¿Cómo mejorar la consistencia de las baterías individuales?
La falta de consistencia entre las celdas individuales de una batería a menudo provoca problemas como una rápida disminución de la capacidad y una vida útil reducida durante el proceso de ciclado de los paquetes de baterías.
La selección de baterías con un rendimiento lo más consistente posible para formar grupos es crucial para la aplicación generalizada de baterías de iones de litio en baterías.
Este artículo analizará las manifestaciones y causas de la falta de consistencia en las baterías de iones de litio y resumirá los métodos para mejorar la consistencia de estas baterías.
1. Análisis de la falta de Consistencia
1.1 Definición de la Falta de Consistencia
La falta de consistencia en un paquete 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, la tasa de auto descarga, etc., cuando las celdas individuales del mismo modelo y especificación se ensamblan en un paquete de baterías.
Después de la fabricación de las celdas individuales, existe una diferencia inherente en su rendimiento inicial. A medida que se utilizan las baterías, estas diferencias de rendimiento continúan acumulándose.
Además, debido a que cada celda individual experimenta un entorno operativo ligeramente diferente dentro del paquete de baterías, la falta de consistencia de las celdas individuales se amplifica gradualmente.
Esto acelera la degradación del rendimiento de la batería y, en última instancia, provoca la falla prematura del paquete de baterías.
1.2 Manifestación de la Falta de Consistencia
La falta de consistencia en las baterías de iones de litio se manifiesta principalmente en dos aspectos:
① Diferencias en los parámetros de rendimiento de las baterías individuales (como la capacidad de la batería, la resistencia interna y la tasa de auto descarga).
② Diferencias en el Estado de Carga (SOC) de las baterías.
La investigación reveló que la distribución de las diferencias de capacidad entre las baterías individuales se aproxima a una distribución de Weibull. La dispersión de la resistencia interna es más significativa que la de la capacidad.
Además, la resistencia interna de las baterías de la misma serie generalmente sigue una distribución normal, y la tasa de auto descarga muestra una distribución normal aproximada.
SOC caracteriza el estado de carga de una batería, representando la proporción de la capacidad restante a la capacidad nominal.
Debido a la falta de consistencia en las baterías, las tasas de degradación de la capacidad son diferentes, lo que resulta en diferencias en la capacidad máxima disponible entre las baterías.
Las baterías con menor capacidad experimentan una tasa de cambio de SOC más rápida en comparación con las de mayor capacidad, alcanzando más rápidamente el voltaje de corte durante la carga y la descarga.
1.3 Causas de la Falta de Consistencia
Existen muchas razones para la falta de consistencia en las baterías de iones de litio, principalmente surgen durante los procesos de fabricación y uso.
Cada etapa en el proceso de fabricación, como la uniformidad de la suspensión durante la mezcla de ingredientes, el control de la densidad superficial y la tensión superficial durante el recubrimiento, puede dar lugar a diferencias en el rendimiento de las baterías individuales.
La investigación exploró el impacto del proceso de producción de las baterías de iones de litio, especialmente el proceso de producción de baterías de iones de litio utilizando un sistema de aglutinante a base de agua, en la consistencia de las baterías.
Durante el uso de la batería, se creen que el método de conexión, los componentes/ dispositivos estructurales, las condiciones de operación y el entorno influyen en la consistencia del paquete de baterías.
Dado que el consumo de energía en cada punto de conexión no es uniforme y el rendimiento y las tasas de envejecimiento de cada componente o parte estructural tampoco son uniformes, se producen efectos diversos en la batería.
Además, el hecho de que cada batería individual esté posicionada de manera diferente en el paquete de baterías, experimentando temperaturas variables y sufriendo una degradación de rendimiento única, contribuye a la amplificación de la falta de consistencia entre las baterías individuales.
2. Métodos para Mejorar la Consistencia de las Baterías
2.1 Control del Proceso de Producción
El control del proceso de producción involucra principalmente dos aspectos: materias primas y tecnología de producción.
– En cuanto a las materias primas, es recomendable seleccionar materiales de la misma partida para garantizar la consistencia en el tamaño de partícula y el rendimiento.
– En términos de tecnología de producción, se debe aplicar un control estricto a todo el proceso de producción.
Por ejemplo, garantizar una mezcla uniforme de la suspensión, evitar tiempos de reposo prolongados, controlar la velocidad de la máquina de recubrimiento para asegurar el grosor y la uniformidad, inspeccionar visualmente y clasificar por peso las láminas de electrodos, controlar el volumen de inyección y gestionar las condiciones de formación, clasificación y almacenamiento, entre otros.
A través de la investigación sobre la tecnología de preparación de baterías de iones de litio, se identificó procesos clave con un impacto significativo en la consistencia de las baterías de iones de litio.
