El secreto de la tecnología de las baterías de los vehículos eléctricos

Batería

Un pack de baterías se compone generalmente de un módulo de batería, un sistema de gestión térmica, un sistema de gestión de baterías (BMS), un sistema eléctrico y componentes estructurales.

Módulo de batería

El módulo de la batería puede entenderse como el producto intermedio de la célula de la batería y el pack formado tras la combinación de células de iones de litio en serie y en paralelo, y la adición de un único dispositivo de control y gestión de la batería. Su estructura debe soportar, fijar y proteger el núcleo de la batería. Su composición básica incluye:

Control del módulo (comúnmente conocido como BMS), celdas de la batería, conectores conductores, marco de plástico, placa fría, tubos de refrigeración, placas de presión en ambos extremos y un conjunto de elementos de fijación que mantienen unidos estos componentes. Además de reunir las celdas individuales y proporcionar una determinada presión, las placas de presión de ambos extremos suelen estar diseñadas sobre la estructura fija del módulo en el pack de baterías.

El módulo está diseñado para facilitar la gestión de la batería mediante BMS, mejorar la seguridad de la batería y facilitar el mantenimiento y la reparación.

Célula de batería

La célula de la batería se compone principalmente de cátodo, ánodo, separador y electrolito. El principio de funcionamiento principal es realizar la carga y la descarga mediante la migración de iones de litio entre el cátodo y el ánodo. El proceso de carga requiere energía externa, es decir, energía de la red, lo que equivale a almacenar la energía de la red en la batería. El proceso de descarga puede completarse espontáneamente, lo que libera la energía almacenada.

Las baterías de litio tranvía se dividen principalmente en tres categorías según el sistema de materiales: óxido de litio y manganeso, batería ternaria de litioy fosfato de hierro y litio. Estos tres tipos de baterías tienen sus propias ventajas y desventajas, y también tienen diferentes aplicaciones en el mercado.

Óxido de litio y manganeso: El rendimiento a alta temperatura, el rendimiento de ciclo y el rendimiento de almacenamiento son deficientes. El manganeso se descompone fácilmente en condiciones de alta temperatura, y la vida útil de la batería es corta y difícil de almacenar.

Batería de litio ternaria: La temperatura alta y baja, el ciclo, la seguridad, el almacenamiento y el rendimiento eléctrico de cada artículo son relativamente medios. La energía específica del volumen es alta, el precio del material es moderado y el rendimiento es estable.

Fosfato de hierro y litio: Buenas prestaciones de seguridad, baja conductividad, baja energía específica volumétrica. Sin embargo, el coste de los materiales es elevado y el rendimiento a bajas temperaturas es deficiente, por lo que no puede satisfacer las necesidades de los vehículos eléctricos en invierno.

Introducción a BMS

BMS es un sistema de gestión de baterías, un sistema que supervisa y gestiona las baterías. Mediante la recopilación y el cálculo de parámetros como la tensión, la corriente, la temperatura y el SOC, y luego controlar el proceso de carga y descarga de la batería, realizar la protección de la batería y mejorar el sistema de gestión del rendimiento integral de la batería. Es un eslabón importante que conecta la batería de potencia del vehículo y los vehículos eléctricos.

Los sistemas de gestión de edificios tienen tres funciones principales:

● Mediante la medición del estado de carga de la batería eléctrica, se proporciona al conductor la energía restante, a fin de recordarle que cargue la batería eléctrica a tiempo;

● La segunda es controlar y gestionar la temperatura de la batería, detectar la temperatura de la batería cuando está funcionando y utilizar un soplador o disipador de calor para que la batería funcione en las mejores condiciones;

● El último es realizar la gestión equilibrada de la batería. Debido al error de fabricación de fábrica, o la diferencia de ventilación durante el uso, y la conversión de rendimiento electroquímico es diferente, el voltaje de la batería y la energía restante se detectan para evitar la sobrecarga.

En el proceso de desarrollo de los SGE, el análisis de riesgos de los SGE incluye sucesos peligrosos como la sobretensión (sobrecarga), la subtensión, la sobretemperatura y la sobrecorriente. Por ejemplo, la sobretensión puede ser un suceso relativamente grave, sobre todo si se sobrecarga la batería durante mucho tiempo, lo que provocará la degradación del rendimiento de la batería y daños irreversibles, e incluso la deformación y las fugas de la batería.

A continuación, el objetivo del diseño de seguridad del sistema BMS es poder detectar a tiempo la sobrecarga de la batería y, mediante un análisis y una evaluación razonables de los peligros, considerar el diseño de mecanismos de seguridad desde los aspectos de fallo puntual y fallo potencial y, por último, realizar un tratamiento adecuado y oportuno.

