Sistema de formación y clasificación de baterías con retroalimentación de energía | TOB-EF256-6G

TOB-EF256-6G Sistema automático de formación y clasificación con retroalimentación de energía para celdas tipo bolsa

Descripción general del producto y aplicaciones ideales

El TOB-EF256-6G es un sistema automático de formación y clasificación diseñado específicamente para celdas de bolsa de iones de litio recargables. Combina 256 canales de prueba independientes, cada uno capaz de cargar y descargar hasta 6 A dentro de un rango de voltaje de 0–5 V, con una arquitectura de alimentación bidireccional AC-DC/DC-AC con retroalimentación de energía que devuelve la energía descargada de las celdas a la red eléctrica de CA de la fábrica en lugar de disiparla como calor. Este diseño proporciona simultáneamente ciclos electroquímicos de alta precisión y una reducción considerable del consumo de energía eléctrica de una línea de producción de baterías.

Cada canal del TOB-EF256-6G utiliza un esquema real de medición de cuatro hilos (Kelvin) y está impulsado por una fuente dedicada de corriente constante/voltaje constante que está eléctricamente aislada de sus canales vecinos. Todo el gabinete de 256 canales se controla como una sola unidad mediante Ethernet o RS-485 desde un ordenador anfitrión basado en Windows que ejecuta el software de formación propietario de TOB. El software permite al usuario programar hasta 32 pasos y 256 ciclos por receta, con cada paso seleccionable como carga de corriente constante, carga de voltaje constante, descarga de corriente constante o reposo. Las curvas de voltaje/corriente/capacidad/energía en tiempo real se trazan para cada canal, y todos los datos sin procesar más los resultados al final de cada paso se guardan localmente y, opcionalmente, se cargan en una base de datos del servidor para la integración con MES.

El diseño mecánico del TOB-EF256-6G está adaptado al manejo de celdas tipo bolsa. El gabinete está dividido en cuatro puertas, cada una con 16 capas de accesorios dispuestas para celdas cargadas en ambos lados de la bandeja. Un mecanismo de sujeción vertical accionado por motor abre y cierra simultáneamente todo el banco de accesorios, acelerando la carga y descarga de celdas. Las bandejas de accesorios tienen un diseño dividido, con una separación ajustable de los contactos de los electrodos positivo y negativo que puede adaptarse a celdas tipo bolsa con pestañas separadas hasta 120 mm.

Ideal para:

• Líneas de producción de celdas tipo bolsa de iones de litio que realizan los pasos críticos de formación (primera carga, formación de SEI) y clasificación de capacidad antes de ensamblar las celdas en módulos o enviarlas como productos terminados.
• Líneas piloto de baterías que necesitan un único gabinete capaz de procesar hasta 256 celdas por lote con la misma precisión eléctrica y trazabilidad de datos que un sistema de producción a gran escala.
• Fabricantes que buscan reducir el coste operativo eléctrico de su área de formación mediante la implementación de sistemas con retroalimentación de energía que recuperan una fracción significativa de la energía de descarga.
• Departamentos de control de calidad que requieren un registro digital permanente y auditable de los datos de formación y clasificación de cada celda, desde el voltaje inicial de circuito abierto hasta el bloque final de capacidad.

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Dónde encajan la formación y la clasificación en la fabricación de celdas tipo bolsa

El paso de formación y clasificación se sitúa entre el ensamblaje de la celda y el envío final, y cumple dos propósitos distintos:

1. Formación:Una celda tipo bolsa recién ensamblada contiene un separador seco y un conjunto de electrodos sin tratar. Cuando se aplica la primera carga, el electrolito se descompone de manera controlada en la superficie del ánodo, formando la interfase de electrolito sólido (SEI). Esta SEI es esencial para la estabilidad a largo plazo de la celda, pero consume una pequeña cantidad de litio y genera gas. El protocolo de formación, una secuencia cuidadosamente definida de corrientes de carga, mantenimientos de voltaje, periodos de reposo y, en ocasiones, un paso de desgasificación, debe ejecutarse con alta precisión y repetibilidad, ya que las variaciones en el voltaje o la corriente de formación pueden provocar un crecimiento desigual de la SEI y una amplia dispersión en la capacidad y resistencia interna de las celdas.
2. Clasificación:Después de la formación, cada celda se descarga y se recarga (a menudo durante uno o más ciclos) para medir su capacidad real, energía y resistencia interna. Luego, las celdas se clasifican en bloques de capacidad (normalmente dentro de ±1 % de una capacidad objetivo) para que las celdas ensambladas en el mismo módulo o paquete tengan características eléctricas estrechamente coincidentes. El TOB-EF256-6G admite múltiples estrategias de clasificación, incluida la clasificación por capacidad, por tiempo, por capacidad más curva, por tiempo más curva, por capacidad más voltaje y por voltaje fijo, ofreciendo al ingeniero de producción la flexibilidad de elegir el método que mejor se correlacione con el rendimiento en campo.

