Proceso de diseño de paquetes de baterías personalizados: desde los requisitos hasta la producción en masa

El primer paso para conseguir un paquete de baterías personalizado exitoso es elegir celdas y conectarlas entre sí. El diseño debe tener en cuenta el voltaje, la capacidad, la corriente de descarga, el espacio, el tipo de carga, la temperatura de trabajo, la comunicación, la protección, la certificación y la uniformidad de la producción.

El proceso de diseño de paquetes de baterías personalizados en GLOFLUX es un proceso de ingeniería bien definido. La revisión de los requisitos del dispositivo, la validación de prototipos y la producción en masa contribuyen a la reducción de riesgos técnicos y a una mejora en la compatibilidad de baterías.

Paso 1: Recopilar los requisitos del producto

El primer paso es saber cómo se usará la batería. Es importante que el cliente proporcione tanta información técnica como sea posible, tales como:

• Voltaje nominal
• Capacidad o tiempo de funcionamiento requeridos
• Corriente de trabajo continua
• Corriente máxima o pico
• Dimensiones del compartimento de la batería
• Voltaje y corriente de carga
• Temperatura de funcionamiento
• Tipo de conector y longitud de cable
• Requisitos de comunicación
• Vida útil esperada del ciclo
• Certificación Target
• Cantidad estimada del pedido

Cuando no se pueden proporcionar todas las especificaciones, el cliente puede enviar planos de los dispositivos, una batería de muestra, un prototipo del producto o parámetros eléctricos del mismo. Los ingenieros de baterías pueden entonces considerar las necesidades y sugerir una solución inicial sensata.

Paso 2: Selecciona la química de la batería

Diferentes químicas de baterías proporcionan distintas combinaciones de densidad energética, vida útil, capacidad de descarga, dimensiones y rendimiento a temperatura.

Baterías de iones de litio

Las celdas cilíndricas (por ejemplo, 18650 o 21700) se eligen típicamente para equipos industriales, robots, electrónica portátil, sistemas de iluminación y otras aplicaciones que requieren una producción constante y capacidades flexibles.

Baterías de polímero de litio

La pila de la bolsa li pol es ligera y puede estar disponible en varios tamaños. Están diseñados para aplicaciones portátiles inteligentes, dispositivos médicos, altavoces Bluetooth, productos de belleza y pequeños aparatos electrónicos con espacio interno mínimo.

Baterías LiFePO4

Las baterías LiFePO4 se eligen frecuentemente por su vida útil, estabilidad térmica y fiabilidad a largo plazo, lo que las hace adecuadas para aplicaciones donde estas características son cruciales. El uso común se encuentra en robots, almacenamiento e iluminación de energía solar, y equipos industriales.

La química final debe seleccionarse según la aplicación real y no solo la capacidad.

Paso 3: Determinar la configuración en serie y en paralelo

Una vez elegida la celda, el ingeniero calcula las combinaciones en serie y paralelo para obtener el voltaje y la capacidad deseados.

La conexión en serie aumenta el voltaje de la batería, y la conexión en paralelo incrementa la capacidad y la corriente disponible. La configuración 3S puede, por ejemplo, usarse para un diseño que logre una tensión y más en paralelo para aumentar el tiempo de ejecución.

En esta etapa, los ingenieros también consideran:

• Tensión máxima de carga
• Tensión de corte de descarga
• Corriente de descarga continua
• Duración máxima de carga
• Aumento de la temperatura de la celda
• Espacio disponible para la instalación
• Peso de la mochila
• Margen de seguridad requerido

La configuración debe permitir un funcionamiento normal así como operaciones temporales de alta potencia al arrancar, comunicarse inalámbricamente, mover el motor, etc.

Paso 4: Diseña el BMS y el circuito de protección

El sistema de gestión de baterías protege las celdas y controla funciones eléctricas importantes. Un BMS estándar puede proporcionar:

• Protección contra sobrecargas
• Protección contra sobredescarga
• Protección contra sobrecorrientes
• Protección contra cortocircuitos
• Protección térmica
• Balanceo de celdas

También se requiere el indicador de combustible y el almacenamiento/comunicación de datos con el dispositivo anfitrión para paquetes de baterías más avanzados. La comunicación puede ser UART, SMBus, I²C, CAN o RS485.

Los límites de protección deben ser los mismos que los seleccionados y las propiedades operativas del dispositivo. El nivel de protección, si se ajusta demasiado bajo, puede hacer que la batería se apague durante el pico de demanda. Las celdas pueden no obtener la protección deseada si la configuración es incorrecta.

Paso 5: Completar el diseño mecánico

La disposición de las celdas, BMS, cables, conectores y materiales aislantes en el paquete depende de la estructura mecánica.

La personalización mecánica puede incluir:

• Disposición de celdas
• Embalaje termorretráctil
• Caja de plástico
• Carcasa metálica
• Soporte de batería
• Posición del conector
• Longitud del alambre y ancho
• Puertos de carga y descarga
• Puntos de montaje
• Sellos y marca

Además, al diseñar una batería, los ingenieros deben tener en cuenta la vibración, el impacto, la disipación de calor, la tolerancia de montaje y los métodos de instalación/sustitución de baterías.

Un modelo 3D del compartimento de la batería puede ser útil para dispositivos compactos que ayuden a evitar posibles interferencias con componentes internos. La carcasa de la batería reemplazable, el dispositivo de bloqueo y los contactos eléctricos deberían facilitar la instalación y retirada repetida de baterías reemplazables.

