¿Qué es el almacenamiento de energía basado en baterías y su análisis?
Descripción general del paquete de baterías de almacenamiento de energía
Un paquete de baterías de almacenamiento de energía, también conocido como módulo de batería o paquete de baterías, consta de múltiples celdas individuales conectadas en serie y/o en paralelo, integradas con un sistema de administración de baterías (BMS) y características de protección para formar una unidad de almacenamiento de energía recargable e independiente.
En el sector de las energías renovables, como la solar y la eólica, debido a la intermitencia de la generación eléctrica, se requieren baterías de almacenamiento para almacenar el exceso de electricidad y liberarla cuando sea necesario, garantizando así un suministro eléctrico estable. Con el rápido crecimiento de las energías renovables, la demanda de baterías de almacenamiento sigue en aumento. Por ejemplo, en grandes centrales solares, una batería puede almacenar varios megavatios-hora de electricidad para mantener la estabilidad de la red.
En la industria de los vehículos eléctricos (VE), los paquetes de almacenamiento de energía (PACKS) son la principal fuente de energía, determinando la autonomía y el rendimiento del vehículo. Las baterías de iones de litio son actualmente la principal opción como fuente de energía para VE debido a su alta densidad energética y larga vida útil. Los PACKS de baterías para VE de alta gama pueden superar los 100 kWh, lo que permite una autonomía de más de 500 km.
En resumen, los paquetes de baterías de almacenamiento de energía desempeñan un papel crucial en los sistemas de energía renovable y los vehículos eléctricos. Mejoran la eficiencia energética, reducen la dependencia de los combustibles fósiles y contribuyen activamente al desarrollo sostenible.
1. Consideraciones de diseño y análisis de casos
1.1 Consideraciones clave de diseño
1.1.1 Diseño a prueba de explosiones con respiraderos de PUW para un alivio rápido de la presión
Cuando los paquetes de baterías de litio experimentan una fuga térmica, la presión interna aumenta bruscamente, lo que supone un riesgo de explosión. Los respiraderos antideflagrantes de PUW proporcionan una rápida liberación de presión para evitar daños catastróficos. En numerosos proyectos de almacenamiento de energía, los paquetes equipados con respiraderos de PUW evitaron con éxito explosiones durante incidentes de fuga térmica, garantizando así la seguridad del personal y los equipos.
1.1.2 Mantener el equilibrio de presión interna y externa para garantizar la confiabilidad
Las fluctuaciones de temperatura durante los ciclos de carga/descarga provocan cambios de presión dentro del PACK. Las válvulas PUW proporcionan ventilación, evitando la entrada de agua y manteniendo la presión interna igual a la presión ambiental. Los PACKs diseñados con esta característica presentan una menor degradación del rendimiento y una mayor estabilidad a largo plazo.
1.1.3 Diseño de un sistema de gestión de baterías que garantice la protección contra sobrecargas y sobredescargas
Un BMS bien diseñado es esencial para la seguridad, la monitorización y la optimización del rendimiento. Controla la sobrecarga, la sobredescarga, la sobretemperatura, la precisión de las mediciones y el balanceo de celdas. Los diseños avanzados de BMS permiten gestionar con precisión los procedimientos de carga y descarga, minimizando los riesgos.
1.1.4 Diseño mecánico que aborda la resistencia, la resistencia a la vibración y la gestión térmica
Las consideraciones mecánicas clave incluyen la resistencia, la resistencia a las vibraciones, el calentamiento/refrigeración, la impermeabilidad y la resistencia al polvo. El uso de materiales de alta resistencia y estructuras optimizadas garantiza la durabilidad bajo fuerzas externas, mientras que una mejor disipación del calor prolonga la vida útil y el rendimiento de la batería.
1.1.5 Diseño impermeable y antivibración para evitar daños estructurales internos
Las celdas de litio sumergidas en líquido pueden cortocircuitarse, lo que provoca descargas continuas y daños internos. Los diseños de PACK deben garantizar una impermeabilidad (clasificación IP) y una resistencia a las vibraciones adecuadas, especialmente en entornos hostiles como zonas sísmicas o instalaciones al aire libre.
