¿Cómo afecta la consistencia de las celdas de litio al paquete de baterías?

La cantidad de agua que puede contener un barril de madera está determinada por su duela más corta. Esto se conoce como "el principio del barril".

Si comparamos un paquete de baterías de iones de litio con un barril que contiene agua, entonces las celdas individuales de litio que componen el paquete de baterías son las duelas de madera. El rendimiento de la celda individual con peor rendimiento determina el rendimiento general de todo el paquete de baterías.

En el ensamblaje de paquetes de baterías de iones de litio (PACK), la consistencia de las celdas es de vital importancia. Un paquete con poca consistencia de celdas verá afectado negativamente su rendimiento, incluida la capacidad, la vida útil y las características de carga/descarga. A medida que aumenta el número de ciclos de carga/descarga, este impacto se hace mayor. Pero, ¿qué tan significativo es el efecto de este "principio del barril"?

El paquete de baterías de iones de litio (PACK) sigue el "principio del barril"

Una razón importante para esto es la gestión y el control por parte del sistema de gestión de baterías (BMS). El BMS de un paquete de baterías de litio incluye protección contra la sobrecarga y la descarga excesiva de celdas individuales. Esto asegura que las celdas de iones de litio operen dentro de un rango de voltaje seguro y confiable durante la carga y descarga, evitando la degradación del rendimiento, la reducción de la vida útil o incluso los riesgos de seguridad causados por la sobrecarga o la descarga excesiva.

Impacto de la consistencia durante la descarga del paquete de baterías

Tomemos como ejemplo una celda de litio ternario (NMC/NCA). Su voltaje de corte de descarga de celda única es típicamente de 2,5 V, y el BMS generalmente establece la protección contra descarga excesiva de celda única en 2,8 V. La lógica de protección del BMS es tal que cuando el voltaje de cualquier celda en el paquete alcanza los 2,8 V, se activa la protección contra descarga excesiva. Los MOSFET o relés de descarga se abren y todo el paquete deja de descargarse.

Considere un paquete de baterías de litio ternario de 10 series, 1 paralelo (10S1P). Supongamos que entre las 10 celdas, la celda de menor capacidad es de 2000 mAh, mientras que las otras 9 celdas tienen una capacidad de 2500 mAh. Cuando el paquete se descarga, las 10 celdas se descargan simultáneamente. El voltaje de la celda disminuye a medida que disminuye su capacidad. Cuando la celda de menor capacidad de 2000 mAh se descarga por completo, su voltaje alcanzará los 2,8 V. En este momento, las otras 9 celdas (2500 mAh) aún tienen capacidad restante, con voltajes superiores a 3,0 V. Sin embargo, debido a que el BMS ha detectado que el voltaje de una cadena de celdas ha alcanzado los 2,8 V, activa la protección contra descarga excesiva del paquete y detiene la descarga de todo el paquete. En consecuencia, la capacidad de descarga utilizable de todo el paquete se limita a 2000 mAh.

El impacto de la consistencia durante la carga es similar al escenario de descarga.

Una celda de litio ternario se carga por completo a 4,2 V. El BMS generalmente establece la protección contra sobrecarga de celda única en 4,25 V. A medida que las celdas se cargan, su voltaje aumenta con el aumento de la capacidad. Cuando la celda de menor capacidad de 2000 mAh se carga por completo y su voltaje alcanza los 4,25 V, las otras 9 celdas aún no están completamente cargadas (probablemente por debajo de 4,1 V). No obstante, el BMS detecta que una cadena de celdas supera los 4,25 V y activa la protección contra sobrecarga del paquete, deteniendo la carga de todo el paquete. Esto resulta en que el paquete solo acepte una carga de 2000 mAh.

Así es como se manifiesta el "efecto barril": la celda con la menor capacidad dicta tanto la capacidad de carga como la de descarga de todo el paquete de baterías.

La influencia de la consistencia en la vida útil y las características de carga/descarga del paquete también sigue el "principio del barril". El rendimiento general del paquete está determinado por la celda individual con la vida útil y las características de carga/descarga más deficientes.

¿Cómo se puede controlar la consistencia del paquete de baterías?

La consistencia del paquete de baterías involucra parámetros como el voltaje de circuito abierto, la capacidad y la resistencia interna. A un nivel más profundo, también incluye factores como el valor K (tasa de autodescarga), la vida útil y las características de la curva de carga/descarga.

Antes del ensamblaje del PACK, las celdas se someten a clasificación y coincidencia. Los criterios de coincidencia comunes son:

• Desviación de capacidad: Controlada dentro del 1%

• Diferencia de voltaje: Dentro de 3 mV

• Diferencia de resistencia interna (IR): Dentro de 2 mΩ

En cuanto a factores como el valor K, la vida útil y las características de carga/descarga, la consistencia debe controlarse en la fuente de fabricación de la celda. Esto incluye:

• Usar sistemas de materiales idénticos para las celdas dentro del mismo lote de producción.

• Controlar la tasa de defectos en la producción en masa.

• Estandarizar y automatizar el proceso de producción en masa para las celdas.

En resumen:

Al controlar rigurosamente la consistencia de las celdas dentro de un paquete de baterías de litio, podemos optimizar el rendimiento del paquete a su máximo potencial, incluso bajo la influencia dominante del "Principio del Barril".