¿Alguna vez te has preguntado qué impulsa tu vehículo eléctrico Tesla o BYD?? A medida que los coches eléctricos se vuelven cada vez más comunes en nuestra vida diaria, términos como “celda de batería,” “módulo,” y “embalar” aparecer con frecuencia. Pero, ¿qué significan exactamente estos términos?, y ¿cómo funcionan juntos para alimentar su vehículo eléctrico??
Piense en ello como construir con ladrillos LEGO.: comienzas con bloques individuales (celdas de batería), combinarlos en secciones más pequeñas (módulos de batería), y finalmente crear una estructura completa (paquete de batería). Así como cada pieza de LEGO juega un papel crucial en la creación final, Cada nivel del sistema de batería tiene un propósito específico al alimentar su vehículo eléctrico..
Ahora echemos un vistazo más profundo a la celda de la batería., módulo y paquete, así como la conexión y diferencia entre ellos.
Tabla de contenido
¿Qué es la celda de batería??
Una celda de batería es la unidad funcional más básica de una batería de iones de litio.. Mirando su estructura, Cada celda de la batería contiene cinco componentes clave.: un electrodo positivo (cátodo), un electrodo negativo (ánodo), electrólito, separador, y carcasa. El cátodo y el ánodo son donde se almacenan los iones de litio. – el material del cátodo puede ser óxido de cobalto y litio (LCO), níquel-cobalto-manganeso (NCM), o fosfato de hierro y litio (LFP), mientras que el ánodo suele estar hecho de materiales de grafito. El electrolito actúa como vía para que los iones de litio se muevan.. El separador tiene una doble función.: Evita el contacto directo entre los electrodos positivo y negativo al tiempo que permite el paso de los iones de litio.. Finalmente, La carcasa proporciona protección física y sellado para toda la celda de la batería..
Las celdas de baterías de iones de litio vienen en tres formatos principales: cilíndrico, prismático, y células de bolsa.
Celda de batería cilíndrica
Las celdas de batería cilíndricas fueron las primeras baterías de iones de litio en lograr una producción en masa.. Están hechos enrollando el cátodo., ánodo, y separador en un orden específico en forma de cilindro y luego alojándolo en una carcasa de metal. Los tamaños más comunes en el mercado hoy en día incluyen 18650 (18mm de diámetro, 65mm de longitud, con una capacidad de aproximadamente 2,2-3,4Ah), 21700 (21mm de diámetro, 70mm de longitud, con una capacidad de aproximadamente 4,0-5,0 Ah), y el mas nuevo 4680 (46mm de diámetro, 80mm de longitud). Gracias a su excelente confiabilidad y ventajas de costos., Las celdas de batería cilíndricas se utilizan ampliamente en herramientas eléctricas., dispositivos portátiles, y vehículos eléctricos – siendo Tesla uno de los mayores usuarios de celdas de batería cilíndricas.
Ventajas de las celdas de batería cilíndricas
1. Su proceso de fabricación es el más maduro y altamente automatizado., Lo que lleva a importantes beneficios de costos y una calidad constante del producto..
2. La forma cilíndrica garantiza una distribución uniforme de la tensión bajo presión interna., proporcionando una excelente resistencia mecánica.
3. Alto grado de estandarización – Los productos de diferentes fabricantes son intercambiables..
4. Gran relación superficie-volumen, lo que los hace mejores en la disipación del calor.
Desventajas de las celdas de batería cilíndricas
1. El problema más notable es su baja eficiencia de espacio.. Las formas cilíndricas crean naturalmente espacios cuando se empaquetan en espacios rectangulares., resultando en espacio desperdiciado.
2. Debido a su capacidad individual relativamente pequeña, La creación de un sistema de batería de alta capacidad requiere conectar muchas celdas de batería en serie y en paralelo.. Esto aumenta el número de puntos de conexión y hace que el montaje sea más complejo..
3. Las celdas de batería cilíndricas suelen tener una densidad de energía más baja en comparación con las celdas de bolsa., lo que limita un poco su uso en aplicaciones que requieren alta densidad de energía.
4. Sus dimensiones fijas limitan la flexibilidad del diseño., lo que dificulta la optimización de las formas de las baterías para aplicaciones específicas.