1.1.6 Gestión de la temperatura para optimizar el rendimiento y la longevidad
La temperatura es un factor determinante en la estructura y el rendimiento del PACK. El calor excesivo afecta la resistencia interna, el voltaje, el estado de carga (SOC), la capacidad disponible, la eficiencia y la vida útil. Una gestión térmica eficaz, como la refrigeración por aire o por líquido, ayuda a mantener temperaturas de funcionamiento óptimas.
1.1.7 Selección de materiales que garanticen el aislamiento de alto voltaje y la resistencia estructural
El aislamiento y la resistencia mecánica son fundamentales. Los materiales de nailon reforzados con un 5%–45% de fibra de vidrio proporcionan mayor resistencia a la tracción y a las vibraciones, garantizando un funcionamiento seguro a alta tensión y fiabilidad estructural.
1.2 Estudios de caso
1.2.1 Diseño de placas de refrigeración líquida: características y selección
Las placas de refrigeración líquida son esenciales para la gestión térmica. Los diferentes tipos ofrecen una buena relación calidad-precio. Las aplicaciones de alto rendimiento pueden optar por placas de refrigeración premium, mientras que las aplicaciones con presupuestos ajustados pueden optar por soluciones más sencillas.
1.2.2 Análisis del diseño del módulo de almacenamiento de energía y PACK de LG
Los diseños de LG distinguen claramente entre celdas de energía y celdas de potencia. Estructuralmente, LG utiliza pequeños módulos estandarizados apilados en módulos más grandes, lo que ofrece flexibilidad y escalabilidad para diferentes sistemas de almacenamiento de energía.
1.2.3 Simulación e investigación experimental sobre el diseño térmico de PACK
La investigación avanzada combina la simulación térmica con experimentos físicos para optimizar el diseño térmico de PACK. Los enfoques de optimización multiobjetivo consideran la seguridad, el rendimiento y el coste, logrando una mayor uniformidad térmica y fiabilidad del sistema.
2. Componentes y parámetros técnicos
2.1 Componentes principales
2.1.1 Celdas individuales: unidades de almacenamiento de energía
Los tipos de celdas más comunes incluyen las de iones de litio, plomo-ácido y níquel-hidruro metálico. Las de iones de litio predominan debido a su alta densidad energética y larga vida útil. Las de plomo-ácido siguen siendo viables para aplicaciones de bajo costo. Las de NiMH se valoran en ciertos segmentos sensibles a la seguridad.
2.1.2
Sistema de gestión de baterías (BMS)
—vigilancia y protección
El BMS monitoriza el voltaje, la corriente y la temperatura, controla la carga/descarga, previene la sobrecarga y proporciona equilibrio. También permite la monitorización remota y la comunicación con sistemas externos.
2.1.3 Sistema de gestión térmica: mantenimiento de una temperatura óptima
Los sistemas térmicos (refrigeración por aire, refrigeración líquida) mantienen la uniformidad de la temperatura del PACK. La refrigeración líquida se prefiere en sistemas de almacenamiento de energía de alta potencia debido a su mayor eficiencia de refrigeración. Un requisito típico es una diferencia de temperatura ≤5 °C.
2.1.4 Sistema eléctrico: transmisión y distribución de energía
El arnés eléctrico incluye cableado de alto y bajo voltaje. Los cables de alto voltaje actúan como las arterias del PACK, mientras que los arneses de bajo voltaje actúan como el sistema nervioso, transmitiendo señales y comandos de control.
2.1.5 Cerramiento y marco estructural: protección y soporte
La carcasa protege los componentes contra impactos mecánicos, vibraciones, agua y polvo. El marco interno garantiza la integridad estructural y posiciona todos los componentes de forma segura.
2.2 Parámetros técnicos
2.2.1 Capacidad: medida de la energía almacenada
Se mide en Ah o kWh. Una mayor capacidad significa más energía almacenada. Por ejemplo, un paquete de 100 kWh puede abastecer una vivienda durante varios días.
2.2.2 Densidad energética: indicador de rendimiento
Una mayor densidad energética se traduce en un mayor rendimiento y un menor peso/volumen. Las celdas de iones de litio de alta calidad superan los 200 Wh/kg.
2.2.3 Eficiencia de carga/descarga: eficiencia de conversión de energía
Los paquetes de litio suelen alcanzar una eficiencia superior al 90 %. Una mayor eficiencia reduce las pérdidas de energía y los costos operativos.
