Cómo diseñar un pack de baterías de litio？

En este artículo se explica cómo diseñar fácilmente baterías de litio, se presenta la estandarización de las baterías de litio y se explica qué factores deben tenerse en cuenta y qué requisitos deben cumplirse durante el proceso de diseño.

Normalización de las baterías de litio

Diferentes proveedores

En primer lugar, hay que señalar que no existe un tamaño estándar para las baterías de litio, ni es probable que lo haya en un futuro próximo, por una sencilla razón: los distintos fabricantes construyen e integran los vehículos eléctricos de forma diferente.

El paquete de baterías de iones de litio debe adaptarse a la estructura del vehículo, por lo que es difícil tener un estándar de tamaño uniforme. En los grandes sistemas estacionarios de almacenamiento de energía, se suelen utilizar 19 (pies) (1 pie = 0,3048 m) de estantes para instalar la batería de iones de litio, pero diferentes fabricantes de baterías de ión-litio han desarrollado su propia instalación de sistemas de almacenamiento de energía.

Adaptarse al nuevo tamaño e instalación significa cambiar la tecnología de fabricación existente, lo que conllevará nuevas inversiones y costes. En consecuencia, la estandarización de las baterías de litio es poco probable, al menos a corto plazo.

Diferentes modelos

Además, los vehículos eléctricos en el mercado se basan en la estructura básica de los coches de gasolina y diesel para diseñar el paquete de baterías de litio, los fabricantes sólo utilizan el espacio existente en la estructura de la carrocería para montar el sistema de baterías, no hay ningún objetivo con el fin de optimizar el diseño de la estructura de la carrocería del coche.

Eso significa que los sistemas de baterías podrían instalarse en el maletero, el asiento, el paso del eje de transmisión y el depósito de combustible; La desunión de posiciones se ha convertido en un gran obstáculo para la estandarización del paquete de baterías de litio.

En la era actual de fabricación de vehículos eléctricos, tenemos que cambiar las estrategias con fines específicos. Se tardará entre 10 y 15 años en rediseñar un coche eléctrico. Eso significa que las baterías podrían tardar de dos a tres generaciones.

El tamaño y la posición de instalación del sistema de baterías pueden adaptarse a los futuros vehículos eléctricos. Solo hay unos pocos fabricantes (como Tesla) en el mercado que puedan ofrecer nuevos diseños para coches eléctricos, y la buena noticia es que algunos grandes fabricantes de automóviles también están trabajando en ello.

Diferentes requisitos de aplicación

Al principio del diseño mecánico de un pack de baterías de litio, es necesario tener un conocimiento exhaustivo de los requisitos de los diferentes tipos de baterías.  aplicación de la pila de litiocomo el sistema de aplicación y la posición de instalación de la batería.

Si se aplica a vehículos eléctricos, si se instala en la cubierta del coche, el habitáculo, el chasis o el maletero; Si se aplica al almacenamiento de energía, si se instala en una caja móvil o en una posición fija; Si se utiliza en navegación, qué tipo de sistema de sellado se necesita y qué tipo de requisitos tiene el entorno de aplicación de la batería.

Una vez determinados la ubicación y el tamaño de la batería, pueden considerarse otros requisitos, como si debe funcionar en un entorno duro, qué nivel de estanqueidad debe tener, si es un componente del sistema y cuántos impactos o vibraciones debe soportar.

Requisitos mecánicos de los sistemas de baterías

A continuación, tenemos que calcular otros requisitos mecánicos del pack de baterías de litio. Si el sistema de baterías está instalado en la zona vulnerable del coche, si tiene que cumplir los requisitos de carga, es decir, si puede soportar a los pasajeros de pie o caminando.

Además, también deben tenerse en cuenta algunas interferencias electromagnéticas y la compatibilidad electromagnética. También hay que tener en cuenta la distancia a la fuente de calor corporal, la distancia al puesto del pasajero y la comodidad del mantenimiento posterior.

Consideraciones para el diseño de baterías de litio

En cuanto a las partes mecánicas y estructurales de los sistemas de baterías, hablaremos en primer lugar de los distintos tipos de paquetes de baterías de litio disponibles en la actualidad. Los paquetes de baterías de iones de litio suelen disponer las celdas en una unidad electromecánica.

Se compone del bus, la célula, la placa de circuito de control de temperatura y tensión, el sistema de gestión térmica y la estructura mecánica. En el diseño de una batería de litio hay que tener en cuenta un par de cosas.

La disposición final del pack depende del tipo de célula

Por ejemplo, los marcos de plástico o metal deben incluirse en la configuración del envase para proporcionar protección y ejercer presión sobre las celdas del envase. En cuanto a las celdas cuadradas más grandes, dado que cada celda es un marco completo, la placa de interconexión (ICB) proporciona un marco fijo adecuado. No es necesario ofrecer protección mecánica adicional.

Problema de fijación de la batería de litio

A veces, utilizamos la agrupación para ensamblar el diseño completo de la batería de litio. Sin embargo, hay dos problemas a largo plazo que deben evaluarse cuando atamos módulos. Si utilizamos flejes de plástico, el problema se reduce al nivel de elasticidad a lo largo de la vida útil del material.

Si el material de la cinta se estira lo suficiente con el tiempo, es posible que la célula deje de recibir la presión de apilamiento que necesita. Si utilizamos una cinta de acero, puede producirse el efecto contrario, ya que no se estira con el tiempo y, sin embargo, aumenta gradualmente el tamaño de la célula.

