A medida que el mundo se vuelve más dependiente de la tecnología alimentada por baterías de iones de litio, aumenta la demanda de paquetes de baterías más eficientes y potentes. Las soluciones de diseño de módulos de baterías de iones de litio en serie paralela están atrayendo la atención de los ingenieros de baterías de litio y del Industria de diseño de paquetes de baterías para diversas aplicaciones.
¿Por qué cada vez más gerentes de productos prefieren diseñar paquetes de baterías en paralelo, en serie y en serie-paralelo?
En 2024, más personas optarán por diseños de paquetes de baterías de iones de litio en paralelo, en serie y en serie paralela por dos razones principales:
1) Las baterías con más de 100 vatios hora (Wh) no se pueden transportar a bordo de aviones, lo que hace que los paquetes de baterías en paralelo, en serie y en serie-paralelo sean más óptimos.
2) Los diseños de paquetes de baterías en paralelo, en serie y en serie-paralelo ofrecen un reemplazo conveniente, portabilidad y una configuración flexible para aplicaciones especiales, como equipos grandes para exteriores.
¿Qué son los paquetes de baterías de iones de litio en paralelo, en serie y en serie-paralelo?
1. Paquetes de baterías de iones de litio de la serie
Por otro lado, un diseño de paquete de baterías en serie conecta los paquetes de baterías de un extremo a otro para aumentar el voltaje de los paquetes de baterías. La principal ventaja del paquete de baterías recargables en serie es que tiene un voltaje más alto, mientras que la desventaja es que tiene una menor capacidad y corriente de descarga en comparación con los paquetes de baterías en paralelo.
El cuadro de puntos en la figura anterior representa el BMS, donde la resistencia R1 representa la impedancia del MOS. Cuando el MOS está activado, el MOS está en un estado de baja impedancia, suponiendo que R1 = 0.001 Ω; cuando el MOS no está encendido, el MOS está en un estado de alta impedancia, suponiendo que R1 = 1000 MΩ.
Tome 4 baterías de litio en serie como ejemplo. El diagrama esquemático después de la conexión en serie se simplifica de la siguiente manera.
Suponiendo que el voltaje de cada batería es de 4V. Si el BMS de las 4 baterías está en estado de conducción.
That is, R1=R2=R3=R4=0.001Ω;
El voltaje en cada resistencia es U1, U2, U3 y U4 respectivamente;
Then, U1=U2=U3=U4=4V.
Si el BMS de la primera de las 4 celdas está en un estado no conductor,
Es decir, R1=1000MΩ; R2=R3=R4=0.001Ω;
El voltaje en cada resistencia es U1, U2, U3 y U4 respectivamente;
Then, U1≈16V; U2=U3=U4≈0V.
Después del análisis anterior, se puede obtener la siguiente conclusión:
Después de conectar varias baterías LiPo en serie, si el BMS de una de las baterías LiPo activa algún tipo de protección y el MOS cambia a un estado de alta resistencia, los terminales MOS soportarán casi todo el voltaje de todo el circuito. En este caso, si el voltaje total excede el límite del MOS, entonces el MOS se quemará.
Por lo tanto, solo se permite conectar en serie baterías que están diseñadas para conectarse en serie, y el número de cadenas no debe exceder el valor de diseño.
2. Paquetes de baterías de iones de litio en paralelo
Un diseño de paquete de baterías en paralelo conecta celdas individuales en paralelo para aumentar su capacidad. La conexión de baterías en paralelo se utiliza comúnmente en aplicaciones que requieren una alta corriente de salida. Las ventajas de conectar baterías en paralelo incluyen la posibilidad de aumentar la capacidad y las corrientes de descarga. Sin embargo, este diseño requiere el desarrollo de tecnología significativa para el sistema de gestión de baterías (BMS).
Tomemos como ejemplo cuatro baterías de litio conectadas en paralelo; el diagrama esquemático simplificado es el siguiente: el voltaje de cada batería es U4, U1, U2, U3; la resistencia interna de cada batería es R4, R1, R2, R3.
Suponiendo R1 = R2 = R3 = R4 = 0.03 Ω
Idealmente, U1=U2=U3=U4, el circuito funciona normalmente;
Si U1>U2=U3=U4, entonces la batería 1 cargará las baterías 2, 3 y 4.
La corriente de carga se puede simplificar como:
Corriente de carga para baterías 2, 3, 4.
I2 = I3 = I4 = (U1 – U2) / (0.03 + 0.03/3) / 3
Suponiendo U1=12V, U2=U3=U4=9V, sustituyendo la fórmula anterior se obtiene:
I2=I3=I4=25A
Según el cálculo anterior se puede concluir:
1. Si la diferencia de presión es lo suficientemente pequeña cuando las baterías de litio están conectadas en paralelo, es posible.
