¿Cómo clasificar las baterías de litio de potencia? – Tecnología Taipú

La inconsistencia entre las baterías individuales a menudo conduce a problemas como la disminución rápida de la capacidad y la vida útil más corta en los paquetes de baterías durante los procesos cíclicos. La selección de baterías con un rendimiento lo más consistente posible para la agrupación es de gran importancia para la aplicación generalizada de las baterías de iones de litio en los vehículos eléctricos. En este artículo se analizan las manifestaciones y causas de la inconsistencia ...

¿Cómo clasificar las baterías de litio de potencia?

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La inconsistencia entre las baterías individuales a menudo conduce a problemas como la disminución rápida de la capacidad y la vida útil más corta en los paquetes de baterías durante los procesos cíclicos. La selección de baterías con un rendimiento lo más consistente posible para la agrupación es de gran importancia para la aplicación generalizada de las baterías de iones de litio en los vehículos eléctricos.

Este artículo analiza las manifestaciones y causas de la inconsistencia en las baterías de iones de litio, resume los métodos para mejorar su consistencia y proporciona una descripción general de los esquemas de agrupación de baterías existentes.

  1. Análisis de inconsistencias

1.1 Definición de inconsistencia

La inconsistencia en los paquetes de baterías de iones de litio se refiere a las diferencias en parámetros como el voltaje, la capacidad, la resistencia interna, la vida útil, el impacto de la temperatura y la tasa de autodescarga entre baterías individuales de las mismas especificaciones y modelos cuando se ensamblan en un paquete de baterías.

Después de la fabricación, las baterías individuales tienen inherentemente algunas variaciones de rendimiento iniciales. A medida que se utilizan las baterías, estas diferencias de rendimiento se acumulan con el tiempo. Además, el entorno de uso dentro del paquete de baterías no es idéntico para cada batería individual, lo que amplifica aún más la inconsistencia entre ellas. Esta inconsistencia progresiva acelera la degradación del rendimiento de la batería y, finalmente, conduce a una falla prematura del paquete de baterías.

1.2 Manifestaciones de incoherencia

La inconsistencia en las baterías de iones de litio se manifiesta principalmente en dos aspectos: diferencias en los parámetros de rendimiento (como la capacidad, la resistencia interna y la tasa de autodescarga) y diferencias en el estado de carga (SOC) entre las celdas de la batería.

La investigación de Dai Haifeng et al. ha encontrado que la distribución de las diferencias de capacidad entre las celdas de la batería se aproxima a una distribución de Weibull, mientras que la dispersión de la resistencia interna es más significativa que la de la capacidad. La resistencia interna de las baterías del mismo lote generalmente sigue una distribución normal, y la tasa de autodescarga también exhibe una distribución normal aproximada. SOC representa el estado de carga de la batería y es la relación entre la capacidad restante y la capacidad nominal. Debido a la inconsistencia de las baterías, la tasa de degradación de la capacidad varía, lo que resulta en diferencias en la capacidad máxima disponible entre las baterías. Las baterías de menor capacidad experimentan cambios de SOC más rápidos en comparación con las de mayor capacidad, alcanzando el voltaje de corte más rápidamente durante los procesos de carga y descarga.

1.3 Causas de inconsistencia

Existen varias razones para la aparición de inconsistencias en las baterías de iones de litio, derivadas principalmente de los procesos de fabricación y uso. Cada etapa del proceso de fabricación, como la uniformidad de la lechada durante la mezcla del material y el control de la densidad del recubrimiento y la tensión superficial durante el recubrimiento, puede dar lugar a variaciones de rendimiento entre las celdas de batería individuales.

La investigación realizada por Luo Yu et al. ha examinado la influencia de los procesos de producción en la consistencia de las baterías, con un enfoque particular en el impacto de los sistemas de aglutinantes a base de agua en la fabricación de baterías de iones de litio. En el proceso de uso de las baterías, Xie Jiao et al. sugieren que los métodos de conexión, los componentes/dispositivos estructurales, las condiciones de funcionamiento y los factores ambientales tienen un impacto en la consistencia del paquete de baterías. El consumo de energía en cada punto de conexión no es constante, y el rendimiento y la tasa de envejecimiento de cada componente o parte estructural también son inconsistentes, lo que provoca efectos variables en la batería. Además, como cada celda de batería individual en un paquete de baterías ocupa una posición diferente y experimenta diferentes temperaturas, la degradación del rendimiento también difiere, lo que amplifica aún más la inconsistencia entre las celdas de la batería.