Al combinar la formación y la clasificación en un único gabinete de 256 canales, el TOB-EF256-6G reduce la manipulación de las celdas: el mismo accesorio sostiene la celda desde la primera carga de formación hasta la descarga final de clasificación, eliminando la necesidad de transferir celdas entre máquinas y reduciendo el riesgo de daños en las pestañas o contaminación.

Cómo funciona el sistema de retroalimentación de energía

El TOB-EF256-6G utiliza una arquitectura de alimentación bidireccional AC-DC/DC-AC que cambia fundamentalmente la forma en que fluye la energía eléctrica durante los ciclos de las celdas:

Durante la carga:

• La fuente de corriente constante/voltaje constante de cada canal obtiene energía de CC de un bus interno de CC de 14 V, suministrado por la etapa AC-DC de la fuente de alimentación bidireccional.
• La etapa AC-DC convierte la electricidad de la red de CA (trifásica, 380 V) en CC regulada con una eficiencia de conversión inherentemente superior a la de una fuente tradicional lineal de corriente constante.
• El flujo general de energía durante la carga es: (Electricidad de la red + energía de otras celdas que se descargan simultáneamente) → inversor bidireccional AC-DC → bus de CC → circuito CC-CC por canal → celda.

Durante la descarga:

• La energía almacenada de la celda se devuelve a través del circuito CC-CC por canal, que aumenta el voltaje de la celda hasta el voltaje del bus interno de CC.
• La etapa DC-AC de la fuente de alimentación bidireccional convierte posteriormente esta energía de CC en CA y la sincroniza con la red de CA de la fábrica.
• La energía de CA fluye hacia el bus local de CA de la fábrica, donde es consumida preferentemente por otros equipos, incluidos otros gabinetes TOB-EF256-6G que están cargando celdas, además de cargas generales de fábrica como iluminación, HVAC y equipos de oficina.
• Solo la energía que supera el consumo instantáneo de la fábrica se exporta de vuelta a la red eléctrica general.

Especificaciones de eficiencia:

• Eficiencia de conversión de salida de la fuente de alimentación durante la carga: > 70 % (calculada como la energía de carga de la batería registrada por el software dividida entre el consumo medido por el contador eléctrico × 100 %).
• Eficiencia de retroalimentación de la fuente de alimentación durante la descarga: > 65 % (calculada como la energía activa inversa medida por el contador eléctrico dividida entre la energía de descarga de la batería registrada por el software × 100 %).

Estas cifras de eficiencia significan que por cada 1 kWh de energía descargada de las celdas durante las pruebas de capacidad, aproximadamente 0,65 kWh se recuperan y reutilizan dentro de la fábrica, en lugar de disiparse como calor mediante bancos de carga resistivos.

Capacidades principales del sistema

▶ 256 canales independientes y aislados

Cada uno de los 256 canales tiene su propia fuente de corriente constante/voltaje constante que está eléctricamente aislada de las demás. El rango de corriente por canal es de 5–6000 mA, cubriendo las necesidades de formación de pequeñas celdas tipo bolsa (por ejemplo, 150 mAh) hasta celdas más grandes de producción piloto. Todos los canales se direccionan y controlan como un grupo mediante el controlador del gabinete, pero el circuito eléctrico de cada canal es completamente independiente, por lo que una falla en un canal no afecta a los demás.

▶ Alta precisión de medición con conexión Kelvin de cuatro hilos

La precisión de corriente es de ±0,05 % de la escala completa más ±0,05 % de la lectura, y la precisión de voltaje es de ±2 mV. Estas especificaciones se logran mediante el método real de medición de cuatro hilos, que separa los cables conductores de corriente de los cables sensores de voltaje en el punto de contacto del accesorio, eliminando la contribución de la resistencia de los cables y la resistencia de contacto del voltaje medido de la celda. Un escaneo completo del gabinete de los 256 canales se completa en ≤ 3 s, y el intervalo mínimo de registro de datos es de 5 s.