2. Si la batería de litio se conecta en paralelo con una diferencia de presión relativamente grande, se generará una gran corriente instantánea que puede dañar la batería.
3. Paquetes de baterías de iones de litio en serie-paralelo
Un diseño de paquete de baterías en serie paralela combina las características de los paquetes de baterías en serie y en paralelo. Este tipo de paquete de baterías permite un mayor voltaje y capacidad, así como una mayor salida de corriente de descarga. La principal desventaja de la conexión de baterías en serie paralela es un mayor coste.
Sistemas de gestión de baterías (BMS) modulares o centrales: ¿cuál es mejor para el diseño de su paquete de baterías?
Al diseñar un sistema de gestión de baterías (BMS), los ingenieros deben asegurarse de que las celdas de la batería mantengan un buen equilibrio de ciclos y temperatura de funcionamiento. Las celdas de la batería deben mantener el mismo estado de carga (SOC) durante los ciclos de carga y descarga. En CM Batteries, nuestro CTO utiliza cálculos y simulaciones para diseñar sistemas que garanticen la seguridad del paquete de baterías y prolonguen los ciclos de vida y la confiabilidad de la batería.
CM Batteries ofrece las siguientes opciones de diseño BMS:
Como se muestra en la Figura 1, el BMS modular se divide en varios submódulos idénticos, y cada paquete incluye cables que conectan diferentes partes del panel para supervisar cada área específica de la batería. Un módulo BMS se asigna como "maestro", responsable de gestionar la programación de todo el paquete y de comunicarse con el exterior. El BMS "esclavo" se comunica con el BMS "maestro" a través del bus de comunicación, pero ambos comparten la misma función.
Ventajas:
- Miniaturización del BMS centralizado: presenta múltiples cascadas y la mayoría de las ventajas del BMS centralizado, incluido un mantenimiento sencillo, menor costo, etc.
- Tamaño de módulo único más pequeño: el submódulo del cable único de la batería es relativamente corto y se puede colocar más cerca de la batería para evitar problemas ocultos y errores causados por cables demasiado largos.
- Fácil de expandir: se pueden agregar más submódulos para lograr la expansión.
Desventajas:
- Requiere más cables que el BMS centralizado: un BMS modular no solo necesita conectarse al paquete de baterías, sino que cada módulo también debe conectarse entre los cables.
- Mayor costo: Aunque la función de cada módulo es la misma, no se utilizarán todas las funciones, lo que generará desperdicio, especialmente considerando que el módulo esclavo tiene poco uso.
Porque creemos que este diseño no es particularmente eficiente, CM Batteries ofrece una versión mejorada de este diseño de BMS, como se demuestra en la Figura 2.
En este diseño, separamos los módulos esclavos según las diferentes funciones del maestro y el esclavo y eliminamos las funciones que no utilizan los módulos esclavos para que podamos reducir los costos significativamente.
El BMS principal es responsable de relativamente más funciones, como cálculo, predicción, toma de decisiones, comunicación, etc. El módulo esclavo es responsable únicamente de la medición. Este diseño hereda la mayoría de las ventajas de la estructura modular, al tiempo que reduce el costo de expansión.
También hay disponible una solución de diseño BMS distribuido que presenta una alta confiabilidad de conexión, sin cables demasiado largos y una estrecha integración de la batería y los circuitos de medición para ayudar a reducir las interferencias y los errores. Este modelo es más seguro. Sin embargo, debido al alto costo y al proceso altamente complicado, no es el diseño elegido por muchos clientes.
Las opciones de diseño de paquetes de baterías en paralelo, en serie y en serie paralela se están volviendo cada vez más populares en las soluciones de paquetes de baterías, especialmente para aplicaciones de equipos para exteriores. Se espera que más personas elijan soluciones de paquetes de baterías en paralelo, en serie y en serie paralela a lo largo de 2024 debido a las limitaciones en la capacidad actual máxima de las baterías a bordo de los vuelos y la conveniencia y flexibilidad que ofrecen estos diseños. Cada modelo tiene sus ventajas y desventajas, y el diseño cuidadoso del sistema de gestión de baterías (BMS) es fundamental para garantizar el funcionamiento seguro, la confiabilidad y la vida útil prolongada de cada batería. Las soluciones de diseño modular de BMS pueden satisfacer diferentes requisitos y reducir costos, y los ingenieros en CM Batteries Estamos aquí para ayudarle a hacer precisamente eso.
