Es besteht eine steigende Nachfrage nach Hochspannungs-Lithium-Batteriepacks in Hochleistungsanwendungen wie industriellen AGVs, große Roboterund kommerzielle Energiespeichersysteme. Diese Anwendungen erfordern erhöhte Sicherheit, effiziente Wärmeableitung und einfache Wartung, weshalb modulare Batteriepack-Designs die bevorzugte Lösung der Branche sind.
Modulare Li-Ionen-Akkupacks Integriert standardisierte Zellen und ein einheitliches BMS, unterstützt die unabhängige Wärmeableitung zwischen den Modulen, passt sich an verschiedene Anwendungen an und verbessert die Systemkompatibilität und die Effizienz der technischen Bereitstellung. Darüber hinaus bietet es Spannungs- und Kapazitätsvorteile durch die flexible Konfiguration mehrerer Spannungsbereiche von 12.8 V, 25.6 V, 38.4 V und mehr.
Warum also modulare Akkupacks wählen? Lassen Sie uns die entscheidenden Vorteile ihrer Einführung untersuchen.
Flexibilität und Skalierbarkeit modularer Batteriepacks
Herkömmliche, eigenständige Akkupacks leiden unter inhärenten Designbeschränkungen: Nach der Installation sind ihre Kapazität und Leistung festgelegt und nicht skalierbar. Bei steigendem Leistungsbedarf kann ihre starre Architektur höhere Lasten kaum bewältigen. Zudem verhindert ihre nicht-modulare Bauweise Komponenten-Upgrades, wodurch sie den sich entwickelnden Leistungsstandards nicht mehr gerecht werden.
Im Gegensatz zu Akkupacks mit fester Konfiguration bieten modulare Akkupacks individuelle Stromversorgungslösungen durch flexible Reihen- und Parallelschaltung. Diese skalierbare Architektur ermöglicht Spannungsanpassung, Kapazitätserweiterung und Hybridkonfigurationen.
Beispielsweise können 12-V-Module in Reihe geschaltet werden, um ein modulares 24-V- oder 48-V-Batteriepaket zu bilden und so die Ausgangsspannung zu erhöhen. Bei Bedarf an höherer Leistung und Stromstärke können Parallelschaltungen realisiert werden. Darüber hinaus kann eine kombinierte Reihen-Parallelschaltung (z. B. 2 Reihen + 2 Parallel) zur Erweiterung von Spannung und Kapazität eingesetzt werden. Bei der Montage modularer Batteriepakete sollte die Leistungskonsistenz der Zellen gut kontrolliert werden. Die Wärmeableitung sollte sorgfältig überwacht und eine einfache Wartung gewährleistet werden. Die beste Verbindungsmethode hängt von den wichtigsten Anforderungen der Anwendung (Spannung vs. Kapazität), dem Budget und den Zuverlässigkeitsanforderungen ab. Weitere Details finden Sie unter Reihen-, Parallel- und Reihen-Parallelschaltungen für 12-V-Batteriemodule.
Moderne Batteriemoduldesigns umfassen häufig aktive Ausgleichsschaltungen und Wärmemanagementsysteme zur Leistungsoptimierung.
Intelligentes BMS-Design für modulare Batteriepacks
Das BMS-Design bildet das operative Rückgrat jedes Batteriesystems und integriert mehrere spezialisierte Komponenten in eine zusammenhängende Managementplattform.
Hierzu zählen Temperatursensoren, Stromsensoren, Steuergeräte und Kommunikationsschaltungen. Durch intelligentes Layout und Verbindung arbeiten sie zusammen und bilden so ein integriertes BMS-System.
Zentralisierte BMS-Architektur
Die zentralisierte BMS-Architektur bietet deutliche Vorteile für Anwendungen mit geringer Kapazität und niedriger Spannung, darunter Elektrowerkzeuge, Roboter und IoT-Smart-Homes. Im Hochspannungsbereich erfasst sie die Spannung einer einzelnen Batterie und überwacht die Spannung und den Isolationswiderstand des gesamten Systems. Der Niederspannungsbereich umfasst Schlüsselkomponenten wie Stromversorgungskreise, CPU-Schaltungen, CAN-Kommunikationskreise und Steuerkreise.
Verteilte BMS-Architektur
Die verteilte BMS-Architektur wurde speziell für anspruchsvolle Energieanwendungen wie Elektrofahrzeuge und Energiespeichersysteme entwickelt. Dank ihres modularen Aufbaus ist sie auch für große Batteriesysteme geeignet.
