Sistema di formazione e classificazione delle batterie con recupero energetico | TOB-EF256-6G

TOB-EF256-6G Sistema automatico di formazione e classificazione con recupero energetico per celle a sacchetto

Panoramica del prodotto e applicazioni ideali

Il TOB-EF256-6G è un sistema automatico di formazione e classificazione appositamente progettato per celle ricaricabili agli ioni di litio a sacchetto. Combina 256 canali di test indipendenti—ciascuno in grado di caricare e scaricare fino a 6 A entro una finestra di tensione da 0 a 5 V—con un'architettura di alimentazione bidirezionale AC-DC/DC-AC con recupero energetico che reindirizza l'energia scaricata dalle celle verso la rete elettrica AC dello stabilimento invece di dissiparla sotto forma di calore. Questo design offre simultaneamente ciclaggi elettrochimici ad alta precisione e una sostanziale riduzione del consumo di energia elettrica di una linea di produzione di batterie.

Ogni canale del TOB-EF256-6G utilizza un vero schema di misurazione a quattro fili (Kelvin) ed è azionato da una sorgente dedicata a corrente costante/tensione costante elettricamente isolata dai canali adiacenti. L'intero armadio a 256 canali è controllato come un'unica unità tramite Ethernet o RS-485 da un computer host basato su Windows con il software proprietario di formazione TOB. Il software consente all'utente di programmare fino a 32 passaggi e 256 cicli per ricetta, con ogni passaggio selezionabile come carica a corrente costante, carica a tensione costante, scarica a corrente costante o riposo. Le curve in tempo reale di tensione/corrente/capacità/energia vengono tracciate per ogni canale e tutti i dati grezzi, oltre ai risultati di fine passaggio, vengono salvati localmente e possono essere caricati opzionalmente su un database server per l'integrazione MES.

Il design meccanico del TOB-EF256-6G è adattato alla gestione delle celle a sacchetto. L'armadio è diviso in quattro porte, ciascuna contenente 16 strati di supporti disposti per celle caricate su entrambi i lati del vassoio. Un meccanismo di serraggio verticale azionato da motore apre e chiude simultaneamente l'intero banco di supporti, velocizzando il caricamento e lo scaricamento delle celle. I vassoi dei supporti hanno un design separato, con distanza regolabile dei contatti degli elettrodi positivo e negativo, in grado di alloggiare celle a sacchetto con linguette distanti fino a 120 mm.

Ideale per:

• Linee di produzione di celle agli ioni di litio a sacchetto che eseguono le fasi critiche di formazione (prima carica, formazione dello strato SEI) e classificazione della capacità prima che le celle vengano assemblate in moduli o spedite come prodotti finiti.
• Linee pilota per batterie che necessitano di un singolo armadio in grado di processare fino a 256 celle per lotto con la stessa precisione elettrica e tracciabilità dei dati di un sistema di produzione su larga scala.
• Produttori che desiderano ridurre il costo operativo elettrico dell'area di formazione implementando sistemi con recupero energetico che recuperano una frazione significativa dell'energia di scarica.
• Reparti di controllo qualità che richiedono un record digitale permanente e verificabile dei dati di formazione e classificazione di ogni cella, dalla tensione iniziale a circuito aperto fino al contenitore finale di capacità.

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Dove si collocano formazione e classificazione nella produzione delle celle a sacchetto

La fase di formazione e classificazione si colloca tra l'assemblaggio della cella e la spedizione finale e svolge due funzioni distinte:

