Entwurfsprozess für individuelle Batteriepacks: Von Anforderungen bis zur Massenproduktion

Der erste Schritt bei einem erfolgreichen individuellen Akkupack ist die Auswahl der Zellen und das Verbinden der Zellen. Das Design sollte Spannung, Kapazität, Entladungsstrom, Platz, Ladeart, Betriebstemperatur, Kommunikation, Schutz, Zertifizierung und Produktionsgleichmäßigkeit berücksichtigen.

Der Designprozess für individuelle Batteriepacks bei GLOFLUX ist ein klar definierter Ingenieurprozess. Die Überprüfung der Geräteanforderungen, die Prototypenvalidierung und die Massenproduktion tragen alle zur Reduzierung technischer Risiken und zur Verbesserung der Batteriekompatibilität bei.

Schritt 1: Sammeln Sie die Produktanforderungen

Der erste Schritt ist, zu wissen, wie die Batterie genutzt wird. Es ist wichtig, dass der Kunde so viele technische Informationen wie möglich angibt, wie zum Beispiel:

• Nennspannung
• Erforderliche Kapazität oder Laufzeit
• Kontinuierlicher Arbeitsstrom
• Maximal- oder Spitzenstrom
• Abmessungen des Batteriefachs
• Ladespannung und -strom
• Betriebstemperatur
• Steckverbindertyp und Drahtlänge
• Kommunikationsanforderungen
• Erwartete Zykluslaufzeit
• Zielzertifizierung
• Geschätzte Bestellmenge

Wenn die gesamten Spezifikationen nicht bereitgestellt werden können, kann der Kunde Zeichnungen der Geräte, eine Musterbatterie, einen Produktprototyp oder elektrische Parameter des Produkts einsenden. Batterieingenieure können dann die Bedürfnisse berücksichtigen und eine sinnvolle erste Lösung vorschlagen.

Schritt 2: Wählen Sie die Batteriechemie aus

Verschiedene Batteriechemien bieten unterschiedliche Kombinationen von Energiedichte, Zykluszeit, Entladungsfähigkeit, Abmessungen und Temperaturleistung.

Lithium-Ionen-Batterien

Zylindrische Zellen (z. B. 18650 oder 21700) werden typischerweise für Industriegeräte, Roboter, tragbare Elektronik, Beleuchtungssysteme und andere Anwendungen gewählt, die eine konstante Leistung und flexible Kapazitäten erfordern.

Lithium-Polymer-Batterien

Die Li-Pol-Beutelzelle ist leicht und kann in verschiedenen Größen erhältlich sein. Sie sind für intelligente Wearable-Anwendungen, medizinische Geräte, Bluetooth-Lautsprecher, Schönheitsprodukte und kleine Elektronik mit minimalem Innenraum konzipiert.

LiFePO4-Batterien

LiFePO4-Batterien werden häufig wegen ihrer Laufzeit, thermischen Stabilität und langfristigen Zuverlässigkeit gewählt, was sie für Anwendungen geeignet macht, bei denen diese Eigenschaften entscheidend sind. Der übliche Einsatz findet sich in Robotern, Solarspeicherung und -beleuchtung sowie in Industriegeräten.

Die endgültige Chemie sollte nach der tatsächlichen Anwendung ausgewählt werden und nicht nur nach der Kapazität.

Schritt 3: Bestimmen Sie die Serien- und Parallelkonfiguration

Sobald die Zelle ausgewählt ist, berechnet der Ingenieur die Serien- und Parallelkombinationen, um die gewünschte Spannung und Leistung zu erhalten.

Serienverbindung erhöht die Batteriespannung, und die Parallelschaltung erhöht die Kapazität und den verfügbaren Strom. Die 3S-Konfiguration kann beispielsweise für ein Design verwendet werden, um eine Spannungsstufe zu erreichen, und parallel mehr, um die Laufzeit zu erhöhen.

In dieser Phase berücksichtigen Ingenieure außerdem:

• Maximale Ladespannung
• Entlade-Cutoff-Spannung
• Dauerentladungsstrom
• Spitzenlastdauer
• Anstieg der Zelltemperatur
• Verfügbarer Installationsraum
• Rucksackgewicht
• Erforderliche Sicherheitsmarge

Die Konfiguration muss sowohl den normalen Betrieb als auch vorübergehende Hochleistungsbetriebe beim Starten, drahtloser Kommunikation, Motorbewegung usw. ermöglichen.