Celda de batería prismática
Las celdas de batería prismáticas utilizan carcasas duras de aluminio o acero como carcasa., con estructuras internas realizadas mediante procesos de bobinado o apilamiento. Como formato de batería convencional, Las celdas prismáticas ofrecen dimensiones relativamente flexibles y mayores capacidades individuales., desde 20Ah hasta 314Ah, Algunos fabricantes incluso producen celdas de batería de 560 Ah.. Actualmente, Las células prismáticas se utilizan principalmente en vehículos eléctricos., vehículos eléctricos comerciales, y sistemas de almacenamiento de energía. Grandes fabricantes de baterías como BYD, CATL y CALVO Son células prismáticas que se producen en masa..
Ventajas de las celdas de batería prismáticas
1. La estructura rectangular proporciona una mejor utilización del espacio., ayudando a aumentar la densidad de energía de los paquetes de baterías.
2. Las grandes superficies de contacto de las células prismáticas facilitan la disipación del calor., Lo cual es beneficioso para la gestión térmica de la batería..
3. Una mayor capacidad de celda individual significa menos conexiones en serie y en paralelo en comparación con las celdas cilíndricas, simplificando el diseño del sistema.
4. Las grandes superficies planas hacen que el montaje y el montaje de la batería sean más cómodos.
Desventajas de las celdas de batería prismáticas
1. En comparación con las celdas cilíndricas, Las celdas prismáticas tienen costos de fabricación más altos y requieren procesos de producción más estrictos..
2. Por su estructura interna, Las células prismáticas tienden a hincharse un poco durante los ciclos de carga y descarga., Requiere espacio adicional y restricciones adicionales en el diseño mecánico..
3. Las especificaciones de las celdas prismáticas varían significativamente entre los diferentes fabricantes de la industria., dificultando el intercambio entre diferentes marcas.
Celda de bolsa
Las celdas tipo bolsa utilizan una película de aluminio y plástico como carcasa exterior., típicamente con una estructura interna apilada. La película de aluminio y plástico está hecha de múltiples capas de materiales compuestos, incluido el nailon., lámina de aluminio, y polipropileno, haciéndolo liviano y rentable. En electrónica de consumo, Las celdas de bolsa vienen en varios tamaños y capacidades para cumplir con los diferentes requisitos del producto. – Por ejemplo, Las baterías de los teléfonos inteligentes suelen tener capacidades de 3-4 Ah., mientras que las baterías de portátiles pueden alcanzar entre 5 y 8 Ah. Actualmente, Las celdas de bolsa se utilizan principalmente en electrónica de consumo. (como teléfonos inteligentes, tabletas, y portátiles) y dispositivos electrónicos portátiles.
Ventajas de las células de bolsa
1. Gracias a su ligera carcasa de película de aluminio y plástico, Tienen alta densidad de energía gravimétrica. (energía por unidad de peso).
2. Las celdas tipo bolsa ofrecen una gran flexibilidad de diseño, permitiendo la personalización de tamaño y forma para diferentes aplicaciones.
3. La estructura interna apilada crea un estrecho contacto entre las capas conductoras., lo que resulta en una baja resistencia interna y un buen rendimiento de velocidad.
4. Durante la fuga térmica, Las células de la bolsa tienden a liberar la presión interna mediante hinchazón y deformación., en lugar de una falla explosiva violenta.
Desventajas de las células de bolsa
1. La carcasa de película de aluminio y plástico tiene una resistencia mecánica relativamente baja y es vulnerable a daños externos., Requiere componentes estructurales adicionales para protección..
2. Las celdas tipo bolsa requieren condiciones de fabricación altamente controladas, siendo particularmente sensible a la humedad. El proceso de sellado debe realizarse en un ambiente seco estrictamente controlado..
3. Se necesita cuidado especial durante el almacenamiento y transporte para evitar la exposición a la humedad y la presión física., lo que aumenta los costos logísticos.
4. Las celdas de bolsa suelen tener tasas de rendimiento de producción más bajas en comparación con las baterías de estuche rígido., lo que afecta de alguna manera su competitividad de costos.
¿Qué es el módulo de batería??
Después de introducir la unidad más pequeña – la celda de la batería – exploremos el siguiente nivel en un sistema de batería: el módulo de batería. Un módulo de batería es una unidad funcional formada mediante la conexión de varias celdas de batería en serie y en paralelo.. Incluye no solo las celdas de la batería, sino también conexiones eléctricas básicas y características de protección de seguridad.. Simplemente pon, si las celdas de las baterías son como bloques de construcción, entonces un módulo de batería es la unidad estructural básica hecha de estos bloques.