In einer verteilten Architektur ist die Clave Control Unit (CSC) für die Durchführung von Spannungs- und Temperaturprüfungen sowie die Steuerung des Zellausgleichs zuständig. Die High Voltage Management Unit (HVU) konzentriert sich auf die Überwachung der Gesamtbatteriespannung und des Isolationswiderstands. Die Battery Management Unit (BMU) ist für die Auswertung des Batteriestatus, das Batteriemanagement und die Kommunikation zuständig.
Ein zentralisiertes BMS integriert alle Verwaltungsfunktionen in einem einzigen Controller und ist daher effizient für kleine Niederspannungssysteme. Allerdings können Verarbeitungsgeschwindigkeit und Skalierbarkeit mit zunehmendem Systemwachstum eingeschränkt sein. Ein verteiltes BMS hingegen bietet höhere Zuverlässigkeit und Flexibilität für komplexe Batteriesysteme mit hoher Kapazität. Jedes Modul arbeitet unabhängig, was präzise Messungen, eine verbesserte Wärmeverteilung und eine bessere Fehlerisolierung ermöglicht.
Sowohl zentralisierte als auch verteilte BMS-Architekturen können RS485/CAN485-Kommunikationsprotokolle integrieren, um eine hochpräzise Überwachung von Spannung, Strom, Temperatur und Zyklus zu erreichen. Ihre Implementierungsmethoden und Leistung unterscheiden sich jedoch je nach Systemdesign.
Hot-Swap-Technologie für modulare Lithium-Batteriepakete
Die Hot-Swap-Fähigkeit ist mittlerweile eine gängige Anforderung für modulare Batteriepacks. Dies behebt eine wesentliche Einschränkung herkömmlicher Batteriesysteme: Die Notwendigkeit, Geräte während des Batteriewechsels abzuschalten, was zu Betriebsausfällen und Effizienzverlusten führt. Diese Unterbrechungen sind insbesondere bei kritischen Anwendungen wie medizinischen Geräten inakzeptabel.
Modulare Akkupacks mit Echtzeitbetriebsfunktion lösen dieses Problem, indem sie Folgendes ermöglichen:
- Austausch einzelner defekter Module ohne Systemstillstand
- Kontinuierlicher Gerätebetrieb während der Wartung
- Deutlich verbesserte Betriebseffizienz
Wärmemanagementsystem modularer Batterien
Die Wärmeableitung stellt bei großen Batteriesystemen eine große Herausforderung dar. Modulares Batteriedesign ist daher einer der effektivsten Lösungsansätze. Das im modularen Batteriepack integrierte Wärmemanagementsystem gewährleistet die Gerätesicherheit während des Betriebs. Beim Laden und Entladen der Batterie entsteht Wärme. Wird diese nicht rechtzeitig abgeleitet, kann sie zu Kapazitätsverlust und sogar zum thermischen Durchgehen führen.
Das modulare Batteriepaket erreicht eine vollständige Wärmekontrolle durch einen dreistufigen Ansatz, der Strukturtechnik, Materialwissenschaft und intelligentes Systemmanagement kombiniert.
1. Strukturelles Wärmemanagement
- Jedes Modul verfügt über spezielle Wärmeableitungszonen
- Integrierte Kühlkanäle unterstützen sowohl Luft- als auch Flüssigkeitskühlsysteme
- Hocheffiziente thermische Schnittstellenmaterialien (zB Graphitplatten) verbessern die Wärmeübertragung
- Feuerbeständige Barrieren zwischen den Modulen verhindern thermisches Durchgehen
2. Intelligentes Kontrollsystem
- Verteilte Temperatursensoren ermöglichen eine Echtzeitüberwachung auf Modulebene
- Adaptive Kühlregelung (Lüftergeschwindigkeit/Pumpendurchfluss) reagiert auf thermische Belastungen
- Prädiktive Algorithmen ermöglichen eine proaktive Minderung thermischer Risiken
- Mehrstufige Sicherheitswarnungen bei anormalen Temperaturbedingungen
3. Anwendungsspezifische Flexibilität
- Konfigurierbare Kühllösungen (Luft/Flüssigkeit/thermoelektrisch)
- Skalierbare Architektur für unterschiedliche Leistungsdichten
- Robuste Leistung in extremen Umgebungen.
Dieser integrierte Ansatz gewährleistet optimale thermische Leistung bei gleichzeitiger Gewährleistung der Systemsicherheit und Zuverlässigkeit in verschiedenen Anwendungen. Der modulare Aufbau ermöglicht eine präzise Temperaturregelung auf Einzelzellenebene und verhindert gleichzeitig die Wärmeausbreitung im gesamten Batteriesystem.