Schritt 4: Entwerfen des BMS- und Schutzkreises

Das Batteriemanagementsystem schützt die Zellen und steuert wichtige elektrische Funktionen. Ein Standard-BMS kann bieten:

• Überladungsschutz
• Überentladungsschutz
• Überstromschutz
• Kurzschlussschutz
• Temperaturschutz
• Zellbalancierung

Kraftstoffanzeige sowie Datenspeicherung/Kommunikation mit dem Host-Gerät sind ebenfalls für fortschrittlichere Batteriepacks erforderlich. Die Kommunikation kann UART, SMBus, I²C, CAN oder RS485 erfolgen.

Die Schutzgrenzen sollten mit den ausgewählten und den Betriebseigenschaften des Geräts gleich sein. Wenn der Schutzstand zu niedrig eingestellt ist, kann der Akku während der Spitzenlast ausschalten. Die Zellen erhalten möglicherweise nicht den gewünschten Schutz, wenn die Einstellung falsch ist.

Schritt 5: Das mechanische Design abschließen

Die Anordnung von Zellen, BMS, Drähten, Steckverbindern und Isolierungsmaterialien im Pack hängt von der mechanischen Struktur ab.

Mechanische Anpassungen können Folgendes umfassen:

• Zellanordnung
• Schrumpfschlauchverpackung
• Kunststoffgehäuse
• Metallgehäuse
• Batteriehalter
• Steckverbinderposition
• Drahtlänge und Dickweite
• Lade- und Entladeanschlüsse
• Befestigungspunkte
• Etiketten und Branding

Außerdem müssen Ingenieure bei der Batteriekonstruktion Vibrationen, Aufprall, Wärmeableitung, Montagetoleranz und Installations- und Austauschmethoden berücksichtigen.

Ein 3D-Modell eines Batteriefachs kann für kompakte Geräte nützlich sein, um mögliche Störungen mit internen Komponenten zu vermeiden. Das austauschbare Batteriegehäuse, das Verriegelungsgerät und die elektrischen Kontakte sollten das wiederholte Ein- und Entfernen austauschbarer Batterien erleichtern.

Schritt 6: Überprüfen Sie Sicherheits- und Compliance-Anforderungen

Die Entwurfsplanung für die Zertifizierung sollte begonnen werden, bevor das endgültige Design "eingefroren" wird. Die geltenden Anforderungen hängen von der Batteriechemie, der Konfiguration, der Produktkategorie, der Transportmethode und dem Zielmarkt ab.

Dokumentation und/oder Tests für UN38.3, IEC 62133, UL, CE, RoHS, MSDS oder andere produktspezifische Anforderungen können in einem Projekt enthalten sein.

Kunden wird geraten, die Anwendungsbereiche ihrer Zielmärkte frühzeitig zu spezifizieren, da eine Änderung von Zelle, BMS und mechanischer Struktur nach Tests weitere Bewertungen erforderlich ist. Der Hersteller und das Produktzertifizierungsteam sollten sich daher vor Beginn der Werkzeuge und der Massenproduktion abstimmen.

Schritt 7: Prototypen erstellen und testen

Sobald die Spezifikation und die Zeichnungen genehmigt sind, werden Prototyp-Batteriepakete produziert. Die Proben ermöglichen es den Kunden zu überprüfen, ob die Batterie zum Gerät passt und unter realistischen Betriebsbedingungen korrekt funktioniert.

Die Prototypenbewertung umfasst üblicherweise Folgendes:

• Physische Passform und Installation
• Ladekompatibilität
• Gerätestart
• Laufzeit
• Kontinuierlicher und Spitzenabfluss
• Steckverbinderpolarität
• Kommunikation
• Temperaturanstieg
• Schutzfunktionen
• Mechanische Stabilität

Es wird empfohlen, dass der Kunde, wenn möglich, einen Test am Akku im Produkt durchführt. Eine Batterie, die auf einer Testbank einwandfrei funktioniert, kann unter tatsächlicher Last ausfallen, wenn Motoren, Heizelemente, drahtlose Module und andere schwankende Lasten verwendet werden.

Schritt 8: Optimieren Sie das Design

Prototypentests können Möglichkeiten bieten, die Batterie zu verbessern. Die Kapazität und Zellkonfiguration können ebenso angepasst werden wie die BMS-Einstellungen; die Kabelkonstruktion, die Konstruktion des Steckers, das Design des Gehäuses oder der Isolierungsstruktur können von den Ingenieuren angepasst werden.