Los módulos de batería desempeñan un papel intermedio crucial en el sistema de batería general.. A través de conexiones en serie adecuadas, pueden aumentar el voltaje de una sola celda de batería (normalmente 3,2-3,7 V) a los niveles requeridos (como 48V o superior). Las conexiones paralelas aumentan la capacidad y las capacidades de salida de energía.. Más allá de mejorar el rendimiento eléctrico, El diseño del módulo de batería debe abordar múltiples desafíos técnicos, incluido el equilibrio de las celdas de la batería., control de temperatura, y soporte estructural.
Un conocimiento profundo de los módulos de batería es esencial para el diseño y la aplicación de todo el sistema de batería.. Si desea obtener más información sobre los módulos de batería, no dudes en leer nuestro artículo dedicado: ¿Qué es un módulo de batería??. Este artículo proporciona información más detallada sobre los módulos de batería..
Entendiendo tanto las celdas de batería como los módulos de batería, Hemos sentado las bases para explorar cómo funcionan los paquetes de baterías y sus características de diseño.. Un paquete de baterías integra múltiples módulos de batería para formar un sistema completo de almacenamiento de energía.. Sigamos aprendiendo sobre los paquetes de baterías..
¿Qué es la batería??
Un paquete de baterías es una unidad de almacenamiento de energía de nivel superior a un módulo de batería.. Se conectan varios módulos de batería en serie y en paralelo a través de sistemas de barras colectoras cuidadosamente diseñados para lograr los niveles de voltaje y capacidad requeridos.. Sin embargo, un paquete de baterías no es solo una simple combinación de módulos de baterías – es un sistema complejo. Un sistema completo de batería incluye principalmente: una serie de módulos de batería, un sistema de gestión de baterías (BMS), un sistema de gestión térmica (TMS), una unidad de distribución de alto voltaje, un sistema de soporte estructural, y varios sensores.
Las configuraciones del paquete de baterías varían significativamente según su aplicación.. En vehículos eléctricos, Los voltajes del paquete de baterías suelen oscilar entre 300 y 400 V. (con algunos modelos de alta gama que utilizan sistemas de 800 V), y las capacidades varían de 30kWh a 100kWh. Los vehículos eléctricos comerciales podrían requerir diseños de capacidad aún mayor. Mientras que en aplicaciones de almacenamiento de energía, El rango se extiende desde unos pocos kWh para el almacenamiento de energía en el hogar hasta cientos de MWh para el almacenamiento a nivel de red..
BMS
El sistema de gestión de baterías (BMS) actúa como el “cerebro” del paquete de baterías. Necesita monitorear y administrar varios parámetros operativos en tiempo real para garantizar el funcionamiento seguro y eficiente del sistema.. Un BMS completo normalmente incluye un controlador maestro y varios controladores esclavos., formar una estructura de gestión jerárquica. El controlador maestro se encarga de la gestión y la toma de decisiones a nivel del sistema., mientras que los controladores esclavos trabajan a nivel de módulo para recopilar datos más detallados.
La tarea principal de BMS es garantizar la seguridad del sistema de baterías.. Lo hace monitoreando el voltaje., actual, temperatura, y otros parámetros en tiempo real para verificar que la batería esté funcionando dentro de límites seguros. Si se detecta alguna anomalía, el BMS toma inmediatamente medidas de protección, como desconectar el circuito de alto voltaje o activar el sistema de refrigeración. Además, el BMS gestiona el control de precarga, acumular gradualmente alto voltaje a través de un circuito de precarga durante el inicio del sistema para evitar daños a los componentes debido a sobretensiones.
El equilibrio de las celdas de la batería es otra función crucial del BMS. Durante el funcionamiento del paquete de baterías, Las celdas de batería individuales pueden desarrollar diferencias de estado debido a variaciones de fabricación y diferentes condiciones de funcionamiento.. El BMS utiliza técnicas de equilibrio activo o pasivo para ajustar el estado de carga de las celdas de batería individuales., asegurando que sigan siendo consistentes. Esto es vital para maximizar la vida útil y el rendimiento de la batería..