Tendencias de desarrollo de las baterías

Batería sin cobalto

El nombre completo de la batería ternaria de litio es batería ternaria de polímero de litio, que se refiere a una batería de litio en la que el material del cátodo utiliza óxido de níquel-cobalto-litio-manganeso (NCM) o material de cátodo ternario de níquel-cobalto-litio aluminato (NCA). Entre ellos, el cobalto, que se utiliza principalmente para estabilizar la estructura en capas de los materiales y mejorar el rendimiento del ciclo y la tasa del material, es un metal noble indispensable en las baterías ternarias.

Durante mucho tiempo, la fluctuación del precio del cobalto ha afectado mucho al precio de los materiales ternarios. Sin embargo, más de la mitad del cobalto mundial se produce en el Congo (Kinshasa), y la excesiva concentración de recursos también ha agravado la vulnerabilidad de la cadena mundial de suministro de cobalto.

El problema del coste siempre ha sido un escollo para el desarrollo del mercado de vehículos eléctricos, y siempre se ha esperado reducir el coste de la batería de potencia, que es el coste central, lo antes posible. Tras reducir la proporción y el contenido de cobalto en las baterías ternarias de litio, el coste de todo el vehículo se reducirá en consecuencia, y también se debilitará el impacto de las fluctuaciones del precio del cobalto en las empresas, lo que ayudará a promover el desarrollo del mercado de vehículos eléctricos.

Batería de estado sólido

Batería de estado sólido es un tipo de tecnología de baterías. A diferencia de las baterías de iones de litio y de polímero de iones de litio que se utilizan habitualmente hoy en día, una batería de estado sólido es una batería que utiliza electrodos sólidos y electrolitos sólidos.

Dado que la comunidad científica cree que las baterías de iones de litio han alcanzado sus límites, en los últimos años se ha considerado que las baterías de estado sólido pueden heredar el estatus de las baterías de iones de litio. La tecnología de las pilas de litio de estado sólido utiliza un compuesto de vidrio hecho de litio y sodio como sustancia conductora para sustituir al electrolito de la pila de litio anterior y aumentar enormemente la densidad energética de la pila de litio.

Los electrolitos sólidos tienen una elevada ventana de estabilidad electroquímica y pueden utilizarse junto con materiales de electrodos de alto voltaje para aumentar la densidad energética de las baterías.

Batería de cuchillas

La batería de cuchillas es un concepto de diseño totalmente nuevo. Al utilizar baterías largas, ahorra el enlace del módulo intermedio e instala directamente las baterías en el sistema de baterías. De este modo, se reducen eficazmente el peso y el coste, lo que es similar al CTP de CATL.

Al mismo tiempo, el diseño de la estructura de la batería de BYD se basa en el principio de las placas de aluminio en forma de panal y utiliza pegamento estructural para fijar las celdas de la batería entre las dos capas de placas de aluminio, lo que permite que las propias celdas de la batería actúen como componentes estructurales para aumentar la resistencia de todo el sistema.

CTP o CTC

La tecnología CTP se denomina Cell To Pack. Al anular el diseño modular, las celdas de la batería se integran directamente en un pack de baterías, y el pack de baterías se integra en el suelo de la carrocería como parte de la estructura del vehículo.

Este método reduce las placas laterales, las placas de los extremos (partes estructurales del módulo) del propio módulo, y las vigas, vigas longitudinales y otros materiales utilizados originalmente para separar los módulos y ayudar a que se conecten. Se simplifica enormemente toda la estructura de la batería, se libera espacio, se amplía la capacidad del paquete de baterías del mismo tamaño y se reduce su masa, lo que conlleva un aumento de la densidad energética de la batería y una reducción del coste.

Batería de cuchillas BYD vs CATL CTP

El nombre completo de la tecnología CTC es Cell to Chassis. Esta tecnología integra la célula de la batería y el chasis, y después integra el motor, el control electrónico y la alta tensión del vehículo, como CC/CC, OBC, etc., mediante una arquitectura innovadora, y optimiza la distribución de potencia y reduce el consumo de energía mediante un controlador inteligente del dominio de potencia. El CTC permitirá que el coste de los vehículos de nueva energía compita directamente con el de los vehículos de combustible, con un mayor espacio para los asientos y una mejor transitabilidad del chasis.

En cierto sentido, el CTC puede entenderse como una ampliación del CTP. Su núcleo es ahorrar el proceso de módulo y embalaje, e integrar directamente las celdas de la batería en el chasis del coche para lograr un mayor grado de integración.

Tecnología tradicional vs CTP vs CTC

La aparición del CTC romperá la limitación del PACK e implicará directamente al chasis del automóvil. Este es el componente central más crítico del vehículo, y es la ventaja fundamental acumulada por los fabricantes de vehículos a través del desarrollo a largo plazo. Es difícil que las empresas de baterías y las empresas profesionales de PACK se desarrollen de forma independiente. Así que ahora algunos proveedores de baterías están empezando a planificar el desarrollo del chasis.