Комплектующие для сборки аккумуляторных батарей

Ячейки определяют запас энергии, всё остальное определяет, доживёт ли сборка до паспортного ресурса. Отказы чаще приходят не от ячеек, а от соединений, разъёмов и креплений.

• Межэлементные соединения. Никелевая лента для цилиндрических ячеек, медные шины и перемычки для призматических. Сечение считается по току, а не берётся «как у всех».
• Силовой разъём и кабель. Подбираются по длительному и пиковому току; кабель — по сечению и по температуре изоляции.
• Держатели и изоляторы. Фиксируют ячейки, задают зазор для отвода тепла и закрывают торцы от замыкания.
• Корпус и крепление. Габарит под посадочное место, защита от вибрации и влаги, а для призматических ячеек — усилие поджатия пакета.
• Датчики температуры на ячейках и на силовых соединениях, заведённые в BMS.
• Защита и коммутация. Предохранитель, контактор или разъединитель на расчётный ток.
• Сигнальный жгут и индикация. Шлейф до BMS и, если нужно, индикатор уровня заряда для оператора.

Соединение греется на своём сопротивлении: чем тоньше проводник, тем больше потерь уходит в тепло и тем сильнее просаживается напряжение под нагрузкой. Расчёт идёт от тока, который реально течёт через конкретный участок, а не от суммарного тока батареи.

1. Ток через участок

   В последовательной цепи через все соединения идёт полный ток батареи. В параллельной группе ток делится: при пяти параллельных ячейках через каждую перемычку идёт пятая часть.

2. Длительный и пиковый режим

   Сечение считают по длительному току, а нагрев проверяют на пиковом. Импульс в несколько секунд не успевает прогреть шину, а вот минутная перегрузка успевает.

3. Материал

   Никелевая лента удобна контактной сваркой, но её удельное сопротивление выше медного. Ориентир: лента 0,15 × 8 мм держит около 10 А длительно. Для больших токов ленту складывают в несколько полос или переходят на медную шину.

4. Проверка нагревом

   Расчёт подтверждают измерением: сборку прогоняют под нагрузкой и смотрят температуру соединений тепловизором. Греется всегда самое слабое место, и видно его сразу.

Цилиндрические ячейки соединяют контактной сваркой. Паяльник на торце ячейки — самая частая ошибка самостоятельной сборки.

• Почему нельзя паять. Прогрев торца длится секунды, но тепло уходит внутрь ячейки, к сепаратору и электролиту. Внешне ячейка исправна, а ресурс уже сокращён, и проявится это через десятки циклов.
• Что даёт сварка. Импульс длится миллисекунды, зона нагрева локальна, соединение получается механически прочным и с малым переходным сопротивлением.
• Режим подбирают под ленту. Слишком слабый импульс даёт непровар, слишком сильный прожигает ленту и повреждает торец. Режим проверяют на отрыв: правильная точка рвёт ленту, а не отходит от ячейки.
• Призматические ячейки не варят. У них резьбовые клеммы, и соединение делается шиной с затяжкой моментом, заданным производителем ячейки.

Если сварочного оборудования нет, дешевле заказать готовую сборку, чем испортить партию ячеек: стоимость ячеек в сборке всегда выше стоимости работы.

Разъём выбирают по трём вещам: длительный ток, пиковый ток и условия работы. Ошибка здесь проявляется нагревом контакта, а дальше — подгоранием и ростом сопротивления.

• Запас по току. Номинал разъёма берут выше длительного тока нагрузки; проверяют, выдержит ли он пусковой импульс.
• Сечение кабеля под разъёмом. Разъём на 90 А, обжатый на тонкий провод, греется именно на проводе — узел считается целиком.
• Число сочленений. Батарею на технике подключают и отключают ежедневно; ресурс контакта в циклах включения важен не меньше тока.
• Сигнальная часть. Кроме силового разъёма нужен сигнальный: в наших тяговых сборках это разъём на 16 контактов рядом с силовым XT-90.
• Температура изоляции. Для сборок, работающих в тепле или с высокими токами, важна не только медь, но и материал изоляции.

Термоусадка

Самый простой вариант: фиксирует пакет и изолирует. Подходит для сборок, которые стоят внутри изделия и не подвергаются ударам. В наших компактных тяговых сборках применяется именно она.

Пластиковый или металлический корпус

Нужен там, где батарея снимается, переносится, работает при вибрации или требует защиты от влаги и пыли. Здесь же решаются крепление к технике, ввод кабеля и доступ к разъёмам.

Поджатие призматических ячеек

Призматические ячейки в работе меняют толщину, и производитель задаёт усилие сжатия пакета. Поджатие обеспечивают стяжки и торцевые плиты в составе корпуса. Без него ресурс снижается, а корпус ячейки со временем деформируется.

Зазоры и отвод тепла

Ячейки ставят с зазором: он нужен и для отвода тепла, и для температурного расширения. Плотная укладка «чтобы влезло больше» поднимает температуру в центре пакета, а именно температура определяет скорость старения.

Комплектующие проходят тот же порядок, что и ячейки: сначала документы и маркировка, затем измерения, затем работа под нагрузкой.

• Соответствие заявленному. Сечение провода, размер ленты, номинал разъёма — измеряются, а не принимаются на веру по этикетке.
• Нагрев под током. Узел прогоняется в режиме, повторяющем работу изделия, температура снимается тепловизором.
• Изоляция. Поведение при повышенной температуре проверяется в климатической камере.
• Механика. Соединения проверяются на отрыв, разъёмы — на усилие сочленения.

