Causas y estrategias de prevención de los fallos de las baterías de litio

Escrito por :

Mari

1.¿Qué es el fallo de una batería de litio?

Batería de litio Por fallo se entiende la situación en la que las baterías de iones de litio son incapaces de mantener el rendimiento previsto en su diseño o de alcanzar la vida útil esperada debido a diversas razones. Estos fallos pueden manifestarse como una disminución de la capacidad, un aumento de la resistencia interna, una velocidad de carga más lenta, una vida útil más corta, una consistencia deficiente, autodescarga y riesgos de seguridad como fugas térmicas, hinchazón, fugas de electrolito, placas de litio, cortocircuitos y deformación por expansión.

2.Razones por las que falla la batería de litio

(1) Recuento de ciclos de carga

La vida útil de las baterías de iones de litio está relacionada con el número de ciclos de carga. Después de un cierto número de ciclos, la capacidad de la batería disminuirá, provocando su fallo.

(2) Sobrecarga y sobredescarga

Los periodos prolongados de sobrecarga o sobredescarga pueden provocar cambios químicos en el interior de la batería, reduciendo su rendimiento.

(3) Entorno de alta temperatura

Altas temperaturas aceleran las reacciones químicas dentro de la batería, lo que provoca su envejecimiento y la degradación de su rendimiento.

(4) Daños físicos

Los daños físicos a la batería, como impactos o compresión, pueden causar cortocircuitos o daños internos, provocando averías.

3.Mecanismos de fallo de las baterías de litio

(1) Migración de iones de litio

Durante los ciclos de carga y descarga, los iones de litio migran entre los electrodos positivo y negativo, provocando cambios estructurales en los materiales de los electrodos y reduciendo el rendimiento de la batería.

(2) Degradación del electrolito

La degradación del electrolito provoca reacciones químicas inestables dentro de la batería, lo que afecta a su vida útil.

(3) Formación de la interfaz electrolítica sólida (película SEI)

Durante los ciclos de carga y descarga, se forma una interfaz de electrolito sólido en las baterías de iones de litio. A medida que aumenta el número de ciclos, la formación continua de esta interfaz incrementa la resistencia, reduciendo el rendimiento de la batería.

4.Modos de fallo de las pilas de litio

Los modos de fallo de los sistemas de baterías incluyen principalmente el deterioro de la capacidad, el aumento de la resistencia interna y la polarización. En función de la estructura y composición del sistema de baterías, pueden distinguirse tres niveles diferentes de modos de fallo: modo de fallo de la célula, modo de fallo del sistema de gestión de baterías (BMS) y modo de fallo de integración del sistema de baterías.

A. Modo de fallo de la célula

Los modos de fallo de las células pueden dividirse en modos de fallo de seguridad y modos de fallo que no son de seguridad. Los modos de fallo de seguridad de las células incluyen principalmente:

(1) Cortocircuito interno de las células

Los defectos durante la producción de las células o las vibraciones y fuerzas externas a largo plazo pueden provocar la deformación de las células y, a la larga, provocar cortocircuitos internos. Una vez que se produce un cortocircuito interno grave, no se puede controlar, las medidas de protección externas son ineficaces y se producirá inevitablemente humo o combustión.

(2) Fuga de la unidad celular

Los daños externos, las colisiones, una instalación incorrecta que provoque daños en la estructura de sellado, los defectos de soldadura, un pegamento de sellado insuficiente, etc., pueden provocar fugas en las celdas. Después de que se produzcan fugas en la célula, falla el aislamiento de toda la batería y, cuando hay varios puntos de fallo de aislamiento, se produce un cortocircuito externo.

(3) Revestimiento de litio en el electrodo negativo de la pila

El uso inadecuado de la batería, la sobrecarga, la carga a baja temperatura y la carga a alta corriente pueden provocar la formación de una capa de litio en el electrodo negativo de la batería. Cuando el litio se deposita en el electrodo negativo, el metal de litio no puede reducirse, lo que provoca un deterioro irreversible de la capacidad. Cuando el recubrimiento de litio alcanza cierta gravedad, se forman dendritas de litio que perforan el diafragma y provocan un cortocircuito interno. Por lo tanto, debe prohibirse estrictamente la carga a bajas temperaturas cuando se utilicen baterías de iones de litio.

(4) Expansión e hinchazón de la célula

Hay muchas razones para que se produzca el hinchamiento, como el gas generado por reacciones secundarias en el interior de la pila, que puede hacer que ésta se hinche. El problema del hinchamiento puede controlarse controlando estrictamente el contenido de humedad durante el proceso de producción de las pilas. Una vez que la pila se hincha, pueden producirse fugas y otros problemas.

El riesgo de fallo de seguridad de las células es relativamente alto. Por el contrario, los fallos no relacionados con la seguridad sólo causan problemas de rendimiento, como una escasa constancia de la temperatura, una autodescarga excesiva, una reducción de la capacidad de descarga a baja temperatura y un deterioro de la capacidad.

B. Modo de fallo del BMS

(1) Fallo en la detección de tensión del BMS que provoca una sobrecarga o sobredescarga de la batería.

Una mala conexión o un mal contacto durante la conexión o la presión provocan el fallo de la línea de detección de tensión, y el BMS no dispone de información sobre la tensión, por lo que la carga no se detiene cuando debería. La sobrecarga de la batería puede provocar incendios y explosiones. La mayoría de las baterías de litio hierro fosfato sólo echan humo cuando se sobrecargan por encima de 5V, pero cuando las baterías de litio cobalto se sobrecargan, pueden producirse explosiones.

