Aplicaciones de baterías de litio - Aspiradoras y herramientas eléctricas

1. Introducción: El auge de las baterías de litio en dispositivos inalámbricos

2. La revolución inalámbrica en las aspiradoras

3. Evolución de la tecnología de las baterías

• Baterías de níquel-cadmio (NiCd): limitaciones iniciales
• Níquel-hidruro metálico (NiMH): fase de transición
• Baterías-de iones de litio (Li-ion): el estándar de la industria

4. Tipos de baterías-de iones de litio en aplicaciones

• Baterías de litio cilíndricas (18650, 21700, etc.)
• Baterías de litio prismáticas
• Paquete-de baterías de litio blandas (polímero)

5. Sistema de gestión de baterías y seguridad (BMS)

• Por qué BMS es el "guardián" de las baterías de litio
• Funciones clave de protección (sobrecarga, sobre-descarga, sobrecorriente, temperatura)
• Papel deMáquina probadora BMSen garantizar la seguridad y el rendimiento

6. Tendencias de la industria

7. Conclusión

A medida que la tendencia inalámbrica se extiende por los sectores de electrodomésticos y herramientas, las baterías de litio se han convertido en la principal fuente de energía que respalda el rendimiento del producto. Desde los primeros días en los que se "cargaba durante 10 horas y se usaba durante 5 minutos" hasta la larga duración-actual de la batería de hasta 60 minutos, los avances tecnológicos en las baterías de litio no solo han remodelado la experiencia del usuario de aspiradoras y herramientas eléctricas, sino que también han impulsado un cambio de paradigma en toda la industria.

La "Revolución Inalámbrica" ​​en Aspiradoras

Los motores digitales de alta-velocidad consumen una cantidad significativa de energía. Sin baterías de litio de alta-calidad y un sistema de gestión de baterías (BMS), la "ventaja inalámbrica" ​​de las aspiradoras inalámbricas sería imposible. El Dyson V10, equipado con una batería de 7-celdas y 525-vatios-litio, junto con componentes electrónicos mejorados y un BMS, logra una duración de batería versátil de 8 minutos de limpieza profunda en modo Máximo, 30 minutos de limpieza diaria en modo Estándar y 60 minutos de limpieza extendida en modo Resistencia, eliminando el molestia de cambiar las baterías a mitad de la limpieza. Mucha gente se centra en la tecnología ciclónica y los motores de alta velocidad, pasando por alto el papel crucial de las baterías de litio. Sin su adopción generalizada, la era de las aspiradoras inalámbricas se habría retrasado al menos varios años.

Antes de que las baterías de litio se generalizaran, las aspiradoras y las herramientas eléctricas experimentaron dos oleadas de tecnología de baterías, cada una de las cuales abordó los puntos débiles de la generación anterior:

1. Baterías de níquel-cadmio(NiCd): una "elección necesaria" temprana

Como el primer tipo de batería utilizado, las baterías de níquel-cadmio tenían deficiencias obvias: pequeña capacidad, largos tiempos de carga y corta duración de la batería. "Cargar durante 10 horas, utilizar durante 5 minutos" era un tema común. Más importante aún, padecían un grave efecto memoria (una descarga incompleta provoca una reducción de la duración de la batería) y eran muy contaminantes para el medio ambiente. A partir del 1 de enero de 2016, la Unión Europea prohibió oficialmente su uso en herramientas eléctricas y pequeños electrodomésticos, y las baterías de níquel-cadmio desaparecieron gradualmente del mercado.

2. Níquel-hidruro metálico(NiMH): Una "versión mejorada" durante la fase de transición.

En comparación con las baterías de níquel-cadmio, las baterías de níquel-metal hidruro ofrecen mayor capacidad, menor efecto memoria y menos contaminación ambiental. A pesar del aumento de precios, rápidamente se generalizaron en el mercado, allanando el camino para la popularización inicial de los productos inalámbricos.

3. Baterías-de iones de litio(Li-ion): el "caballo de batalla absoluto" de hoy.

La aparición de las baterías de iones de litio-ha revolucionado el panorama de la industria. Ofrecen tres ventajas principales: una densidad de energía 1,5-2 veces mayor que la de las baterías de hidruro metálico de níquel-, sin efecto memoria y baja auto-descarga, lo que las convierte en la combinación perfecta para las altas demandas de energía de los motores de alta velocidad. Su principio de funcionamiento se basa en el movimiento de iones de litio entre un electrodo positivo (los materiales comunes incluyen óxido de litio y cobalto LiCoO2 y óxido de litio y manganeso LiMn2O4) y un electrodo negativo.

Baterías cilíndricas de litio:Inventados por Sony en Japón en 1992, ofrecen calidad estable, alta seguridad y gran escalabilidad. Los modelos comunes incluyen 14650, 17490, 18650 y 21700. El Tesla Model 3 usó la batería 18650 de Panasonic (posteriormente actualizada a 21700). La 18650 (una batería cilíndrica con un diámetro de 18 mm y una longitud de 65 mm) es la batería más utilizada en aspiradoras y herramientas eléctricas. Sin embargo, en 2016, Sony vendió su negocio de baterías de litio a Murata Manufacturing Co., Ltd. en Japón, que también adquirió los clientes de baterías de litio de Sony, incluido Dyson.

Baterías de litio prismáticas:Por lo general, se empaquetan en cajas de aluminio o acero. Presentan una estructura simple y una alta densidad de energía (aproximadamente 205 WH/kg para una celda de 50 AH). También cuentan con una tasa de ensamblaje del sistema del 70% (superior al 60% de las baterías 18650), celdas grandes y mejor consistencia. Sin embargo, debido a su alto grado de personalización y a la gran variedad de modelos, los procesos de fabricación estandarizados resultan difíciles.