2. Métodos para mejorar la consistencia de la batería

2.1 Control del proceso de producción

El control del proceso de producción implica principalmente dos aspectos: las materias primas y las técnicas de fabricación. En cuanto a las materias primas, se hacen esfuerzos para seleccionar materiales del mismo lote para garantizar la consistencia en el tamaño de partícula y el rendimiento. En el proceso de producción, se aplica un control estricto, que incluye garantizar una mezcla uniforme de la lechada y evitar el almacenamiento prolongado, controlar la velocidad de la máquina de recubrimiento para garantizar el espesor y la uniformidad del recubrimiento, realizar inspecciones visuales y clasificar el peso de las láminas de electrodos, controlar el volumen de inyección y administrar las condiciones de formación, clasificación de capacidad y almacenamiento.

A través de la investigación sobre las técnicas de preparación de las baterías de iones de litio, Luo Yu ha identificado procesos clave que afectan significativamente la consistencia de la batería, incluida la mezcla de materiales, el recubrimiento, el calandrado, el bobinado/apilamiento, la inyección y la formación. Se han llevado a cabo investigaciones y análisis en profundidad sobre la relación entre estos parámetros clave del proceso y el rendimiento de la batería.

2.2 Control del proceso de agrupación

El control del proceso de agrupación de baterías consiste principalmente en clasificar las baterías. El paquete de baterías utiliza baterías de las mismas especificaciones y modelos, y el voltaje, la capacidad, la resistencia interna y otros parámetros de las baterías se miden para garantizar la consistencia de su rendimiento inicial.

Según la investigación realizada por Xu Haitao et al., durante el proceso de agrupación de baterías, las diferencias de voltaje entre las baterías individuales son un factor crucial que afecta la consistencia del paquete de baterías durante la carga y descarga, mientras que las diferencias en la resistencia interna entre las baterías individuales dan como resultado variaciones significativas de voltaje entre ellas durante el proceso de carga y descarga. Wang Linxia et al. analizaron el impacto del principal factor de influencia, DCR, en el paquete de baterías en baterías de iones de litio combinadas en paralelo, así como el impacto del principal factor influyente, la capacidad, en el paquete de baterías en series de baterías combinadas de iones de litio y baterías, proporcionando las pautas necesarias para el paquete de baterías combinadas. Chen Ping et al. estudiaron el efecto de la tasa de descarga en la consistencia de la agrupación de baterías y encontraron que a medida que aumenta la tasa de descarga, la inconsistencia de las baterías se amplifica, logrando el efecto de eliminar las baterías defectuosas.

2.3 Control de los procesos de uso y mantenimiento

El monitoreo en tiempo real de las baterías es esencial. La realización de un control de consistencia durante la agrupación de baterías garantiza la consistencia inicial en el uso del paquete de baterías. El monitoreo en tiempo real de las baterías durante el uso permite observar los problemas de consistencia que puedan surgir. Sin embargo, cuando se detecta una inconsistencia, el circuito de monitoreo puede desconectar el circuito de carga y descarga, lo que lleva a una degradación del rendimiento. Por lo tanto, se debe lograr un equilibrio entre la supervisión y el rendimiento. Además, el monitoreo en tiempo real permite el ajuste o reemplazo oportuno de las baterías con parámetros extremos, lo que garantiza que la inconsistencia en el paquete de baterías no se amplifique con el tiempo.

La implementación de un sistema de gestión de equilibrio es crucial. La gestión inteligente de las baterías se puede lograr a través de estrategias y circuitos de equilibrio adecuados. Las estrategias de equilibrio comunes incluyen estrategias basadas en voltaje, en el estado de carga (SOC) y en la capacidad. Los circuitos de equilibrado se pueden clasificar en circuitos de equilibrado pasivos y activos en función de los métodos de consumo de energía. El equilibrio activo permite un flujo de energía eficiente entre las baterías y ha sido un foco de investigación tanto a nivel nacional como internacional. Los métodos comunes para el equilibrio activo incluyen derivación, condensador de interruptor, inductor de interruptor y conversión CC/CC.

