تقنيات مثبتة عند تطوير حزمة بطاريات مخصصة

ربما لا يقضي الكثير منا الكثير من الوقت في التفكير في حزم البطاريات التي نتفاعل معها بشكل منتظم ؛ نحن مهتمون فقط بما إذا كانوا يعملون أم لا. عندما تعمل تمامًا على النحو المنشود ، من المهم أن نفهم أن هذه النتيجة هي نتاج قدر لا يصدق من الوقت والعناية والعمل الجاد والتكنولوجيا التي دخلت جميعها في تطويرها.

 

من كيمياء البطاريات إلى معايير الصناعة فيما يتعلق بالحاويات إلى وسائل حماية السلامة وما بعدها ، إليك كل ما تحتاج لمعرفته حول التقنيات المثبتة التي يعتمد عليها الموردون عند تطوير حزم بطاريات مخصصة (الشكل 1) على أساس منتظم.

تطوير حزمة بطارية: مواد كيميائية ومرفقات والمزيد

كيمياء البطارية

تتكون حزمة البطارية في جوهرها من خلية كهروكيميائية واحدة أو أكثر تهدف إلى تخزين الطاقة الكيميائية لتحويلها لاحقًا إلى طاقة كهربائية. وهذا ما يسمى كيمياء البطارية ، وعلى الرغم من وجود معايير صناعية معينة يتم تطبيقها عند العمل بمثل هذه المواد ، فإن الاختيار الفعلي يعتمد عادةً على حجم البطارية والتطبيق المقصود النهائي لها.

 

أحد هذه المعايير العامة للبطاريات يسمى IEC 60086-1 ، على سبيل المثال ، وهو يتحكم في البطاريات الأساسية. تم تعديله آخر مرة في عام 2015 ، وكان الهدف منه توحيد تلك البطاريات فيما يتعلق بالعوامل الأساسية مثل الأبعاد والتكوينات الطرفية والعلامات وطرق الاختبار والأداء النموذجي وبعض الجوانب البيئية والمزيد. عند استخدام IEC 60086-1 كأداة لتصنيف البطاريات ، فإنها تصبح أيضًا طريقة مفيدة لتوحيد تلك الأنظمة الكهروكيميائية داخل العبوة. يوفر نظرة عامة على عناصر مثل الأقطاب الكهربائية والإلكتروليت والجهد الاسمي والجهد الأقصى للدائرة المفتوحة.

 

كل هذا مهم لأنه يساعد على التأكد من أن البطاريات من قبل مختلف الشركات المصنعة للأجهزة لا تزال تعمل وتعمل بنفس الطريقة بالضبط ، مما يجعلها قابلة للتبديل بشكل أساسي. لذلك ، في حين أن معايير الصناعة هذه لا تملي بالضرورة نوع كيمياء البطاريات الذي سيتم استخدامه بطريقة أو بأخرى ، إلا أنها لها تأثير فيما يتعلق بما يحدث بعد إجراء هذا الاختيار.

تتضمن بعض معايير صناعة البطاريات العامة الأخرى ، على سبيل المثال لا الحصر ، معايير مثل:

 

ANSI C18.1M: يشير هذا إلى الخلايا والبطاريات الأولية المحمولة مع إلكتروليت مائي.

UL 2054: يتعلق هذا بسلامة حزم البطاريات التجارية والمنزلية فيما يتعلق بإجراءات الاختبار.

المادة 480 من USNEC: توفر نظرة عامة على التخزين المناسب للبطاريات.

ISO 9000: هذه سلسلة من معايير نظام إدارة الجودة التي تتناول المزيد من التفاصيل ليس حول حزم البطاريات نفسها ، ولكن العمليات المستخدمة في إنشائها.

ISO 9001: 2015: يعمل هذا كنموذج لضمان الجودة ليس فقط من حيث التصميم ولكن أيضًا من حيث التطوير والإنتاج والتركيب وخدمة حزم البطاريات العامة.