La estimación precisa de la carga también es una tarea clave del BMS. A diferencia de los indicadores de combustible de los vehículos tradicionales, estimación del estado de carga (SOC) y la autonomía restante en los vehículos eléctricos es mucho más compleja. El BMS debe considerar múltiples factores, incluido el estado de la batería en tiempo real., datos históricos de uso, temperatura ambiente, y condiciones de conducción para construir modelos de estimación precisos. Simultáneamente, Evalúa el estado de salud de la batería. (SOL) y predice tendencias de degradación de la capacidad, Proporcionar información importante para los usuarios y el personal de mantenimiento..
Sistema de gestión térmica
El sistema de gestión térmica (TMS) Es crucial para garantizar el rendimiento y la seguridad del paquete de baterías.. Las baterías de litio generan una cantidad significativa de calor durante el funcionamiento., que si no se disipa rápidamente, no sólo puede afectar el rendimiento sino también generar problemas de seguridad. Las principales soluciones actuales de gestión térmica incluyen: sistemas de enfriamiento de aire, sistemas de refrigeración líquida, y sistemas de enfriamiento de materiales por cambio de fase. En vehículos eléctricos, Los sistemas de refrigeración líquida se están convirtiendo en la opción dominante debido a su excelente disipación de calor y eficiencia del espacio.. Para sistemas de almacenamiento de energía., Se pueden utilizar diferentes soluciones de refrigeración según los requisitos de capacidad y el entorno operativo.. Un sistema integral de gestión térmica debe considerar no sólo la refrigeración sino también la calefacción en ambientes fríos – Esto es esencial para mantener el rendimiento y la longevidad de carga/descarga de la batería..
Protección de seguridad
La protección de la seguridad es un factor crítico en el diseño del paquete de baterías. Los paquetes de baterías requieren múltiples mecanismos de protección de seguridad, incluido: seguridad electrica, protección térmica contra fugas, y seguridad estructural. Por seguridad eléctrica, el paquete debe estar equipado con dispositivos de desconexión de alto voltaje, vigilancia del aislamiento, y protección contra sobrecarga y sobredescarga. Para protección térmica contra fugas, el diseño debe incluir barreras de propagación térmica, sistemas de alerta, y dispositivos de alivio de presión. En cuanto a la seguridad estructural, la mochila debe estar diseñada para ser resistente al agua, protección contra el polvo, resistencia a las vibraciones, y protección contra accidentes. Particularmente en aplicaciones automotrices, Los paquetes de baterías deben cumplir estrictos estándares de seguridad en caso de choques..
Aplicaciones
Los paquetes de baterías tienen diferentes prioridades de diseño para diferentes aplicaciones..
En vehículos eléctricos, hacer coincidir el paquete de baterías con el sistema general del vehículo es un proceso complejo. Primero viene la integración mecánica – El paquete de baterías debe estar altamente integrado con la carrocería del vehículo., Satisfacer los requisitos de espacio y garantizar la resistencia estructural y la seguridad en caso de colisión.. Lo siguiente es la integración eléctrica., Requiere coordinación con los sistemas de carga y alto voltaje del vehículo.. Luego está la integración de la gestión térmica, que necesita trabajar con el sistema de aire acondicionado del vehículo para un control eficiente de la temperatura. Finalmente, Se deben considerar factores como la distribución del peso del vehículo y el control de costos.. Los vehículos eléctricos de pasajeros suelen utilizar un “monopatín” diseño, integrando la batería debajo del chasis – esto baja el centro de gravedad para un mejor manejo y maximiza la utilización del espacio del vehículo..
En aplicaciones de almacenamiento de energía., Las prioridades de diseño del paquete de baterías difieren de las aplicaciones de los vehículos eléctricos.. En comparación con el uso de vehículos eléctricos., Los paquetes de baterías de almacenamiento de energía se centran más en la escalabilidad del sistema., ciclo de vida, y rentabilidad, al mismo tiempo que tiene requisitos más relajados para la densidad de potencia y las restricciones de volumen. Las grandes estaciones de almacenamiento de energía suelen utilizar diseños basados en contenedores., Combinando orgánicamente múltiples sistemas de paquetes de baterías con sistemas independientes de protección contra incendios y control ambiental.. Además, Los paquetes de baterías de almacenamiento de energía requieren sistemas de gestión de energía especializados. (EMS) para optimizar las estrategias de carga/descarga, mejorar la economía del sistema, y reducir los costos operativos.
