Guía completa para el diseño y montaje de baterías de litio

Una batería de litio no es solo un simple conjunto de pilas. Se trata de un proyecto de sistema altamente integrado y preciso. Abarca múltiples pasos, entre los que se incluyen la selección de celdas, el diseño estructural, la gestión térmica y la protección de seguridad. Esta guía le mostrará el proceso completo, desde el diseño y la fabricación hasta las pruebas y la seguridad, ofreciéndole una referencia práctica y valiosa.

¿Qué es una batería de litio?

Una batería de litio es un sistema de baterías integrado. Se construye conectando muchas celdas individuales en serie y en paralelo. Incluye un sistema de gestión de la batería (BMS), conexiones eléctricas fiables y un paquete estructural de protección. Gracias a su diseño científico y a un estricto control de fabricación, la seguridad, la fiabilidad y la vida útil del paquete de baterías están bien garantizadas.

En comparación con una sola celda de batería, un paquete de baterías de litio ofrece una mayor densidad energética y puede utilizarse en más aplicaciones. Sin embargo, también requiere una tecnología de gestión más avanzada y medidas de seguridad más estrictas.

Actualmente, las baterías de litio se utilizan ampliamente en vehículos eléctricos, almacenamiento doméstico de respaldo, sistemas de almacenamiento de energía solar, sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS), estaciones base de comunicaciones y diversos tipos de equipos industriales. Proporcionan un suministro de energía estable y fiable para muchas situaciones diferentes.

Aplicación de la batería Lifepo4 de 45 kWh

Guida alla progettazione e all'assemblaggio di batterie al litio

Paso 1: Selección y emparejamiento de celdas

Consistencia en el rendimiento celular

El rendimiento y la seguridad de una batería dependen en primer lugar de la selección de las celdas. Debe asegurarse de que las celdas sean muy uniformes en parámetros clave como el voltaje, la resistencia interna y la capacidad. Si hay grandes diferencias entre las celdas, se producirán desequilibrios durante la carga y la descarga. Esto no solo acelera el envejecimiento general de la batería, sino que también puede crear riesgos para la seguridad.

Selección del tipo de célula

El fosfato de hierro y litio y el NMC son dos tipos de baterías de litio muy habituales. Sus sistemas químicos son diferentes y sus características se centran en aspectos distintos. Puede elegir en función del uso real (como vehículos eléctricos, sistemas de almacenamiento de energía, electrónica de consumo, etc.). Esto le permite equilibrar mejor la densidad energética, la seguridad, el coste y la vida útil. Delong Energy utiliza células lifepo4 de marcas famosas como BYD y CATL.

Pilas de grado A

Paso 2: Diseño de la estructura mecánica

Diseño de estructuras mecánicas

Durante el diseño, debe centrarse en el tamaño, el peso y la forma de la batería. Debe asegurarse de que se adapte perfectamente a su producto. Por ejemplo, si se utiliza en un vehículo eléctrico, la batería debe ajustarse con precisión al espacio del vehículo. Al mismo tiempo, el uso de un diseño estructural de alta resistencia puede resistir el impacto de las colisiones. Esto garantiza la seguridad durante el uso.

Equilibrio entre ligereza y resistencia

Se pueden elegir materiales ligeros, como aleación de aluminio o fibra de carbono, para reducir el peso de la batería. El uso del diseño de optimización topológica mejora la rigidez estructural. Esto evita que las celdas se dañen por vibraciones o impactos. Como resultado, se prolonga la vida útil de la batería.

Diseño modular

La batería utiliza un diseño modular. Cada módulo de batería es relativamente independiente. Esto no solo hace que el proceso de producción sea más eficiente, sino que también simplifica y agiliza el mantenimiento y la sustitución posteriores. Incluso si un módulo falla, no afecta al funcionamiento normal de todo el sistema. Esto mejora la fiabilidad. Al mismo tiempo, puede ampliar fácilmente la capacidad en función de sus necesidades reales, lo que le proporciona una mayor flexibilidad.

Batería apilable de fácil instalación

Paso 3: Conexiones eléctricas

Tecnología de soldadura y conexión

En el montaje de baterías, las lengüetas de las celdas suelen conectarse mediante procesos avanzados como la soldadura por láser, la soldadura ultrasónica o la soldadura por resistencia. Esto no solo garantiza una conexión sólida y una buena conductividad, sino que también permite obtener una baja resistencia y una alta fiabilidad. Al mismo tiempo, se optimiza el diseño de las piezas de conexión, lo que hace que la trayectoria de la corriente sea más razonable y minimiza la generación de calor en la mayor medida posible.

Diseño del mazo de cables

En el diseño de sistemas de baterías, la disposición del mazo de cables es muy importante. Planificando adecuadamente el recorrido de los cables de alta tensión (como los cables principales positivo y negativo) y los cables de señal de baja tensión (como los sensores de temperatura y las líneas de comunicación del BMS), se puede reducir eficazmente la interferencia electromagnética (EMI). También ayuda a evitar posibles riesgos de cortocircuito.

Aislamiento y protección

El uso de materiales aislantes para cubrir las partes de conexión del sistema de baterías evita eficazmente las fugas y averías. Al mismo tiempo, el diseño de la batería cumple con los estándares de clasificación IP, lo que garantiza su resistencia al agua y al polvo. Esto asegura que la batería se mantenga segura y estable incluso en entornos complejos, lo que prolonga su vida útil general.

