Aplicações para baterias de lítio - Aspiradores de pó e ferramentas elétricas

1. Introdução: A ascensão das baterias de lítio em dispositivos sem fio

2. A revolução sem fio em aspiradores de pó

3. Evolução da tecnologia da bateria

• Baterias de níquel-cádmio (NiCd): limitações iniciais
• Níquel-hidreto metálico (NiMH): fase de transição
• Baterias-de íons de lítio (Li-ion): o padrão da indústria

4. Tipos de baterias-de íons de lítio em aplicações

• Baterias cilíndricas de lítio (18650, 21700, etc.)
• Baterias Prismáticas de Lítio
• Baterias de lítio-soft (polímero)

5. Sistema de segurança e gerenciamento de bateria (BMS)

• Por que a BMS é a “guardiã” das baterias de lítio
• Principais recursos de proteção (sobrecarga, descarga- excessiva, sobrecorrente, temperatura)
• Papel deMáquina testadora BMSem Garantir Segurança e Desempenho

6. Tendências da indústria

7. Conclusão

À medida que a tendência sem fios se espalha pelos setores de eletrodomésticos e ferramentas, as baterias de lítio tornaram-se a principal fonte de energia que apoia o desempenho do produto. Desde os primeiros dias de "carregamento por 10 horas e uso por 5 minutos" até a longa{3}}duração da bateria de até 60 minutos, os avanços tecnológicos em baterias de lítio não apenas remodelaram a experiência do usuário de aspiradores de pó e ferramentas elétricas, mas também impulsionaram uma mudança de paradigma em toda a indústria.

A “revolução sem fio” nos aspiradores de pó

Motores digitais de{0}}alta velocidade consomem energia significativa. Sem baterias de lítio de alta{2}}qualidade e um sistema de gerenciamento de bateria (BMS), a "vantagem sem fio" dos aspiradores sem fio seria impossível. O Dyson V10, equipado com uma bateria de íons de lítio-de 7-células e 525{11}}watts, juntamente com componentes eletrônicos atualizados e um BMS, alcança uma vida útil versátil da bateria de 8 minutos de limpeza profunda no modo Max, 30 minutos de limpeza diária no modo Padrão e 60 minutos de limpeza prolongada no modo Endurance, eliminando o incômodo de trocar as baterias no meio da limpeza. Muitas pessoas se concentram na tecnologia ciclônica e nos motores de alta velocidade, ignorando o papel crucial das baterias de lítio. Sem a sua adoção generalizada, a era dos aspiradores sem fio teria sido adiada por pelo menos vários anos.

Antes das baterias de lítio se tornarem populares, os aspiradores de pó e as ferramentas elétricas experimentaram duas ondas de tecnologia de bateria, cada uma abordando os pontos problemáticos da geração anterior:

1. Baterias de níquel-cádmio(NiCd): uma “escolha necessária” inicial

Como o primeiro tipo de bateria usado, as baterias de níquel{0}}cádmio tinham deficiências óbvias: pequena capacidade, longos tempos de carregamento e curta duração da bateria. “Carregar por 10 horas, usar por 5 minutos” era um tema comum. Mais importante ainda, sofriam de um grave efeito de memória (a descarga incompleta provoca uma redução na vida útil da bateria) e eram altamente poluentes para o ambiente. A partir de 1º de janeiro de 2016, a União Europeia proibiu oficialmente seu uso em ferramentas elétricas e pequenos eletrodomésticos, e as baterias de níquel-cádmio desapareceram gradualmente do mercado.

2. Hidreto metálico-de níquel(NiMH): Uma “versão melhorada” durante a fase de transição.

Em comparação com as baterias de níquel-cádmio, as baterias de níquel-hidreto metálico oferecem maior capacidade, menor efeito memória e menos poluição ambiental. Apesar do aumento de preços, eles rapidamente se tornaram populares no mercado, abrindo caminho para a popularização inicial dos produtos sem fio.

3. Baterias-de íon de lítio(Li-ion): O "cavalo de batalha absoluto" de hoje.

O surgimento das baterias de{0}íon de lítio revolucionou o cenário da indústria. Elas oferecem três vantagens principais: uma densidade de energia 1,5-2 vezes maior que a das baterias de níquel-metal-hidreto, sem efeito de memória e baixa auto-descarga, tornando-as uma combinação perfeita para as altas demandas de energia de motores de alta velocidade. Seu princípio de operação depende do movimento de íons de lítio entre um eletrodo positivo (materiais comuns incluem óxido de lítio-cobalto LiCoO2 e óxido de lítio-manganês LiMn2O4) e um eletrodo negativo.

Baterias cilíndricas de lítio:Inventados pela Sony no Japão em 1992, oferecem qualidade estável, alta segurança e forte escalabilidade. Os modelos comuns incluem 14650, 17490, 18650 e 21700. O Tesla Model 3 usava a bateria 18650 da Panasonic (posteriormente atualizada para 21700). A 18650 (uma bateria cilíndrica com 18 mm de diâmetro e 65 mm de comprimento) é a bateria mais utilizada em aspiradores de pó e ferramentas elétricas. No entanto, em 2016, a Sony vendeu seu negócio de baterias de lítio para a Murata Manufacturing Co., Ltd. no Japão, que também adquiriu clientes de baterias de lítio da Sony, incluindo a Dyson.

Baterias prismáticas de lítio:Normalmente são embalados em caixas de alumínio ou aço. Apresentam estrutura simples e alta densidade energética (aproximadamente 205WH/kg para uma célula de 50AH). Eles também apresentam uma taxa de montagem do sistema de 70% (superior aos 60% das baterias 18.650), células grandes e melhor consistência. Porém, devido ao seu alto grau de customização e à grande variedade de modelos, os processos de fabricação padronizados são difíceis.