1. Formazione:Una cella a sacchetto appena assemblata contiene un separatore asciutto e un insieme di elettrodi nuovi. Quando viene applicata la prima carica, l'elettrolita si decompone in modo controllato sulla superficie dell'anodo, formando l'interfase elettrolita solido (SEI). Questa SEI è essenziale per la stabilità a lungo termine della cella, ma consuma una piccola quantità di litio e genera gas. Il protocollo di formazione—una sequenza attentamente definita di correnti di carica, mantenimenti di tensione, periodi di riposo e talvolta una fase di degassificazione—deve essere eseguito con elevata accuratezza e ripetibilità, poiché variazioni nella tensione o nella corrente di formazione possono causare una crescita non uniforme della SEI e un'ampia distribuzione della capacità e della resistenza interna delle celle.
2. Classificazione:Dopo la formazione, ogni cella viene scaricata e ricaricata (spesso per uno o più cicli) per misurare la capacità effettiva, l'energia e la resistenza interna. Le celle vengono quindi ordinate in contenitori di capacità (tipicamente entro ±1 % della capacità target) affinché le celle assemblate nello stesso modulo o pacco abbiano caratteristiche elettriche strettamente abbinate. Il TOB-EF256-6G supporta molteplici strategie di classificazione, tra cui classificazione della capacità, classificazione temporale, classificazione capacità-più-curva, classificazione tempo-più-curva, classificazione capacità-più-tensione e classificazione a tensione fissa, offrendo all'ingegnere di produzione la flessibilità di scegliere il metodo che meglio si correla alle prestazioni sul campo.

Combinando formazione e classificazione in un unico armadio a 256 canali, il TOB-EF256-6G riduce la movimentazione delle celle: lo stesso supporto mantiene la cella dalla prima carica di formazione fino alla scarica finale di classificazione, eliminando la necessità di trasferire le celle tra macchine e riducendo il rischio di danneggiamento delle linguette o contaminazione.

Come funziona il sistema con recupero energetico

Il TOB-EF256-6G utilizza un'architettura di alimentazione bidirezionale AC-DC/DC-AC che modifica radicalmente il modo in cui l'energia elettrica fluisce durante il ciclo delle celle:

Durante la carica:

• La sorgente a corrente costante/tensione costante di ogni canale assorbe energia CC da un bus interno a 14 V CC, alimentato dallo stadio AC-DC dell'alimentatore bidirezionale.
• Lo stadio AC-DC converte l'elettricità della rete AC (trifase, 380 V) in corrente continua regolata con un'efficienza di conversione intrinsecamente superiore rispetto a una tradizionale sorgente lineare a corrente costante.
• Il flusso energetico complessivo durante la carica è: (elettricità della rete + energia proveniente da altre celle che si stanno scaricando contemporaneamente) → inverter bidirezionale AC-DC → bus CC → circuito CC-CC per canale → cella.

Durante la scarica:

• L'energia immagazzinata nella cella viene reimmessa attraverso il circuito CC-CC per canale, che aumenta la tensione della cella fino alla tensione del bus CC interno.
• Lo stadio CC-AC dell'alimentatore bidirezionale inverte quindi questa energia CC in corrente alternata e la sincronizza con la rete AC dello stabilimento.
• La potenza AC fluisce sul bus AC locale dello stabilimento, dove viene consumata prioritariamente da altre apparecchiature—inclusi altri armadi TOB-EF256-6G che stanno caricando celle, oltre ai carichi generali dello stabilimento come illuminazione, HVAC e apparecchiature per ufficio.
• Solo l'energia che supera il consumo istantaneo dello stabilimento viene reimmessa nella rete elettrica generale.

Specifiche di efficienza:

• Efficienza di conversione in uscita dell'alimentatore di carica: > 70 % (calcolata come energia di carica della batteria registrata dal software divisa per il consumo misurato dal contatore elettrico × 100 %).
• Efficienza di recupero dell'alimentatore di scarica: > 65 % (calcolata come energia attiva inversa del contatore elettrico divisa per l'energia di scarica della batteria registrata dal software × 100 %).

Questi valori di efficienza significano che per ogni 1 kWh di energia scaricata dalle celle durante il test di capacità, circa 0,65 kWh vengono recuperati e riutilizzati all'interno dello stabilimento, invece di essere dissipati come calore attraverso banchi di carico resistivi.

Funzionalità principali del sistema

▶ 256 canali indipendenti e isolati

Ciascuno dei 256 canali dispone di una propria sorgente a corrente costante/tensione costante elettricamente isolata dalle altre. L'intervallo di corrente per canale è 5–6000 mA, coprendo le esigenze di formazione di piccole celle a sacchetto (ad esempio 150 mAh) fino a celle più grandi per produzione pilota. Tutti i canali sono indirizzati e controllati come gruppo dal controller dell'armadio, ma il circuito elettrico di ogni canale è completamente indipendente, quindi un guasto su un canale non influisce sugli altri.