Paso 4: Gestión térmica

Diseño de disipación del calor

Utiliza refrigeración líquida, refrigeración por aire o materiales de cambio de fase (PCM) para controlar la temperatura de la batería. Por ejemplo, las baterías de los vehículos eléctricos utilizan placas de refrigeración líquida o tubos de refrigerante. Esto garantiza una temperatura uniforme durante la carga y la descarga, y ayuda a mantener la velocidad de carga y la estabilidad de la autonomía.

Diseño de calefacción

En entornos fríos, utilizamos calentadores PTC o láminas calefactoras eléctricas para calentar la batería. Esto ayuda a evitar la pérdida de rendimiento causada por las bajas temperaturas. Independientemente de cómo cambie el tiempo, podrás disfrutar de una energía de batería estable y fiable.

Simulación térmica y optimización

Mediante el uso de la tecnología de simulación térmica CAE, podemos simular de antemano los cambios de temperatura del paquete de baterías en diversos escenarios de uso. Esto nos ayuda a optimizar con precisión la estructura de disipación del calor y a evitar el sobrecalentamiento local. De este modo, la batería tiene una mayor durabilidad.

Paso 5: Sistema de gestión de baterías (BMS)

Recopilación y supervisión de datos

El BMS supervisa el voltaje, la temperatura, la corriente y otros parámetros de las celdas en tiempo real, para que siempre puedas conocer el estado de la batería. Al mismo tiempo, utiliza algoritmos para estimar el SOC (estado de carga) y el SOH (estado de salud), lo que te ayuda a gestionar el uso de la batería de forma segura y eficiente.

Control de equilibrio

Mediante el uso de tecnología de equilibrio pasivo (descarga de resistencia) o activo (transferencia de energía), se pueden eliminar las diferencias de voltaje entre las celdas, lo que ayuda a prolongar la vida útil de la batería.

Protección de seguridad

Para garantizar su seguridad, el sistema establece límites de protección contra sobrecargas, descargas excesivas, sobrecalentamiento y cortocircuitos. Cuando se activa la protección, el circuito se desconecta automáticamente. Esto evita que se produzcan accidentes y mantiene la batería y el equipo seguros y fiables.

BMS inteligente para batería Lifepo4

Paso 6: Medidas de seguridad

Seguridad eléctrica

Se utiliza un diseño de enclavamiento de alta tensión (HVIL) para garantizar que el sistema de alta tensión se desconecte automáticamente durante el mantenimiento. Al mismo tiempo, se instalan resistencias de precarga para evitar sobrecargas al encender el equipo y proteger tanto el equipo como la seguridad del usuario.

Seguridad mecánica

La batería utiliza un disco de ruptura y un canal de liberación de presión. Si una celda se sobrecalienta, este diseño libera rápidamente el gas. Esto ayuda a reducir el riesgo de explosión.

Seguridad medioambiental

La batería cumple con normas de protección como IP67 e IP6K9K, lo que evita la entrada de agua y polvo. También supera rigurosas pruebas de niebla salina, vibración e impacto para garantizar un funcionamiento estable y fiable incluso en condiciones adversas.

Paso 7: Pruebas y validación

Pruebas de rendimiento eléctrico

Mediante pruebas de carga y descarga, pruebas de resistencia interna, pruebas de vida útil y otras comprobaciones, nos aseguramos de que cada batería funcione de forma estable y fiable, cumpliendo plenamente los requisitos de diseño.

Pruebas de seguridad

Mediante la simulación de condiciones extremas, como la penetración de clavos, la compresión, la sobrecarga y los cortocircuitos, comprobamos la seguridad de la batería y nos aseguramos de que siga siendo fiable incluso en situaciones anormales.

Pruebas de adaptabilidad medioambiental

Probamos la batería en condiciones de alta temperatura, baja temperatura, alta humedad y gran altitud para garantizar su fiabilidad.

Prueba del sistema de almacenamiento de energía vertical Lifepo4 de 51,2 V

Paso 8: Tendencias futuras en el montaje de paquetes de baterías

Sistema de gestión de baterías inalámbrico

Al utilizar tecnología de comunicación inalámbrica en lugar del cableado tradicional, se puede reducir el peso y el coste, al tiempo que se mejora la facilidad de mantenimiento.

Tecnología CTP/CTC

Al integrar directamente las celdas en el paquete de baterías o el chasis, se puede omitir el paso del búfer del módulo, lo que mejora el uso del espacio y la densidad energética.

Aplicación del algoritmo de IA

Mediante el uso del aprendizaje automático para optimizar el equilibrio celular, la predicción de fallos y la gestión del estado, la batería se vuelve más inteligente y eficiente.

Conclusión

La fabricación de baterías de litio es un proceso complejo que combina electroquímica, mecánica, electrónica y gestión térmica. Su objetivo principal es aprovechar al máximo el rendimiento de las celdas, garantizando al mismo tiempo la seguridad y la fiabilidad. 

Con el rápido crecimiento de los mercados de vehículos de nueva energía y almacenamiento de energía, la tecnología PACK está evolucionando hacia una mayor densidad energética, un menor coste y diseños más inteligentes, convirtiéndose en un motor clave del progreso de la industria. Por lo tanto, hay que tener mucho cuidado a la hora de elegir un fabricante y controlar el proceso.

Delong Energy cuenta con 14 años de experiencia en la industria de las baterías de litio y se dedica a proporcionar soluciones energéticas fiables y eficientes. Somos un socio de confianza. Póngase en contacto con nosotros para obtener soluciones eficientes.

Delong - Fábrica de sistemas de almacenamiento de energía en baterías de litio