كل هذا مهم بشكل خاص عند الإشارة إلى سلامة حزم البطاريات هذه. ربما يكون أشهر مثال على ذلك هو بطاريات الليثيوم – وهو موضوع شهد الكثير من النقاش على مدار العقود القليلة الماضية. في عام 2006 ، على سبيل المثال ، تبين أن واحدة من بين 200000 حزمة من بطاريات الليثيوم لديها احتمالية عالية للفشل ، مما أدى إلى سحب ما يقرب من ستة ملايين جهاز مماثل. تكمن المشكلة في أنه في حالة ملامسة جزيئات معدنية مجهرية لأي جزء آخر من خلية البطارية – وهو شيء نادر ولكنه بالتأكيد ليس مستحيلًا – فقد يؤدي ذلك إلى حدوث ماس كهربائي داخل الخلية نفسها. في هذه المرحلة ، يمكن أن ترتفع درجة حرارة البطارية وقد تؤدي إلى اندلاع حريق ، وهو أمر لا شك أن مصنعي الأجهزة والمستخدمين النهائيين يرغبون في تجنبه بأي ثمن.

 

لهذا السبب ، تشترك معظم بطاريات الليثيوم في طرق مماثلة لحماية السلامة على مستوى التصميم ، على الرغم من إمكانية إجراء المزيد من التعديلات اعتمادًا على تفاصيل تصميم البطارية نفسها. وفقًا للخبراء في جامعة Battery ، يعمل مصنعو حزم البطاريات في معظم الأوقات على “الحد من كمية المواد الفعالة اللازمة لتحقيق توازن عملي لكثافة الطاقة والسلامة” ، الأمر الذي يقطع شوطًا طويلاً نحو تهيئة الظروف التي يمكن أن تسبب الفشل أكثر ندرة مما هم عليه بالفعل. يقوم المصنعون أيضًا بتضمين آليات أمان مختلفة داخل الخلية وقد أخذوا في تضمين دائرة حماية إلكترونية في حزمة البطارية نفسها.

 

تعمل طبقات الحماية الثلاث هذه معًا للمساعدة في تقليل مخاطر تعطل بطارية الليثيوم قدر الإمكان. تعمل دائرة الحماية الإلكترونية ، كما يوحي الاسم ، كطريقة قابلة للتطبيق لمنع حدوث ارتفاعات عالية في التيار. إذا تسببت شحنة عالية بشكل مفرط في زيادة ضغط الخلية الداخلية بشكل كبير ، فإن جهاز مقاطعة الدائرة (CID) يبدأ في الترس ويخرج الغاز المتحكم فيه بأمان قبل أن ينحرف شيء ما. إذا كانت درجة حرارة سطح الخلية شديدة الحرارة (حوالي 194 درجة فهرنهايت عادةً) ، فإن المصهر يقطع تدفق التيار لمنع الأشياء من الخروج عن السيطرة.

 

عندما يتعلق الأمر بتصميم حزمة البطارية في شكلها النهائي ، فهناك عدد قليل من الخيارات المختلفة التي يمكن للموردين الاختيار من بينها وفقًا لاحتياجاتهم. هذا صحيح بشكل خاص عندما يتعلق الأمر بوضع الخلايا ، مع وجود خيارات مختلفة تقدم مزايا مختلفة قد تكون ضرورية اعتمادًا على التطبيق النهائي.

 

يعد تكوين حزمة البطارية الخطية أو “السلم” (الشكل 2) من الإعدادات الشائعة ، حيث يتم ترتيب الخلايا بشكل أساسي في خط مستقيم. من الممكن أيضًا استخدام خلايا متعددة الصفوف وترتيب “مكعب” وغير ذلك. إذا كان الاستخدام النهائي لحزمة البطارية يتطلب تيارًا أكثر مما يمكن لخلية مفردة توفيره بمفردها ، على سبيل المثال ، قد يحتاج الموردون إلى وضع الخلايا على التوازي مع بعضها البعض. قد يكون هذا ضروريًا أيضًا إذا حاولوا زيادة السعة ، أو إذا كانوا يريدون إعطاء حزمة البطارية وقت تشغيل أطول من المتوسط.

ضميمة البطارية

يعد تصميم العبوات لحزمة البطارية عملية مباشرة أيضًا ، ولكنها عملية يتم فيها إملاء الكثير من العناصر بشكل أساسي من خلال الاختيارات التي تم إجراؤها مسبقًا في عملية التطوير. من الواضح أن تصميم العلبة يختلف باختلاف المكونات التي يحتاجها للإيواء. بمعنى آخر ، تملي وظيفة البطارية تصميم العلبة وليس العكس (الشكل 3). ضع في اعتبارك أن العلبة يجب أن تحتوي على أكثر من مجرد الخلايا نفسها. يجب أيضًا التفكير في الدوائر الإلكترونية والتوصيلات والموصلات وأجهزة الحماية المذكورة أعلاه. يجب الانتهاء من جميع هذه القرارات قبل تصميم العلبة.