Como resultado, la fuerza dada por la tira aumenta con el tiempo.

Comodidad del mantenimiento posterior

Otra consideración importante en el diseño de baterías de iones de litio es la facilidad de mantenimiento posterior. En los diseños de baterías de iones de litio, algunos fabricantes utilizan componentes mecánicos, tornillos o tuercas para unir las celdas. Este tipo de diseño permite al usuario sustituir la célula y utilizar el pack durante toda la vida útil de la batería.

Sin embargo, estas conexiones mecánicas tienden a aflojarse durante el uso, lo que provoca un aumento de la impedancia de contacto y, posiblemente, el fallo de la pila. Otros fabricantes sueldan las pilas para mejorar la estabilidad de la unión.

Este tipo de método es relativamente rentable (no se necesitan elementos de fijación) y tiene una gran fiabilidad (no se afloja). Sin embargo, en este diseño, la batería no se puede cambiar por separado, y eso significa que el fallo de una sola célula conduce al hecho de que toda la batería no se puede utilizar de nuevo.

Los módulos son la base de todos los sistemas de baterías y, para la mayoría de los fabricantes de baterías, un método estable y fiable de los paquetes es una garantía sólida para las posteriores aplicaciones multisistema.

Requisitos básicos para el diseño de baterías de litio

Requisitos de resistencia mecánica

El pack de baterías de potencia cuadrada es un pack de baterías de litio que se conecta mediante una barra colectora, se conecta en serie y en paralelo, y se integra en un pack de baterías de litio mediante una estructura mecánica.

Según las normas nacionales GBT31467, GBT31485 y GBT31486, el pack de baterías de litio debe superar pruebas de vibración, extrusión, impacto y caída, entre otras.

Al mismo tiempo, como la batería individual puede abombarse durante el proceso de carga y descarga, se necesita la estructura mecánica del propio módulo para compensar la fuerza de hinchamiento de la batería. Esto requiere una cierta resistencia mecánica de la estructura del pack.

La realización de la resistencia mecánica global del pack de baterías de litio requiere que la estructura de conexión eléctrica del pack de baterías de litio - el diseño de la fila de cobre-aluminio y las medidas de protección externa para la disposición de las celdas individuales dentro del pack de baterías de litio - la estructura del marco externo del pack tenga cierta resistencia mecánica.

En concreto, es necesario seleccionar el material del componente, el diseño estructural del mismo y el proceso de soldadura para garantizar que se pueda lograr el diseño de resistencia del pack de baterías de litio.

Resistencia del aislamiento Requisitos

En estado de carga, el polo, la carcasa exterior y otras partes de una misma batería también se cargan. Para evitar cortocircuitos externos y garantizar la Seguridad de las pilas de iones de litio y la seguridad del vehículo, el pack de baterías de litio deberá superar las correspondientes pruebas de aislamiento y tensión antes de su envío.

Normalmente, se aplica una tensión entre las salidas totales del cátodo y el ánodo del pack y la carcasa. La impedancia de aislamiento y la corriente de fuga medidas deben ser inferiores al valor especificado para que el pack pueda pasar.

Función de muestreo de tensión y temperatura

En el proceso de funcionamiento del vehículo, es necesario controlar la tensión y la temperatura del sistema de baterías para garantizar la seguridad de la conducción, lo que requiere la instalación de un dispositivo de adquisición de tensión y temperatura en el pack de baterías de litio.

En la realización del diseño estructural de la tarjeta de adquisición de tensión y temperatura, es necesario tener en cuenta el espacio limitado dentro del paquete.

Y, al mismo tiempo, garantizar la exactitud del muestreo, y tienen una cierta resistencia estructural para evitar que la fuerza de hinchamiento de una sola batería, la vibración mecánica y otros efectos internos y externos en el daño de la estructura de la tarjeta de adquisición.

Diseño de la capacidad de sobrecorriente

En el pack de baterías de litio de potencia, las baterías individuales se disponen en paralelo con cobre y aluminio para lograr la función global de carga y descarga del pack de baterías.

El diseño de la estructura de la barra de cobre-aluminio debe tener la capacidad de flujo correspondiente para evitar la distribución irrazonable de la temperatura en el paquete de baterías de litio y la alta temperatura local, que puede causar riesgos para la seguridad.

Para garantizar la capacidad de flujo del módulo, el diseño de la estructura de cobre LvPai debe estar de acuerdo con los requisitos del flujo específico y la masa de aluminio de cobre por unidad de área de la capacidad de flujo y establecer un área suficiente para asegurar que la velocidad de flujo. Al mismo tiempo de cobre LvPai conectado a la columna de polo de la batería de soldadura el diseño de la dimensión de la forma de soldadura debe ser razonable, para asegurar que el cobre LvPai contacto totalmente eficaz con la columna de polo de la batería, evitar el fenómeno de soldadura, eliminar los riesgos de seguridad.

Protección contra el polvo y el funcionamiento

Las partes eléctricas expuestas del módulo deben estar totalmente protegidas para evitar que caiga polvo en el interior de la batería de litio. Al mismo tiempo, debe evitarse el contacto directo entre las manos humanas y las piezas eléctricas del paquete de baterías de litio causado por un funcionamiento incorrecto para eliminar posibles riesgos de seguridad.