Además, la sobrecarga puede provocar fácilmente la descomposición del electrolito de las baterías de iones de litio, con la consiguiente hinchazón de la batería. En casos graves, puede producirse humo e incendio. La descarga excesiva de la batería puede causar daños en la estructura molecular del material del electrodo positivo de la batería, impidiendo así su recarga. Al mismo tiempo, una tensión excesivamente baja de la batería provoca la descomposición del electrolito y su secado, lo que da lugar a la galvanoplastia del litio y a cortocircuitos internos de la batería. Al diseñar el sistema, deben seleccionarse líneas de adquisición de tensión fiables, y debe llevarse a cabo un control estricto durante la producción para evitar el fallo de la línea de adquisición de tensión.

(2) Fallo en la detección de corriente BMS

El fallo del sensor Hall provoca que el BMS no pueda recoger corriente y no se pueda calcular el SOC, lo que provoca grandes desviaciones. El fallo de la detección de corriente puede provocar una corriente de carga excesiva. Una gran corriente de carga provocará un gran calentamiento interno de la batería, y la temperatura superará una cierta temperatura, lo que hará que el diafragma se solidifique y reduzca la capacidad, afectando gravemente a la vida útil de la batería.

(3) Fallo en la detección de temperatura del BMS

El fallo en la detección de la temperatura conduce a una temperatura de trabajo excesivamente alta de la batería, se producen reacciones irreversibles en la batería, lo que tiene un gran impacto en la capacidad de la batería y la resistencia interna. La vida útil de la célula está directamente relacionada con la temperatura. El número de ciclos a 45°C es la mitad que a 25°C. Además, una temperatura elevada puede provocar fácilmente el hinchamiento de la batería, fugas, explosiones, etc. Por lo tanto, la temperatura de la batería debe controlarse estrictamente entre 20 y 45°C durante su uso, lo que no sólo puede mejorar eficazmente la vida útil y la fiabilidad de la batería, sino también evitar eficazmente el cortocircuito causado por el revestimiento de litio durante la carga a baja temperatura de la batería y el desbordamiento térmico a alta temperatura.

(4) Fallo de control del aislamiento

El fallo de aislamiento se produce cuando el sistema de baterías de alimentación se deforma o tiene fugas. Si no es detectado por el BMS, puede causar descargas eléctricas al personal. Por lo tanto, los requisitos para los sensores supervisados por el sistema BMS deben ser los más altos, y evitar el fallo del sistema de supervisión puede mejorar en gran medida la seguridad de la batería de potencia.

(5) Fallo de comunicación de compatibilidad electromagnética

Para el sistema BMS, la compatibilidad electromagnética comprueba principalmente su capacidad para resistir interferencias electromagnéticas. Las interferencias electromagnéticas provocan fallos en la comunicación del sistema de gestión de edificios y, por tanto, los problemas mencionados.

(6) Gran desviación en la estimación del SOC

En la actualidad, suele haber una desviación en el SOC. La norma general de inspección exige una desviación inferior a 5%. La mayoría de los SOC de los fabricantes serán difíciles de alcanzar debido a la complejidad del entorno de uso, y el error del SOC de uso real será cada vez mayor.

C. Modo de fallo de integración del sistema Pack

(1) Fallo de la barra colectora

Si está atornillada, en el proceso de uso posterior, la oxidación y la caída del tornillo o las vibraciones harán que el tornillo se afloje, lo que provocará una gran cantidad de calor en la conexión del conductor y, en casos extremos, hará que la batería de alimentación se incendie.

(2) Avería del conector del circuito principal del sistema de batería de alimentación

La línea de alta tensión del sistema de batería de alimentación se conecta al sistema externo de alta tensión a través de un conector. El rendimiento del conector no es fiable, y la conexión virtual se produce bajo vibración, lo que provoca la ablación por alta temperatura del conector. Generalmente, la temperatura del conector supera los 90 grados y se produce un fallo en la conexión. Por lo tanto, en el diseño del sistema, el conector debe estar equipado con una función de enclavamiento de alto voltaje, o se debe añadir un sensor de temperatura al conector para controlar la temperatura del conector en todo momento para evitar el fallo del conector.

(3) Adherencia de contactores de alta tensión

El contactor tiene un cierto número de interruptores de carga, la mayoría de los cuales se atascarán cuando el contactor se cierre bajo una gran corriente. En el diseño del sistema, generalmente se utiliza un esquema de doble relé para cerrar el control en secuencia para evitar el atasco de los contactores de alta tensión.

(4) Fallo de la protección de sobreintensidad del fusible

La selección y adecuación de los fusibles en los componentes del sistema de alta tensión deben considerarse de forma exhaustiva. Las vibraciones o las colisiones externas y los apretones provocan la deformación de la batería de potencia, el fallo del sellado y la reducción del nivel de IP. Por lo tanto, en el diseño del sistema, debe prestarse atención a la protección contra colisiones de la estructura de la caja de la batería.

5.Métodos de prevención y tratamiento de los fallos de las baterías de litio

(1) Carga y descarga correctas

Evite la sobrecarga y la sobredescarga, adopte estrategias de carga y descarga adecuadas para retrasar el envejecimiento de la batería.

(2) Control de temperatura

Evite exponer la batería a altas temperaturas para ralentizar su envejecimiento.

(3) Uso del sistema de gestión de baterías (BMS)

El BMS puede controlar el estado de la batería, detectar problemas con antelación y tomar medidas para protegerla de sobrecargas, sobredescargas y otros efectos.

(4) Uso del sistema de gestión de baterías