Schnelleres Laden des modularen Akkupackss
Modulare Batteriesysteme erreichen durch drei Schlüsselmechanismen höhere Ladegeschwindigkeiten.
1. Vorteile standardisierter Kleinformatzellen (18650/21700):
- Kürzere Ionendiffusionswege (30–50 % Reduzierung)
- Geringerer Innenwiderstand (15–25 % Verbesserung)
- Effizientere Ladungstransferreaktionen
2. Parallele Zellkonfiguration
- Teilen Sie den Gesamtstrom proportional
- Hält die Rate von <1C pro Zelle während des Ladens des 3C-Systems aufrecht
- Reduziert die Wärmebelastung einzelner Zellen um 40–60 %
- Skalierbare Stromkapazität
- Unabhängige Wärmemanagementzonen
3. Aktive Schutzmaßnahmen verhindern:
Funktionen der verteilten BMS-Architektur:
- Überwachung der Spannung pro Zelle (±5 mV Genauigkeit)
- Temperaturmessung (±1°C Genauigkeit)
- Dynamischer Stromausgleich
Aktive Schutzmaßnahmen verhindern:
- Lokale Überhitzung
- Ladestromengpässe
- Leistungsabfall
Im Gegensatz zu Einzelzellendesigns ermöglichen modulare Batteriearchitekturen überlegene Schnellladefunktionen. Dadurch wird die Ladegeschwindigkeit modularer Batteriepacks erhöht.
Designkosten für modulare Batterielösungen
Aufgrund ihrer integrierten CMU-Steuerungssysteme und intelligenten BMS-Technologie sind die Anschaffungskosten modularer Akkupacks um 20–30 % höher als bei Standard-Akkupacks.
Modulare Batteriepacks verlängern die Gesamtlebensdauer des Systems durch selektiven Modulaustausch und bieten deutliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Akkupacks. Herkömmliche Akkupacks weisen jedoch in der Regel nach 5–8 Jahren einen drastischen Leistungsverlust auf, da sie nicht wiederaufbereitet werden können, Komponenten nicht einzeln ausgetauscht werden können und komplett entsorgt werden müssen. Modulare Designs können die Systemlebensdauer auf 10–15 Jahre verlängern und so die Häufigkeit und Kosten von Geräteaktualisierungen minimieren.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Akkupacks, die nach ihrer Erschöpfung zu Abfall werden, entsprechen modulare Systeme den Prinzipien der Kreislaufwirtschaft. Ausgediente Module können weiterhin für Geräte mit geringem Stromverbrauch wie Notbeleuchtung und Spielzeug verwendet werden. Unbenutzte modulare Akkupacks lassen sich leicht zerlegen und verfügen über standardisierte Schnittstellen, was Sortierung, Prüfung und Recycling erleichtert.
Verbesserte Transportfähigkeit und nahtlose Kompatibilität
Der Hauptvorteil modularer Batteriepacks ist ihre Transportfähigkeit. Sie lassen sich in kleinere Teile zerlegen, was die Handhabung, den Transport und sogar den Transport in Flugzeugen erleichtert. Bei der Skalierung oder Aufrüstung des Systems wird die Kompatibilität jedoch zur Herausforderung. Der Austausch oder die Erweiterung von Modulen erfordert Tests, um die Leistungskoordination und die elektrische Sicherheit des gesamten Systems zu gewährleisten. Dieser Kompromiss unterstreicht die Notwendigkeit einer sorgfältigen Planung des modularen Designs, die Flexibilität mit präziser Integration in Einklang bringt.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass modulares Batteriepack-Design keine technische Option mehr ist, sondern zu einer unverzichtbaren Lösung für den Aufbau flexibler, zuverlässiger und nachhaltiger Energiesysteme geworden ist. Die Entwicklung einer modularen Batterie erfordert jedoch komplexe Überlegungen, und das Übersehen eines einzelnen Aspekts kann zu Sicherheitsrisiken führen.
Mit über 100 erfolgreichen Case-Projekten im Bereich kundenspezifischer modularer Batteriesysteme CM Batteries priorisiert Sicherheit. Unser Engineering-Team hält sich an Industriestandards und liefert kundenspezifische modulare Batterielösungen für jeden Kunden. Von der präzisen Anpassung der Batterieparameter und dem robusten Design der Schutzschaltungen bis hin zu optimierten Lade-/Entladestrategien wird jedes Detail bewertet, um einen zuverlässigen und sicheren Betrieb in verschiedenen Anwendungen zu gewährleisten.
Wenn Sie Fragen oder Anforderungen zu modularen Akkupacks haben, wenden Sie sich bitte an Kontaktieren Sie Ihren exklusiven Berater.