▶ Alta precisione di misurazione con collegamento Kelvin a quattro fili

La precisione della corrente è ±0,05 % del fondo scala più ±0,05 % della lettura, mentre la precisione della tensione è ±2 mV. Queste specifiche sono rese possibili dal vero metodo di misurazione a quattro fili, che separa i conduttori di trasporto della corrente dai conduttori di rilevamento della tensione nel punto di contatto del supporto, eliminando il contributo della resistenza dei cavi e della resistenza di contatto dalla tensione misurata della cella. Una scansione completa dell'armadio di tutti i 256 canali viene completata entro ≤ 3 s e l'intervallo minimo di registrazione dei dati è 5 s.

▶ Costruzione modulare con serraggio automatico motorizzato

L'armadio è suddiviso in quattro porte, ciascuna con 16 strati di dispositivi di fissaggio (256 canali totali). Il caricamento e lo scaricamento delle celle sono accelerati da un meccanismo di serraggio verticale azionato da motore che apre o chiude simultaneamente tutti i dispositivi di fissaggio di una porta. I vassoi dei dispositivi di fissaggio hanno un design diviso: gli assiemi di contatto positivo e negativo possono essere spostati indipendentemente, regolando la distanza tra i contatti fino a un massimo di 120 mm per adattarsi a celle pouch con diverse separazioni delle linguette. La distanza tra i punti di contatto lungo ciascun vassoio è di 168 mm.

▶ L'architettura con recupero energetico riduce i costi operativi

L'alimentatore bidirezionale AC-DC/DC-AC recupera una frazione sostanziale dell'energia di scarica che altrimenti andrebbe sprecata. In un tipico protocollo di formazione e classificazione in cui le celle vengono scaricate più volte per la misurazione della capacità, l'energia recuperata riduce direttamente la bolletta elettrica della fabbrica e diminuisce il carico termico sul sistema di climatizzazione della fabbrica.

▶ Programmazione flessibile delle ricette multi-fase

Il software host, in esecuzione su un PC Windows collegato tramite Ethernet o RS-485, consente di programmare fino a 32 fasi e 256 cicli per ricetta. Ogni fase può essere configurata come carica a corrente costante, carica a tensione costante, carica a corrente costante/tensione costante, scarica a corrente costante o riposo. Una fase può essere terminata in base a condizioni di corrente, tensione, tempo o capacità. Questa flessibilità supporta protocolli di formazione complessi, come sequenze di bagnatura multi-stadio, formazione di gas e degasaggio.

▶ Registrazione completa dei dati e connettività MES

I dati grezzi dettagliati per ogni canale e ogni fase vengono salvati localmente sul PC come file di processo individuali. I risultati al termine della fase (tensione a circuito aperto, tensione media, tempo della fase, corrente, capacità, capacità del plateau) vengono memorizzati in un file di database MDB standard, uno per ogni ciclo di processo. Negli impianti con un server dati configurato, i risultati possono essere caricati automaticamente in un database server, dove i file MDB fungono da formato di database standard che può essere integrato direttamente con un MES di fabbrica. Questa architettura conserva un record digitale completo per la tracciabilità e supporta l'analisi statistica necessaria per il miglioramento continuo del processo.

▶ Scansione dei codici a barre per la tracciabilità delle celle

Il TOB-EF256-6G supporta la scansione dei codici a barre, inclusa la scansione sequenziale e la scansione con salto di canale, in modo che il codice a barre univoco di ogni cella sia associato al canale specifico in cui viene processata. I dati del codice a barre vengono memorizzati insieme ai risultati di formazione e classificazione, consentendo una tracciabilità completa avanti e indietro dalle celle in ingresso ai contenitori finali di capacità.