La gestión térmica de las baterías es importante. Además de mantener la temperatura de trabajo del paquete de baterías dentro de un rango óptimo, es esencial garantizar condiciones de temperatura constantes entre las baterías para garantizar la consistencia del rendimiento. La adopción de estrategias de control adecuadas es crucial. Dentro del rango de potencia de salida permitido, minimizar la profundidad de descarga y evitar la sobrecarga puede prolongar el ciclo de vida del paquete de baterías. Reforzar el mantenimiento del paquete de baterías implica un mantenimiento periódico de baja corriente, cargar y garantizar la limpieza.

3. Método de agrupación de baterías de iones de litio de potencia

3.1 Método de agrupación de voltajes

El método de agrupación de voltaje se puede dividir en agrupación de voltaje estático y agrupación de voltaje dinámico. La agrupación de voltaje estático, también conocida como agrupación de circuito abierto, se realiza sin carga y solo considera la batería en sí. Mide la tasa de autodescarga de la batería individual seleccionada después de haber sido almacenada en un estado completamente cargado durante varios días y el voltaje de circuito abierto de la batería en diferentes períodos de almacenamiento en un estado completamente cargado. Este método es el más simple de operar, pero no es muy preciso. La agrupación dinámica de voltaje examina el voltaje bajo una carga, pero no tiene en cuenta factores como las variaciones de carga, por lo que tampoco es muy precisa.

3.2 Método de agrupación de capacidad estática

Un método para agrupar baterías es cargar y descargar las baterías en condiciones especificadas, calcular su capacidad en función de la corriente de descarga y el tiempo de descarga, y agrupar las baterías según su capacidad. Este método es simple y práctico, pero solo puede reflejar que las baterías tienen la misma capacidad en condiciones específicas y no representa completamente las características de funcionamiento completas de las baterías. Por lo tanto, tiene ciertas limitaciones.

3.3 Método de agrupamiento de resistencias internas

La consideración principal es la resistencia interna de las baterías individuales. Este método permite una medición rápida. Sin embargo, dado que la resistencia interna de las baterías puede cambiar durante el proceso de descarga, determinar con precisión la resistencia interna plantea ciertas dificultades.

3.4 Método de agrupación multiparamétrica

Teniendo en cuenta múltiples condiciones externas como la capacidad, la resistencia interna, el voltaje, la tasa de autodescarga, etc., en la evaluación integral de las baterías, es posible seleccionar grupos de baterías con mejor consistencia. Sin embargo, el requisito previo para este método es que la clasificación precisa basada en parámetros individuales requiere mucho tiempo para completarse.

3.5 Método de agrupación dinámica de características

El método de agrupación dinámica de características implica el uso de las curvas características de carga y descarga de las baterías para clasificarlas y agruparlas. Las curvas de carga y descarga pueden reflejar la mayoría de las características de la batería. Mediante el uso del método de agrupación dinámica de características, se puede garantizar la consistencia de varios indicadores de rendimiento de las baterías. Este método involucra una gran cantidad de datos y generalmente se implementa mediante programas informáticos. Sin embargo, este enfoque conduce a una menor utilización de las baterías para agrupar, lo que no es propicio para reducir el costo del paquete de baterías. Otro desafío en la implementación de este método es la determinación de las curvas estándar o de referencia.

4.Conclusión

(1) Las causas de la inconsistencia de la batería radican principalmente en los aspectos de fabricación y uso de las baterías.

(2) Las medidas para mejorar la consistencia de las baterías pueden dividirse en tres aspectos principales:

Estricto control del proceso productivo desde las materias primas y las técnicas de fabricación.

Adopción de métodos de clasificación más científicos, seleccionando baterías con un rendimiento inicial constante para agrupar la mayor cantidad posible.

Monitoreo en tiempo real de las baterías durante el uso, implementación de un sistema de gestión de equilibrio, adopción de estrategias de control razonables, gestión térmica de las baterías y fortalecimiento del mantenimiento del paquete de baterías.

(3) Cuando se trata de agrupar baterías, los métodos de agrupación de un solo parámetro tienen un valor práctico limitado debido a que consideran muy pocos factores. Los métodos de agrupación multiparamétrica y los métodos de agrupación de características dinámicas son relativamente completos. Además, métodos como la espectroscopia de impedancia electroquímica también han logrado ciertos avances.

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