Baterías de litio blandas-(baterías de polímero de litio): estas baterías tienen una capa exterior de polímero y ofrecen una seguridad excelente (los problemas solo causan abultamientos y grietas, no explosiones). Son ligeros y tienen gran capacidad, lo que los hace ampliamente utilizados en teléfonos móviles. Sin embargo, su mala consistencia, su alto costo y su tendencia a tener fugas han llevado a su uso limitado en aspiradoras y herramientas eléctricas.

Aunque las baterías de litio ofrecen un rendimiento excelente, conllevan el riesgo de explosión. La explosión de una sola batería-de iones de litio ya es significativa, y las consecuencias de que varias baterías sufran un cortocircuito y exploten simultáneamente son aún más devastadoras. Incluso las celdas de batería importadas de marcas como Panasonic, LG y Samsung no pueden garantizar un funcionamiento 100% libre de riesgos-.

Para mitigar este riesgo ha surgido el sistema de gestión de baterías (BMS). Es la tecnología central de los paquetes de baterías de iones de litio-, que monitorea el estado de cada celda para evitar sobrecargas y descargas excesivas. Los BMS de vehículos eléctricos son complejos y pueden monitorear el voltaje, la corriente y la temperatura, estimar la capacidad restante (SOC), controlar el sistema de control de temperatura, detectar fugas, comunicarse con otros sistemas y archivar el historial de uso de la batería. Los sistemas de administración de baterías (BMS) en aspiradoras y herramientas eléctricas son relativamente simples y son los principales responsables de funciones básicas como protección contra sobrecarga/sobre{5}}descarga (p. ej., voltaje de protección contra sobrecarga 4,20-4,30 V, voltaje de protección contra sobre-descarga 2,60-2,80 V), protección contra sobrecorriente. (corriente de protección contra cortocircuitos-aproximadamente 80 A) y protección contra altas temperaturas (temperatura de protección de descarga contra altas temperaturas de 70 a 80 grados), lo que garantiza un funcionamiento estable del paquete de baterías.

Marca ACEYMáquina de prueba BMSse utiliza principalmente para probar varios indicadores funcionales de la batería de iones de litio-BMS, evaluar si los diversos parámetros están dentro del rango de diseño y luego juzgar si los BMS están calificados y son utilizables.

A medida que las baterías-de iones de litio adquieren cada vez más importancia, están surgiendo nuevas tendencias en las industrias de aspiradoras y herramientas eléctricas:

1. Plataformaización de baterías: reducir costos e involucrar a los consumidores

La industria de las herramientas eléctricas ya ha sido pionera en el proceso de plataforma. Por ejemplo, TTI ofrece dos plataformas principales de baterías de iones de litio-: 12 V y 18 V. Cientos de productos de la misma plataforma comparten baterías compatibles. Esto no sólo reduce los costos de desarrollo de baterías y BMS, sino que también alienta a los consumidores a priorizar marcas que sean compatibles con las baterías existentes al comprar nuevas herramientas. Esto crea una barrera para las grandes empresas, lo que dificulta la competencia de las empresas más pequeñas. Bosch también lanzó la aspiradora inalámbrica de 18 V Unlimited, promocionando su compatibilidad tanto con baterías de aspiradoras como de herramientas eléctricas. Sin embargo, debido a las diversas opciones de diseño de las aspiradoras, lograr la compatibilidad es más difícil que con las herramientas eléctricas.

2. Capacidad de producción de baterías y exploración tecnológica: las ventajas y desventajas de la batería 21700
Actualmente, las aspiradoras sin escobillas tienen una duración de batería de aproximadamente 10 minutos en modo de alta-potencia. Sin avances en la densidad de energía de la batería, es difícil lograr mejoras significativas. Algunas fábricas han comenzado a probar la batería 21700 (utilizada en el Tesla Model 3). Su densidad energética alcanza los 300Wh/kg (un 20% más que la batería 18650), aumentando la capacidad en un 35%, reduciendo los costes en un 9% y reduciendo el número de baterías utilizadas. Sin embargo, la batería 21700 también tiene sus inconvenientes: por cada 10% de aumento en la capacidad, el ciclo de vida disminuye en un 20%, las tasas de carga y descarga disminuyen entre un 30% y un 40% y el aumento de temperatura aumenta un 20%. Elegir la batería adecuada es más una cuestión de equilibrar tecnología y economía. Sin embargo, la producción del Modelo 3 de Panasonic se vio afectada anteriormente por problemas con su capacidad de producción del 21700, lo que demuestra que la capacidad de producción sigue siendo un factor limitante.

3. La tecnología inalámbrica es la tendencia inevitable

No sólo las aspiradoras, sino muchos otros productos con cable serán inalámbricos en el futuro. Cada avance en la tecnología de baterías de litio impulsará esta tendencia.

Desde las baterías de níquel-cadmio hasta las de litio, desde las "limitaciones de los cables" hasta la "libertad inalámbrica", las baterías de litio no sólo han transformado los factores de forma de los productos, sino que también han remodelado el panorama competitivo de la industria. Los fabricantes de baterías como CATL, Panasonic, LG, EVE Energy, Changhong Energy (los tres de Changhong) y Highpower Technology, aunque no están directamente a la vanguardia, ya se han convertido en actores clave en esta transformación. En el futuro, con continuos avances tecnológicos, es posible que veamos productos de baterías de litio con mayor duración, mayor seguridad y mayor versatilidad, lo que desbloqueará aún más la comodidad en la vida y el trabajo.

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