▶ Funzioni complete di protezione e allarme

Il sistema protegge le celle e l'apparecchiatura stessa tramite misure di sicurezza basate su hardware e software: rilevamento di sovracorrente, sottocorrente, sovratensione, sottotensione, sovracapacità e corrente di dispersione. La protezione da sovratensione durante la carica e da sottotensione durante la scarica è garantita sia da un circuito hardware sia da un limite software, fornendo un livello di sicurezza ridondante che protegge le celle anche in caso di malfunzionamento del software di controllo.

Specifiche tecniche

Specifiche funzionali aggiuntive

Specifiche meccaniche

Composizione del sistema

Il sistema di formazione e classificazione TOB-EF256-6G fornito comprende i seguenti elementi principali:

1. Apparecchiatura per la formazione e la classificazione di batterie agli ioni di litio (l'armadio a 256 canali descritto sopra).
2. Computer host con interfacce USB ed Ethernet.
3. Convertitori e cavi di comunicazione (convertitore USB-RS-485 e cavo di comunicazione, oppure cavo di rete Categoria 5 e connettori RJ45).
4. Software TOB per formazione e classificazione per Windows.

Il computer host si collega al controller dell'armadio e invia comandi mentre raccoglie dati da tutti i canali. Le schede a corrente costante/tensione costante per canale rispondono alla CPU del controller, fornendo il controllo a corrente costante e tensione costante durante sia la carica sia la scarica.

Durante la carica, l'alimentatore bidirezionale converte l'elettricità della rete AC in un bus DC da 14 V e la scheda di ciascun canale regola la corrente verso la cella. Durante la scarica, il processo è invertito: la scheda di ciascun canale innanzitutto aumenta la tensione della cella fino al bus DC interno, quindi l'alimentatore bidirezionale inverte tale energia DC in AC che viene immessa nella rete di distribuzione AC della fabbrica. Questa architettura realizza la funzione di recupero energetico descritta nelle specifiche.

Raccomandazioni pratiche per il funzionamento e la manutenzione

• Calibrazione:I canali di tensione e corrente dello strumento devono essere ricalibrati ogni 6 mesi utilizzando la procedura di calibrazione digitale integrata. La calibrazione è completamente basata sul software; non è necessario regolare potenziometri all'interno dell'armadio. È necessario un multimetro digitale certificato come standard di riferimento.
• Manutenzione dei contatti del dispositivo di fissaggio:I contatti Kelvin a quattro fili su ogni dispositivo di fissaggio devono essere ispezionati periodicamente per verificare usura, contaminazione o ossidazione. Un contatto di rilevamento della tensione sporco produrrà una lettura della tensione erroneamente elevata e porterà a un risultato di capacità errato. Pulire i contatti con alcol isopropilico e un panno privo di lanugine quando l'armadio non è in funzione.
• Funzionamento del recupero energetico:La funzione di recupero energetico opera automaticamente ogni volta che una cella viene scaricata. Non è richiesto alcun intervento dell'operatore. L'efficienza del recupero energetico dipende dal numero di celle che vengono caricate e scaricate simultaneamente su tutti gli armadi collegati. La massima efficienza di recupero si ottiene quando lapotenza di scarica di un gruppo di celle corrisponde strettamente alla potenza di carica richiesta da un altro gruppo.
• Backup dei dati:Sebbene il PC locale memorizzi tutti i dati del processo senza cancellazione, è fortemente consigliato eseguire il backup dei file dei risultati MDB e dei file dettagliati del processo su un'unità di rete o un server alla fine di ogni lotto di produzione. Ciò garantisce che i dati rimangano accessibili anche in caso di guasto del disco rigido del PC locale.
• Flusso di lavoro del software: Prima di avviare un lotto di produzione, creare o caricare la ricetta appropriata nel software di formazione TOB. Definire la sequenza di scansione dei codici a barre se è richiesta la tracciabilità. Verificare che tutti i canali siano calibrati e che i limiti di protezione da sovratensione e sottotensione siano impostati correttamente per il modello di cella in lavorazione. Dopo il completamento del lotto, utilizzare l'utility di classificazione per ordinare le celle in gruppi di capacità secondo il metodo di classificazione scelto ed esportare il rapporto di suddivisione per l'assemblaggio del pacco.

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