2.2.4 Ciclo de vida: longevidad del servicio
Los paquetes de litio de primer nivel ofrecen miles a decenas de miles de ciclos según la química y la aplicación.
2.2.5 Seguridad: protección y gestión térmica
La seguridad incluye protección contra sobrecargas, sobredescargas, cortocircuitos y mitigación de fugas térmicas. Algunos PACKs incluyen sistemas de extinción de incendios, como los agentes extintores FK-6.
3. Proceso de diseño y métodos analíticos
3.1 Proceso de diseño
3.1.1 Selección y clasificación de células
Las celdas deben probarse y clasificarse para garantizar la consistencia en capacidad, resistencia interna y voltaje. Según las estadísticas, al probar y clasificar un gran número de celdas de batería, se puede garantizar una consistencia de rendimiento y calidad superior al 98 %. Una vez que la capacidad de la batería se clasifica por
máquina clasificadora de celdas de iones de litio
y el voltaje y la resistencia interna de la batería se clasifican por
máquina clasificadora de celdas de litio
Las celdas de la batería se pueden clasificar y almacenar según diferentes niveles de rendimiento, preparándolas para el trabajo de ensamblaje posterior.
3.1.2 Montaje y conexión de celdas
Las celdas se conectan mediante métodos de soldadura o compresión. La soldadura láser se utiliza ampliamente por su precisión, su pequeña zona afectada por el calor, su baja resistencia y su idoneidad para la soldadura de múltiples materiales.
3.1.3 Integración de BMS
La integración del BMS garantiza la monitorización, la comunicación, el equilibrado y la protección. Una calibración y pruebas adecuadas son esenciales para la fiabilidad del PACK.
3.1.4 Sellado del recinto y consideraciones térmicas
Las carcasas, generalmente de aleación de aluminio, requieren buena resistencia mecánica, disipación térmica y protección ambiental. Un montaje adecuado evita las vibraciones y garantiza un funcionamiento estable.
3.1.5 Pruebas del sistema y control de calidad
Las pruebas incluyen rendimiento, capacidad, ciclo de vida y seguridad (sobrecarga, cortocircuito e impacto). Las rigurosas pruebas garantizan el cumplimiento de las especificaciones de diseño.
3.2 Métodos analíticos
3.2.1 Comprensión de la definición de PACK
Un PACK se forma conectando múltiples celdas en serie/paralelo e integrando sistemas mecánicos, térmicos y eléctricos. Las tecnologías clave incluyen el diseño de la estructura, el proceso de soldadura, el grado de protección y la refrigeración activa.
3.2.2 Comprensión de los componentes de PACK
Los componentes incluyen módulos celulares, sistemas eléctricos, gestión térmica, carcasa y BMS, cada uno de los cuales realiza funciones esenciales análogas al corazón, los nervios, el esqueleto y el cerebro humanos.
3.2.3 Comprensión de las características y requisitos de diseño del PACK
Los PACKs requieren una alta consistencia de celda, una correspondencia adecuada de voltaje y capacidad, una carga equilibrada y un monitoreo de la corriente, el voltaje y la temperatura.
3.2.4 Configuración del PAQUETE y métodos de fabricación
La conexión en serie aumenta el voltaje y la conexión en paralelo aumenta la capacidad. Los métodos de soldadura más comunes incluyen la soldadura láser, la soldadura ultrasónica, la soldadura por pulsos y el contacto metálico elástico. Modelos como el 1P24S representan 24 celdas en serie y una en paralelo.
3.2.5 Comprensión de las especificaciones de rendimiento de PACK
Voltaje nominal = voltaje de celda × número de series.
Energía nominal = capacidad × voltaje.
El ciclo de vida y la eficiencia determinan el rendimiento a largo plazo.
Las características de seguridad incluyen protecciones y gestión térmica.
En medio de la transición global hacia las energías limpias, las baterías de almacenamiento de energía se han convertido en un pilar fundamental para construir los sistemas energéticos del futuro. Con la rápida expansión de la capacidad de energía renovable y la creciente popularidad de los vehículos eléctricos, la demanda de soluciones de almacenamiento de energía está en auge. Las aplicaciones se están diversificando rápidamente, desde la reducción de picos de demanda para empresas y hogares hasta la regulación de la frecuencia de la red y la energía de respaldo, lo que hace que las perspectivas para este sector sean excepcionalmente prometedoras.
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