнNTC термисторможе да се добави за наблюдение на температурата на батерията.

Хост устройството или зарядното може да използва този температурен сигнал, за да спре зареждането, когато батерията е извън одобрения работен диапазон.

Обичайният температурен диапазон на зареждане е приблизително0 градуса до 45 градуса, въпреки че действителната граница зависи от спецификацията на клетката [7].

За медицински устройства, носими устройства, външна електроника и-приложения с висока мощност термичният мониторинг може да бъде важна част от дизайна за безопасност на батерията.

► Интелигентни IoT и дистанционни сензори

IoT продуктиобикновено се нуждаят от ниска консумация на енергия и дълъг живот в режим на готовност.

Една добре-избрана клетъчна торбичка може да поддържа:

• Безжични сензори
• Проследяващи активи
• GPS устройства
• Оборудване за дистанционно наблюдение
• Интелигентни домашни устройства
• Индустриални IoT възли

За IoT продукти с дълъг-живот инженерите трябва-да оценят саморазреждането, тока в режим на готовност, работната температура и честотата на зареждане.

► Медицински диагностични уреди

Медицинска електроникачесто изискват постоянна производителност на батерията и строг контрол на качеството.

Приложенията могат да включват:

• Преносимо диагностично оборудване
• Медицински устройства за наблюдение
• Носими здравни сензори
• Преносимо тестово оборудване
• Системи за проследяване на пациенти

В зависимост от продукта и пазара квалификацията на батерията може да включваISO 13485контрол на производството иIEC 62133-2изисквания за безопасност [7].
 

► Операции под-Нула

Стандартните литиеви батерии губят производителност при ниски температури.

За оборудване на открито и електроника за-студена среда може да са необходими специализирани ниско{1}}температурни формули.

Някои конструкции могат да поддържат полезна мощност при температури до приблизително-40 градуса.

Типичните приложения включват:

• Устройства за проследяване на открито
• Мониторинг-на студена верига
• Електроника за зимни спортове
• Индустриални сензори
• Оборудване за дистанционно наблюдение

Ниска{0}}температурна батерия изборът трябва да вземе предвид както производителността на разряда, така и ограниченията на зареждането.

►Комерсиални дронове и роботика

Дроновеи роботиката се нуждае от висока мощност в лек пакет.

Тези приложения често използватмногоклетъчни опаковки с висока-скорост на разряд-способни да доставят непрекъснат или импулсен ток по-горе25C.

Важните параметри на дизайна включват:

• Непрекъснат ток на разреждане
• Пиков ток на разреждане
• Пропадане на напрежението
• Вътрешно съпротивление
• Тегло на батерията
• Съвпадение на клетки
• Топлинна производителност

За тези продукти не е достатъчно просто да изберете батерия с голям{0}}капацитет.

Батерията трябва също да доставя необходимия ток без прекомерна топлина или спад на напрежението.

7. Съхранение, грижа и безопасност: Избягване на подуване на батерията

Типична литиево-полимерна клетка може да осигури около300 до 500 цикъла на зарежданепреди капацитетът да падне под приблизително 80% от първоначалния си рейтинг при определени условия на изпитване [8].

Действителният живот на батерията зависи до голяма степен от това как клетката се зарежда, разрежда, съхранява и използва.
 

► Състояние на съхранение-на-зареждане: 3,80 V–3,85 V

За дългосрочно-съхраняване избягвайте да държите батерията постоянно напълно заредена.

Наоколо има напълно заредена стандартна LiPo клетка4.20V.

За съхранение, клетка напрежение около3.80V–3.85V, или приблизително40%–50% състояние на зареждане, може да помогне за намаляване на дългосрочното-разграждане [8].

Това е особено важно, когато готовите продукти могат да останат в складовете няколко месеца преди употреба.

► Намаляване на подуването на клетките

Подуването на батерията обикновено се причинява от генериране на газ вътре в торбичката.

Това може да е резултат от разграждане на електролита и разпадане на интерфазата на твърдия електролит или SEI [6].

Често срещаните причини включват:

• Дълго{0}}трайно излагане на висока температура
• Презареждане
• Зареждане над определеното напрежение
• Силно пре-отделяне
• Вътрешни къси съединения
• Механични повреди
• Стареене на клетките
• Неправилни условия на зареждане

Генерирането на газ може да включва CO2, CO и въглеводороди [6].

Подутата литиево-полимерна батерия трябва да бъде извадена от употреба.

Не трябва да продължава да се зарежда или използва в продукта.

► Безопасно изхвърляне

Повредени, подути, остарели или с изтекъл-живот-литиеви батерии трябва да се третират в съответствие с приложимите местни изисквания за батерии и електронни отпадъци.

Използвайте одобрени канали за рециклиране на батерии или събиране на-отпадъци.

Не изхвърляйте литиево-полимерните батерии в обикновените битови отпадъци.

8. Персонализирани 3.7V литиево-полимерни решения от Blumoti

Размерите на--батериите от рафтовете не са подходящи за всеки продукт.

В много проекти за компактна електроника изборът на батерия започва с наличното механично пространство.

Shenzhen Blumoti Energy Co., Ltd.предоставя персонализирани решения за батерии за приложения, при които стандартните размери на торбичките, скоростите на разреждане, дължините на проводниците, конекторите или защитните вериги не отговарят на изискванията за проектиране.

► Персонализирани форм фактори

Персонализирани литиево-полимерни батериимогат да бъдат проектирани според специфични механични изисквания.

Опциите могат да включват:

• Извити LiPo батерии
• Ултра{0}}тънки батерии под 1,0 mm
• L{0}}образни батерии
• Клетки с кръгла торбичка
• Малки литиево-полимерни батерии
• Персонализирани ширини и дължини
• Персонализирани диапазони на капацитет
• Специални форми на батерии

Целта е проста: поставете повече използваем капацитет на батерията във вече наличното пространство вътре в продукта.

► Персонализирани кабели, конектори и защитни платки

Пълното решение за батерии може също да включва:

• PCM защитна платка
• Персонализирана дължина на проводника
• JST конектори
• Molex конектори
• PH2.0 конектори
• Конектори XH2.5
• NTC термистор
• Персонализиран поляритет на конектора
• Изолация на батерията
• Персонализирани етикети

Това може да намали вторичната работа по сглобяване по време на производството на крайния продукт.

► Глобални сертификати

Различните пазари и приложения може да изискват различни документи за съответствие на батерията.

Blumoti предоставя поддръжка за сертифициране, включително:

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

Тези изисквания могат да повлияят както на разработването на продукта, така и на международните доставки [4], [7], [9].

За OEM и ODM проекти изискванията за сертифициране трябва да бъдат обсъдени отрано.

Изчакването до масовото производство за потвърждаване на сертифицирането може да създаде ненужни забавяния.