Baterias-de lítio macias(baterias de polímero de lítio): Essas baterias possuem uma camada externa de polímero e oferecem excelente segurança (problemas causam apenas protuberâncias e rachaduras, não explosão). Eles são leves e possuem alta capacidade, o que os torna amplamente utilizados em telefones celulares. No entanto, a sua fraca consistência, elevado custo e tendência a fugas levaram à sua utilização limitada em aspiradores de pó e ferramentas eléctricas.

Embora as baterias de lítio ofereçam excelente desempenho, elas apresentam risco de explosão. A explosão de uma única bateria de-íon de lítio já é significativa, e as consequências de múltiplas baterias entrarem em curto-curto-circuito e explodirem simultaneamente são ainda mais devastadoras. Mesmo células de bateria importadas de marcas como Panasonic, LG e Samsung não podem garantir uma operação 100%-livre de riscos.

Para mitigar esse risco, surgiu o sistema de gerenciamento de bateria (BMS). É a tecnologia principal das baterias de-íon de lítio, monitorando o status de cada célula para evitar sobrecarga e{2}descarga excessiva. Os BMSs de veículos elétricos são complexos e podem monitorar tensão, corrente e temperatura, estimar a capacidade restante (SOC), controlar o sistema de controle de temperatura, detectar vazamentos, comunicar-se com outros sistemas e arquivar o histórico de uso da bateria. Os sistemas de gerenciamento de bateria (BMSs) em aspiradores de pó e ferramentas elétricas são relativamente simples, responsáveis ​​principalmente por funções básicas, como proteção contra sobrecarga/sobre{5}}descarga (por exemplo, tensão de proteção contra sobrecarga 4,20-4,30V, tensão de proteção contra sobre-descarga 2,60-2,80V), proteção contra sobrecorrente (corrente de proteção contra curto-circuito de aproximadamente 80A) e proteção contra alta temperatura (temperatura de proteção contra alta temperatura de descarga de 70 a 80 graus), garantindo operação estável da bateria.

Marca ACEYMáquina testadora BMSé usado principalmente para testar vários indicadores funcionais do BMS da bateria de íons de lítio, avaliar se os vários parâmetros estão dentro da faixa de projeto e, em seguida, julgar se o BMS é qualificado e utilizável.

À medida que as baterias de-íon de lítio se tornam cada vez mais importantes, novas tendências estão surgindo nos setores de aspiradores de pó e ferramentas elétricas:

1. Plataforma de Baterias: Reduzindo Custos e Envolvendo os Consumidores

A indústria de ferramentas elétricas já foi pioneira no processo de plataformização. Por exemplo, a TTI oferece duas plataformas principais de baterias de íons de lítio: 12V e 18V. Centenas de produtos na mesma plataforma compartilham baterias compatíveis. Isto não só reduz os custos de desenvolvimento de baterias e BMS, mas também incentiva os consumidores a priorizar marcas que sejam compatíveis com as baterias existentes ao adquirir novas ferramentas. Isto cria uma barreira para as grandes empresas, dificultando a concorrência das pequenas empresas. A Bosch também lançou o aspirador sem fio de 18V Unlimited, divulgando sua compatibilidade com baterias de aspiradores de pó e ferramentas elétricas. No entanto, devido às diversas opções de design dos aspiradores, alcançar a compatibilidade é mais desafiador do que com ferramentas elétricas.

2. Capacidade de produção de baterias e exploração de tecnologia: as vantagens-da bateria 21700
Atualmente, os aspiradores sem escova têm bateria com duração de aproximadamente 10 minutos no modo-de alta energia. Sem avanços na densidade de energia da bateria, será difícil alcançar melhorias significativas. Algumas fábricas começaram a testar a bateria 21700 (usada no Tesla Model 3). Sua densidade de energia chega a 300Wh/kg (20% maior que a bateria 18650), aumentando a capacidade em 35%, reduzindo custos em 9% e reduzindo o número de baterias utilizadas. No entanto, a bateria 21700 também tem suas desvantagens: para cada aumento de 10% na capacidade, o ciclo de vida diminui em 20%, as taxas de carga e descarga diminuem em 30-40% e o aumento de temperatura aumenta em 20%. Escolher a bateria certa é mais uma questão de equilibrar tecnologia e economia. No entanto, a produção do Modelo 3 da Panasonic foi anteriormente afetada por problemas com a sua capacidade de produção 21700, demonstrando que a capacidade de produção continua a ser um fator limitante.

3. Wireless é a tendência inevitável

Não apenas os aspiradores de pó, mas muitos outros produtos com fio ficarão sem fio no futuro. Cada avanço na tecnologia de baterias de lítio alimentará essa tendência.

De baterias de níquel-cádmio a baterias de lítio, de "restrições com fio" a "liberdade sem fio", as baterias de lítio não apenas transformaram os formatos dos produtos, mas também remodelaram o cenário competitivo do setor. Fabricantes de baterias como CATL, Panasonic, LG, EVE Energy, Changhong Energy (os Três Changhong) e Highpower Technology, embora não estejam diretamente na vanguarda, já se tornaram atores-chave nesta transformação. No futuro, com os avanços tecnológicos contínuos, poderemos ver produtos de bateria de lítio com maior vida útil, maior segurança e maior versatilidade, proporcionando ainda mais conveniência na vida e no trabalho.

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