Änderungen im Design sollten vor der Pilotproduktion dokumentiert und überprüft werden. Indem die Spezifikation kontrolliert wird, können Einkaufs-, Ingenieur- sowie Produktions- und Qualitätsteams alle von einer genehmigten Kopie der Spezifikation ausgehen.

Schritt 9: Durchführung der Pilotproduktion

Die Pilotproduktion überprüft, ob die Batterie konsistent mit den vorgesehenen Materialien, Ausrüstungen und Montageverfahren hergestellt werden kann.

In dieser Phase bewertet der Hersteller:

• Zellabgleich
• Schweißkonsistenz
• BMS-Montage
• Isolierung
• Verkabelung und Steckverbinder
• Gehäuseanpassung
• Testverfahren
• Produktionsrekorde
• Verpackungsmethoden

Etwaige Montageprobleme, die während der Pilotproduktion entdeckt werden, sollten vor der Veröffentlichung einer größeren Bestellung behoben werden.

Schritt 10: Beginn der Massenproduktion und Qualitätskontrolle

Nachdem sie ihre Pilotcharge bestanden haben, geht die Batterie in die Massenproduktion. Eingehende Materialinspektionen, Prozesskontrollen, elektrische Tests, Alterungsprüfungen und Enderscheinungsprüfungen sind allesamt Beispiele für Qualitätskontrolle.

Bei individuellen Projekten ist es besonders wichtig, Rückverfolgbarkeit zu haben. Der Produktionsbericht sollte die genehmigte Zelle, BMS-Version, Steckverbinder, Drahtspezifikation, Gehäuse und andere kritische Materialien enthalten.

GLOFLUX unterstützt Kunden von Anfang an beim Batteriebedarf über die Zellauswahl, über die BMS-Integration bis hin zur Konstruktion und Entwicklung des Gehäuses und Prototyps bis zur Produktion. Ein strukturierter Prozess, um ein Anwendungskonzept zu einer Batterielösung für wiederholbare Fertigung zu entwickeln.

Fazit

Der Entwurfsprozess für das maßgeschneiderte Batteriepaket vereint die Aspekte der Elektrotechnik, der mechanischen Struktur, des Sicherheits, der Compliance-Planung und der Fertigungskontrolle. Jeder dieser Schritte kann zu unzureichender Betriebszeit, ungeplanten Abschaltungen, übermäßigen Temperaturanstiegen, Installationsproblemen oder Produktionsverzögerungen führen.

Wenn ein OEM-Kunde frühzeitig einen sachkundigen Batteriehersteller engagiert, kann er technische Risiken erkennen, bevor das Design des Geräts finalisiert wird, und ein Batteriepaket entwickeln, das auf die Anforderungen des Geräts, Marktes und der Fertigung optimiert ist.

Häufig gestellte Fragen

1. Welche Informationen werden benötigt, um ein individuelles Batteriepaket zu entwerfen?

Die Hauptparameter sind Spannung, Kapazität, Betriebsstrom, Spitzenstrom, Größe und Form, Steckverbinder, Lademethode, Temperaturbereich und geschätzte Bestellgröße.

2. Wie lange dauert die Entwicklung von individuellen Akkus?

Der Zeitrahmen hängt von der Zellverfügbarkeit, der BMS-Komplexität, der Gehäuse-Ausstattung, der Anzahl der Prototypen, Test- und Zertifizierungsplänen ab.

3. Kann ein bestehendes Batteriepaket neu gestaltet werden?

Ja. Kunden können die originalen Batterie- und/oder Gerätedetails und/oder Spezifikationen für Kompatibilitätstests und mögliche Leistungsverbesserungen einreichen.

4. Kann GLOFLUX das BMS und das Kommunikationsprotokoll anpassen?

Es ist möglich, BMS-Schutzparameter und Kommunikationsfunktionen basierend auf der Anwendung – UART, SMBus, CAN, RS485 usw. – zu bewerten.

5. Sollte eine Zertifizierung vor dem Prototyping in Betracht gezogen werden?

Ja. Zielmärkte und Zertifizierungsanforderungen sollten frühzeitig identifiziert werden, da Zellauswahl, Packkonfiguration und strukturelle Änderungen die Tests beeinflussen können.