Estos procesos incluyen la mezcla de ingredientes, el recubrimiento, el prensado en rollo, el bobinado/apilado, la inyección y la formación.
Se realizaron investigaciones y análisis profundos sobre la relación entre varios parámetros clave del proceso y el rendimiento de la batería.
2.2 Control del Proceso de Ensamblaje
El control del proceso de ensamblaje se refiere principalmente a la clasificación de las baterías. En el ensamblaje de paquetes de baterías, se utilizan baterías de especificaciones y modelos uniformes. Se mide el voltaje, la capacidad, la resistencia interna, etc., de las baterías para garantizar la consistencia del rendimiento inicial de las baterías.
Durante el ensamblaje de paquetes de baterías, la diferencia de voltaje entre las baterías individuales es un factor crucial que afecta la consistencia de las baterías individuales en las etapas posteriores de carga y descarga.
La variación en la resistencia interna de las baterías individuales provoca diferencias significativas en la meseta de voltaje de las baterías individuales durante los procesos de carga y descarga del paquete de baterías.
Se llevaron a cabo un estudio sobre la falta de consistencia de las celdas individuales en baterías combinadas de iones de litio en serie y paralelo.
Analizaron el factor principal que influye, la resistencia de CC (DCR), en el impacto de los paquetes de baterías en configuraciones paralelas y el factor principal que influye, la capacidad, en el impacto de los paquetes de baterías en configuraciones en serie. Esta investigación proporciona evidencia esencial para el desarrollo de paquetes de baterías combinados.
Se llevaron a cabo investigaciones sobre el impacto de la tasa de descarga en la consistencia de los paquetes de baterías. Descubrieron que a medida que aumentaba la tasa de descarga, la falta de consistencia de las baterías se amplificaba, lo que llevaba al efecto de eliminar las baterías defectuosas.
2.3 Control durante los Procesos de Uso y Mantenimiento
2.3.1 Monitoreo en Tiempo Real de las Baterías
Realizar una selección de consistencia durante el ensamblaje de las baterías asegura la consistencia durante el uso inicial del paquete de baterías.
El monitoreo en tiempo real de las baterías durante el uso permite la identificación inmediata de problemas de consistencia durante la operación.
Sin embargo, en casos de baja consistencia, el circuito de monitoreo puede desconectar los circuitos de carga y descarga, lo que conduce a un rendimiento reducido.
Debe encontrarse un equilibrio entre estas consideraciones. El monitoreo en tiempo real también facilita ajustes o reemplazos oportunos para las baterías con parámetros extremos, asegurando que la falta de consistencia del paquete de baterías no se amplíe con el tiempo.
2.3.2 Implementación de un Sistema de Gestión de Equilibrio
Implementar una gestión inteligente de las baterías mediante estrategias de equilibrio y circuitos de equilibrio apropiados.
Las estrategias de equilibrio comunes incluyen aquellas basadas en voltaje externo, estado de carga (SOC) y capacidad.
Los circuitos de equilibrio se pueden clasificar en equilibrio pasivo y equilibrio activo según el consumo de energía. El equilibrio activo permite el flujo de energía entre las baterías sin pérdidas y se ha convertido en un área de investigación de interés a nivel mundial. Métodos comunes en el equilibrio activo incluyen derivación de batería, condensador conmutado, inductor conmutado, conversión DC/DC, etc.
2.3.3 Gestión Térmica de las Baterías
Además de mantener la temperatura de trabajo del conjunto de baterías dentro del rango óptimo, la gestión térmica de las baterías también implica asegurar la consistencia en las condiciones de temperatura entre las baterías.
Esto garantiza eficazmente la consistencia de rendimiento entre las baterías. La adopción de una estrategia de control racional es crucial.
Dentro de la potencia de salida permitida, se deben realizar esfuerzos para minimizar la profundidad de descarga de la batería, al mismo tiempo que se evita la sobrecarga, lo que puede prolongar la vida útil cíclica del conjunto de baterías.
El mantenimiento regular del conjunto de baterías es esencial. Se debe realizar una carga de mantenimiento periódica con corriente baja y se debe prestar atención a la limpieza.
Resumen:
(1)Las causas de la inconsistencia de las baterías provienen principalmente de los aspectos de fabricación y uso de las baterías.
(2)Las medidas para mejorar la consistencia de las baterías se centran principalmente en las siguientes tres áreas:
- Control estricto sobre el proceso de producción desde las materias primas y las técnicas de producción.
- Adopción de métodos de clasificación más científicos, seleccionando baterías con un rendimiento inicial consistente para su agrupación.
- Durante el uso y mantenimiento de las baterías, el monitoreo en tiempo real, la implementación de un sistema de gestión de equilibrio, la utilización de estrategias de control racionales, la gestión térmica de las baterías y el refuerzo del mantenimiento del conjunto de baterías son fundamentales.
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