▶ Construcción modular con sujeción automática motorizada

El gabinete está dividido en cuatro puertas, cada una con 16 capas de accesorios (256 canales en total). La carga y descarga de celdas se acelera mediante un mecanismo de sujeción vertical accionado por motor que abre o cierra simultáneamente todos los accesorios de una puerta. Las bandejas de accesorios tienen un diseño dividido: los conjuntos de contacto positivo y negativo se pueden mover de forma independiente, ajustando la distancia entre contactos hasta un máximo de 120 mm para adaptarse a celdas tipo bolsa con diferentes separaciones de pestañas. La distancia entre contactos punto a punto a lo largo de cada bandeja es de 168 mm.

▶ La arquitectura de retroalimentación de energía reduce los costos operativos

La fuente de alimentación bidireccional CA-CC/CC-CA recupera una fracción considerable de la energía de descarga que de otro modo se desperdiciaría. En un protocolo típico de formación y clasificación, donde las celdas se descargan varias veces para medir la capacidad, la energía recuperada reduce directamente la factura eléctrica de la fábrica y disminuye la carga térmica sobre el sistema de aire acondicionado de la fábrica.

▶ Programación flexible de recetas con múltiples etapas

El software del host, ejecutándose en un PC con Windows conectado mediante Ethernet o RS-485, permite programar hasta 32 pasos y 256 ciclos por receta. Cada paso puede configurarse como carga de corriente constante, carga de voltaje constante, carga de corriente constante/voltaje constante, descarga de corriente constante o reposo. Un paso puede finalizarse según condiciones de corriente, voltaje, tiempo o capacidad. Esta flexibilidad permite protocolos complejos de formación, como secuencias de humectación multietapa, formación de gas y desgasificación.

▶ Registro completo de datos y conectividad MES

Los datos sin procesar detallados de cada canal y cada paso se guardan localmente en el PC como archivos de proceso individuales. Los resultados al final de cada paso (voltaje de circuito abierto, voltaje promedio, tiempo del paso, corriente, capacidad, capacidad de meseta) se almacenan en un archivo de base de datos MDB estándar, uno por cada ejecución del proceso. En instalaciones con un servidor de datos configurado, los resultados pueden cargarse automáticamente en una base de datos del servidor, donde los archivos MDB sirven como un formato de base de datos estándar que puede integrarse directamente con un MES de fábrica. Esta arquitectura conserva un registro digital completo para la trazabilidad y permite el análisis estadístico necesario para la mejora continua del proceso.

▶ Escaneo de códigos de barras para la trazabilidad de celdas

El TOB-EF256-6G admite escaneo de códigos de barras, incluido el escaneo secuencial y el escaneo con salto de canal, de modo que el código de barras único de cada celda queda asociado al canal específico en el que se procesa. Los datos del código de barras se almacenan junto con los resultados de formación y clasificación, permitiendo una trazabilidad completa hacia adelante y hacia atrás desde las celdas entrantes hasta los grupos finales de capacidad.

▶ Funciones completas de protección y alarma

El sistema protege las celdas y el propio equipo mediante medidas de seguridad basadas en hardware y software: detección de sobrecorriente, corriente insuficiente, sobretensión, subtensión, sobrecapacidad y corriente de fuga. La sobretensión durante la carga y la subtensión durante la descarga están protegidas tanto por un circuito de hardware como por un límite de software, proporcionando una capa de seguridad redundante que protege las celdas incluso si el software de control presentara fallos.

Especificaciones técnicas

Especificaciones funcionales adicionales

Especificaciones mecánicas

Composición del sistema

El sistema de formación y clasificación TOB-EF256-6G suministrado comprende los siguientes elementos principales:

1. Equipo de formación y clasificación de baterías de ion litio (el gabinete de 256 canales descrito anteriormente).
2. Computadora host con interfaces USB y Ethernet.
3. Convertidores y cables de comunicación (convertidor USB a RS-485 y cable de comunicación, o cable de red de Categoría 5 y conectores RJ45).
4. Software de formación y clasificación TOB para Windows.