Diferencias entre celdas de batería, Módulo y paquete
La relación entre las celdas de la batería., módulos, y los paquetes no son solo un simple proceso de apilamiento, sino más bien el resultado de consideraciones integrales que incluyen el desempeño, seguridad, y factores de costo. Examinemos las diferencias y conexiones entre estos tres niveles desde diferentes perspectivas..
Funcional
Desde una perspectiva funcional, cada nivel tiene su propio enfoque. Como unidad básica, Las celdas de la batería funcionan principalmente para convertir energía electroquímica y eléctrica., almacenar y liberar energía a través de reacciones electroquímicas internas. Los módulos de batería sirven principalmente para combinar eficazmente celdas de batería., Proporcionar conexiones eléctricas básicas y soporte mecánico., al mismo tiempo que ofrece protección preliminar para las celdas de la batería. El paquete de baterías es un sistema completo que no solo almacena energía sino que también implementa funciones a nivel del sistema, incluida la gestión integral de la batería., gestión térmica, y protección de seguridad.
Actuación
En términos de características de rendimiento., Hay claras diferencias entre los tres niveles.. Las celdas de batería individuales normalmente funcionan a voltajes entre 3,2 y 3,7 V., con capacidades que van desde unos pocos hasta varios cientos de amperios-hora. Sus características de rendimiento determinan las capacidades centrales de todo el sistema de almacenamiento de energía.. Por ejemplo, La densidad de energía de una celda de batería afecta directamente el alcance del sistema., mientras que su capacidad de velocidad determina las velocidades de carga y descarga..
Los módulos de batería combinan múltiples celdas de batería en serie y en paralelo para lograr voltajes más altos y capacidades mayores.. Además, Los módulos de batería proporcionan soporte estructural para garantizar que las celdas de la batería estén alineadas correctamente y fijadas de forma segura.. Los módulos de batería también integran funciones básicas de detección de voltaje y monitoreo de temperatura.. Más importante aún, El diseño del módulo de batería debe considerar los requisitos de refrigeración., normalmente incorporan canales de refrigeración dedicados o placas de refrigeración. Todos estos elementos de diseño sientan las bases para la integración del sistema a nivel del paquete de baterías..
Los paquetes de baterías no solo contienen múltiples módulos de batería, sino que también integran sistemas completos de gestión térmica y BMS.. De este modo, su característica más distintiva es la integridad del sistema y su funcionalidad integral.
Debido al creciente número de componentes auxiliares en cada nivel, La densidad de energía disminuye gradualmente desde las celdas de la batería hasta los módulos de batería y los paquetes de baterías.. Tomando como ejemplo una batería NCM específica, La densidad de energía de la celda de la batería puede alcanzar los 260 Wh/kg., La densidad de energía del módulo de batería es de alrededor de 230 Wh/kg., mientras que la batería cae a aproximadamente 190Wh/kg.
Estructura de costos
También existen diferencias significativas en la estructura de costos.. En el costo total del paquete de baterías., Las celdas de batería representan la mayor parte en aproximadamente 50%, siendo los materiales del cátodo el principal componente del costo de las celdas de la batería. A nivel del módulo de batería, Los costos aumentan debido a los componentes estructurales y conectores.. El nivel del paquete de baterías agrega costos del sistema para BMS, gestión térmica, y protección estructural. Esta distribución de costos indica que reducir los costos de las celdas de la batería es clave para mejorar la economía de todo el sistema de almacenamiento de energía..
Vale la pena señalar que con los avances tecnológicos, la estructura tradicional de tres niveles continúa evolucionando. Por ejemplo, algunos fabricantes han introducido CTP (Celda a paquete) tecnología, que simplifica el tradicional “paquete de módulo celular” jerarquía yendo directamente de la celda al paquete. Si bien esta innovación trae mejoras en la densidad energética, También impone mayores exigencias a los procesos de diseño y fabricación..
En conclusión, es importante conocer el SOC y SOH de la batería. Para usuarios, Pueden comprender el estado de la batería y utilizarla y mantenerla mejor.. Para fabricantes, Pueden actualizar continuamente sus productos y tecnologías para producir baterías de mejor rendimiento..