Испытания идут на нашем оборудовании: электронные нагрузки суммарной мощностью 32,4 кВт, климатическая камера, тепловизор, взрывозащитный контейнер. Поэтому, когда мы говорим, что компонент подходит под ваш режим, за этим стоит протокол, а не общее соображение.

Ленту выбирают по току, который идёт через одно соединение, и по тому, чем её будут варить: слишком толстая лента требует более мощного сварочного аппарата, а слишком тонкая греется под нагрузкой.

Значения ориентировочные: реальный нагрев зависит от длины соединения, качества сварной точки и от того, как отводится тепло от пакета. Поэтому после сборки узел проверяют под нагрузкой с тепловизором, а не полагаются на табличное число.

Отдельно считают ток на параллель. Если в группе пять ячеек, через каждую перемычку идёт пятая часть общего тока — здесь чаще всего и переусердствуют, закладывая ленту с многократным запасом там, где он не нужен, и экономя там, где ток полный.

Комплектующие подбираются не по отдельности, а под порядок работ. Если что-то забыто, это выясняется на середине сборки, когда пакет уже сварен.

1. Входной контроль ячеек

   Измерение ёмкости, внутреннего сопротивления и напряжения после выдержки, подбор ячеек в группы с близкими параметрами. Без этого шага балансировке потом придётся исправлять то, что можно было отсортировать сразу.

2. Механика пакета

   Держатели, изоляторы, зазоры между ячейками, для призматических — стяжки и торцевые плиты с заданным усилием поджатия.

3. Соединения

   Контактная сварка ленты для цилиндрических ячеек, шины с затяжкой моментом — для призматических. Режим сварки проверяется на отрыв до работы по всей партии.

4. BMS, датчики и жгут

   Установка платы, размещение датчиков температуры на ячейках и на силовых соединениях, разводка сигнального шлейфа и балансировочных проводов.

5. Силовая часть и корпус

   Предохранитель или контактор, силовой кабель и разъёмы, укладка в корпус или термоусадку, вывод индикации.

6. Испытания

   Цикл заряд-разряд под нагрузкой, контроль нагрева соединений, проверка срабатывания защит. Результаты вносятся в паспорт.

• Пайка вместо контактной сварки. Тепло уходит внутрь ячейки: внешне всё исправно, а ресурс уже сокращён.
• Лента по принципу «чем тоньше, тем дешевле». Соединение греется и просаживает напряжение под нагрузкой; экономия на ленте оплачивается ёмкостью и ресурсом.
• Ячейки вплотную. Без зазора растёт температура в центре пакета, а именно температура определяет скорость старения.
• Разъём без запаса по току. Контакт греется, подгорает, переходное сопротивление растёт — дальше по нарастающей.
• Ячейки из разных партий в одной цепи. Разброс ёмкости и сопротивления заставляет сборку работать по худшей ячейке, и балансировка это не исправляет.
• Отсутствие поджатия у призматических ячеек. Пакет меняет толщину в работе, и без обжима корпус ячейки со временем деформируется.
• Датчики температуры не установлены. Не работает запрет заряда при отрицательной температуре — та самая защита, которая сохраняет ёмкость ячеек.

Если сборка разовая, а оборудования нет, дешевле заказать готовую батарею: стоимость ячеек всегда выше стоимости работы.

Для сборочного производства важна не только цена позиции, но и то, как она хранится и как учитывается.

• Никелевая лента хранится в сухом помещении: окисленная поверхность ухудшает сварную точку и требует правки режима.
• Разъёмы и контакты — в упаковке, защищающей от влаги и механических повреждений; обжатые контакты не хранят навалом.
• Ячейки — при частичном заряде и в паспортном диапазоне температур, партиями, с сохранением сопроводительных документов.
• Учёт по партиям. Если возникнет вопрос к готовому изделию, проследить его до конкретной партии ленты, разъёмов и ячеек можно только при партионном учёте.

Для регулярных отгрузок мы держим согласованную номенклатуру и поставляем её партиями под ваш производственный график.

• Конфигурация сборки — сколько ячеек последовательно и параллельно, тип ячеек.
• Токи — длительный, пиковый и длительность импульса.
• Габарит и посадочное место — эскиз или фото с размерами.
• Условия работы — температура, вибрация, влага, требуемая степень защиты.
• Что уже есть — если часть комплектующих закуплена, подберём остальное под них.
• Объём партии — от него зависят и цена, и срок.

В ответ вы получаете спецификацию с номиналами, расчётом сечений и ценой на партию.

Обозначения, которые встречаются в паспортах, спецификациях и в наших расчётах.

Контактная сварка

Соединение ленты с торцом ячейки импульсом тока длительностью в миллисекунды. Штатный способ сборки цилиндрических ячеек.

Никелевая лента

Полоса для межэлементных соединений. Обозначается толщиной и шириной: 0,15 × 8 мм.

Шина

Медная перемычка между клеммами призматических ячеек, затягивается заданным моментом.

Переходное сопротивление

Сопротивление самого контакта. Растёт при плохой затяжке и подгорании, вызывая нагрев узла.

Поджатие

Усилие сжатия пакета призматических ячеек, заданное производителем и обеспечиваемое конструкцией корпуса.

Степень защиты IP

Обозначение защиты корпуса от пыли и влаги. Выбирается по условиям, в которых работает изделие.