La computadora host se conecta al controlador del gabinete y envía comandos mientras recopila datos de todos los canales. Las placas de corriente constante/voltaje constante de cada canal responden a la CPU del controlador, proporcionando control de corriente constante y voltaje constante durante la carga y la descarga.

Durante la carga, la fuente de alimentación bidireccional convierte la electricidad de la red de CA en un bus de CC de 14 V, y la placa de cada canal regula la corriente hacia la celda. Durante la descarga, el proceso se invierte: la placa de cada canal primero eleva el voltaje de la celda al bus interno de CC, y la fuente de alimentación bidireccional convierte después esa energía de CC en CA que se alimenta a la red de distribución de CA de la fábrica. Esta arquitectura logra la función de retroalimentación de energía descrita en las especificaciones.

Recomendaciones prácticas de operación y mantenimiento

• Calibración: Los canales de voltaje y corriente del instrumento deben recalibrarse cada 6 meses mediante el procedimiento de calibración digital integrado. La calibración se realiza completamente mediante software; no es necesario ajustar potenciómetros dentro del gabinete. Se requiere un multímetro digital certificado como estándar de referencia.
• Mantenimiento de contactos del accesorio: Los contactos Kelvin de cuatro cables de cada accesorio deben inspeccionarse periódicamente para detectar desgaste, contaminación u oxidación. Un contacto de medición de voltaje sucio producirá una lectura de voltaje erróneamente alta y dará lugar a un resultado de capacidad incorrecto. Limpie los contactos con alcohol isopropílico y un paño sin pelusa cuando el gabinete no esté en funcionamiento.
• Operación de retroalimentación de energía: La función de retroalimentación de energía funciona automáticamente siempre que una celda se descarga. No se requiere intervención del operador. La eficiencia de recuperación de energía depende del número de celdas que se cargan y descargan simultáneamente en todos los gabinetes conectados. La mayor eficiencia de recuperación se logra cuando la potencia de descarga de un grupo de celdas coincide estrechamente con la potencia de carga requerida por otro grupo.de descarga de un grupo de celdas coincide estrechamente con la potencia de carga requerida por otro grupo.
• Copia de seguridad de datosseguridad: Aunque la PC local almacena todos los datos del proceso sin eliminación, se recomienda encarecidamente realizar copias de seguridad de los archivos de resultados MDB y de los archivos detallados del proceso en una unidad de red o servidor al final de cada lote de producción. Esto garantiza que los datos sigan siendo accesibles incluso si falla el disco duro de la PC local.
• Flujo de trabajo del software: Antes de iniciar un lote de producción, cree o cargue la receta adecuada en el software de formación TOB. Defina la secuencia de escaneo de códigos de barras si se requiere trazabilidad. Compruebe que todos los canales estén calibrados y que los límites de protección contra sobrevoltaje y bajo voltaje estén configurados correctamente para el modelo de celda que se procesa. Después de completar el lote, utilice la herramienta de clasificación para separar las celdas en grupos de capacidad según el método de clasificación seleccionado y exporte el informe de agrupación para el ensamblaje del paquete.

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1. Máquina de carga y descarga 5V1A para formación y clasificación de celdas tipo bolsa — Un sistema de carga y descarga de menor escala y menor corriente diseñado para la formación y clasificación a nivel de laboratorio o piloto de celdas tipo bolsa de baja capacidad. Ofrece una precisión comparable a la del TOB-EF256-6G en un formato de sobremesa para lotes de I+D.
2. Máquina de prensado en caliente para la formación de celdas tipo bolsa de litio— Aplica calor y presión controlados durante las etapas de formación y desgasificación de la producción de celdas tipo bolsa. La prensa en caliente ayuda a expulsar el gas, mejorar el contacto interfacial entre el electrodo y el separador, y lograr una capa SEI uniforme antes de que las celdas pasen a la TOB-EF256-6G para el ciclado eléctrico y la clasificación.
3. Máquina todo en uno de sellado al vacío secundario y corte de bordes para celdas tipo bolsa— Una estación combinada que realiza el sellado al vacío secundario y el recorte de bordes después de la formación y la desgasificación. Se integra perfectamente con la TOB-EF256-6G para formar una línea completa de acabado de celdas tipo bolsa, preparando las celdas para la inspección final y el envío.