 

كل هذا يؤدي مباشرة إلى درجة البلاستيك التي تم اختيارها في النهاية للحاوية ، وهو أمر تمليه مرة أخرى طريقة استخدام البطارية وأنواع الظروف التي من المفترض أن تعمل فيها. بلاستيك ABS ، من أجل على سبيل المثال ، هو خيار غير مكلف للغاية ، ولكنه يصبح أيضًا هشًا جدًا في درجات الحرارة شديدة البرودة. هذا هو السبب في أنه من الأهمية بمكان فهم نوع البيئة التي سيتم استخدام حزمة البطارية فيها في النهاية. وبدون هذه المعلومات ، هناك العديد والعديد من الخيارات المهمة التي قد ينتهي بك الأمر بها بشكل غير صحيح.

 

 

معلومات إضافية حول تطوير حزمة البطارية

أحد العوامل الرئيسية الأخرى التي يجب على الموردين الاهتمام بها هو تلبية موافقات السلامة المختلفة السارية. لا يتعلق هذا فقط بتصميم حزمة البطارية ، ولكن أيضًا بالطرق التي سيتم نقلها بها.

 

فيما يتعلق بالتصميم الفعلي ، يجب تطوير جميع البطاريات بطريقة أ) تسمح بحدوث فشل بدون ب) وقوع حدث كارثي. بمعنى أنه حتى في حالة تعطل البطارية ، فإنها لا تشتعل فيها النيران أو تنفجر. على الرغم من عدم وجود معيار عالمي معمول به لتحقيق هذه الغاية ، إلا أن هناك عددًا من المعايير الطوعية ، بما في ذلك تلك التي تم تطويرها بمشاركة نشطة من لجنة سلامة المنتجات الاستهلاكية بالولايات المتحدة (CPSC). يتضمن العديد منها معايير أمان تتعلق بالتطبيق النهائي للبطارية نفسها. على سبيل المثال ، تحدد ASTM F2951 مواصفات سلامة المستهلك القياسية للبطاريات التي سيتم استخدامها في أجهزة مراقبة الأطفال. يتضمن IEEE 1725 معيارًا مشابهًا للبطاريات القابلة لإعادة الشحن المخصصة للأجهزة المحمولة مثل الهواتف الذكية.

 

قبل أن يتم شحن بطاريات الليثيوم ، على سبيل المثال ، يجب أن تفي بالمتطلبات التي تمليها اختبارات النقل التابعة للأمم المتحدة ووزارة النقل بالولايات المتحدة ، جنبًا إلى جنب مع اتحاد النقل الجوي الدولي. يبحث هذا الاختبار ، المسمى اختبار UN 38.3 ، في أشياء مثل:

 

محاكاة الارتفاع. سيتم استخدام الضغط المنخفض لمحاكاة حمولات الشحن غير المضغوطة على ارتفاع 45000 قدم ، بالنظر بشكل أساسي إلى ما سيحدث للبطارية إذا تم شحنها عبر الطائرات.

سيتم إجراء الاختبار الحراري عن طريق الاحتفاظ بالبطاريات عند -40 درجة مئوية لمدة ست ساعات ، ثم عند +75 درجة مئوية لمدة ست ساعات أخرى.

سيتم استخدام اختبار الصدمات لمحاكاة الاهتزاز أثناء النقل عند قوى G معينة ، وكل ذلك يتعلق بطريقة تفاعل بطارية بهذا الحجم المحدد.

سيتم إجراء اختبارات الشحن الزائد ، حيث سيتم شحن البطارية بضعف التيار الموصى به لمدة 24 ساعة متتالية. لاحظ أن هذا ينطبق فقط على البطاريات الثانوية ، وليس البطاريات الأساسية.

قد يعجبك ايضا
نحن نستخدم ملفات تعريف الارتباط لنمنحك أفضل تجربة ممكنة على موقعنا. بالمتابعة في استخدام هذا الموقع، فإنك توافق على استخدامنا لملفات تعريف الارتباط.
قبول
سياسة الخصوصية