Paso 6: Revisa los requisitos de seguridad y cumplimiento

La planificación del diseño para la certificación debe comenzar antes de que el diseño final sea "congelado". Los requisitos aplicables dependen de la química de la batería, configuración, categoría de producto, método de transporte y mercado de destino.

En un proyecto puede estar involucrada documentación y/o pruebas para UN38.3, IEC 62133, UL, CE, RoHS, MSDS u otros requisitos específicos de producto.

Se aconseja a los clientes que especifiquen las aplicaciones de sus mercados objetivo con antelación, ya que cambiar la célula, el BMS y la estructura mecánica tras las pruebas requerirá una evaluación adicional. Por tanto, el fabricante y el equipo de certificación de productos deberían coordinarse antes de iniciar la fabricación de herramientas y la producción en masa.

Paso 7: Producir y probar prototipos

Una vez aprobadas las especificaciones y los planos, se producen prototipos de baterías conjuntas. Las muestras permiten a los clientes verificar si la batería se ajusta al dispositivo y funciona correctamente en condiciones de funcionamiento realistas.

La evaluación de prototipos suele incluir:

• Ajuste físico e instalación
• Compatibilidad de carga
• Arranque del dispositivo
• Duración
• Descarga continua y máxima
• Polaridad del conector
• Comunicación
• Aumento de temperatura
• Funciones de protección
• Estabilidad mecánica

Se recomienda que el cliente realice una prueba en la batería dentro del producto si es posible. Una batería que funciona perfectamente en un banco de pruebas puede fallar bajo carga real, cuando se usan motores, elementos calefactores, módulos inalámbricos y otras cargas que fluctúan.

Paso 8: Optimiza el diseño

Las pruebas de prototipos pueden ofrecer oportunidades para mejorar la batería. La capacidad y la configuración de las celdas pueden ajustarse, así como los ajustes del BMS; el diseño de los cables, el diseño del conector, el diseño de la carcasa o de la estructura de aislamiento pueden ser ajustados por los ingenieros.

Los cambios en el diseño deben registrarse y verificarse antes de la producción piloto. Al mantener la especificación bajo control, los equipos de compras, ingeniería y producción y calidad pueden trabajar todos a partir de una copia aprobada de la especificación.

Paso 9: Realizar la producción del piloto

La producción piloto verifica si la batería puede fabricarse de forma consistente utilizando los materiales, equipos y procedimientos de montaje previstos.

Durante esta etapa, el fabricante revisa:

• Compatibilidad celular
• Consistencia de soldadura
• Ensamblaje BMS
• Colocación del aislamiento
• Cableado y conjunto de conectores
• Ajuste de la carcasa
• Procedimientos de prueba
• Récords de producción
• Métodos de envasado

Cualquier problema de ensamblaje detectado durante la producción del piloto debe corregirse antes de que se emita un pedido mayor.

Paso 10: Comenzar la producción en masa y el control de calidad

Una vez superado su lote piloto, la batería entra en producción en masa. La inspección de materiales entrantes, las revisiones en proceso, las pruebas eléctricas, el envejecimiento y la inspección de aspecto final son ejemplos de control de calidad.

En proyectos personalizados, es especialmente crucial contar con trazabilidad. El registro de producción debe contener la celda aprobada, la versión BMS, el conector, la especificación del cable, la carcasa y otros materiales críticos.

GLOFLUX ofrece soporte a los clientes desde el inicio de la necesidad de la batería, la selección de celdas, la integración con BMS y el diseño y creación de la carcasa y el prototipo hasta la producción. Un proceso estructurado para desarrollar un concepto de aplicación en una solución de baterías para fabricación repetible.

Conclusión

El proceso de diseño del paquete de baterías personalizado reúne los aspectos de ingeniería eléctrica, estructura mecánica, protección de seguridad, planificación de cumplimiento y control de fabricación. Cualquiera de estos pasos puede resultar en un tiempo de funcionamiento inadecuado, apagados no programados, aumentos excesivos de temperatura, problemas de instalación o retrasos en la producción.

Si un cliente OEM contrata a un fabricante de baterías con conocimientos desde el principio, puede identificar los riesgos técnicos antes de finalizar el diseño del dispositivo y desarrollar un paquete de baterías optimizado según las necesidades del dispositivo, el mercado y la fabricación.

Preguntas frecuentes

1. Para diseñar un paquete de baterías personalizado, ¿qué información se requiere?

Los parámetros principales son voltaje, capacidad, corriente de trabajo, corriente de pico, tamaño y forma, conector, método de carga, rango de temperatura y cantidad estimada de pedido.

2. ¿Cuánto tiempo tarda en desarrollar una batería personalizada?

El calendario depende de la disponibilidad de celdas, la complejidad del BMS, las herramientas de la carcasa, la cantidad de prototipos, las pruebas y los planes de certificación.

3. ¿Se puede rediseñar un paquete de baterías existente?

Sí. Los clientes pueden enviar los detalles y/o especificaciones originales de la batería y/o del dispositivo para pruebas de compatibilidad y posibles mejoras de rendimiento.

4. ¿Puede GLOFLUX personalizar el BMS y el protocolo de comunicación?

Es posible evaluar los parámetros de protección del BMS y las funciones de comunicación basándose en la aplicación – UART, SMBus, CAN, RS485, etc.

5. ¿Debería considerarse la certificación antes de prototipar?

Sí. Los mercados objetivo y los requisitos de certificación deben identificarse en una fase temprana, ya que la selección de celdas, la configuración del paquete y los cambios estructurales pueden afectar a las pruebas.