Cómo leer la curva de descarga de la batería

Cómo leer la curva de descarga de la batería

Las baterías son sistemas electroquímicos y termodinámicos complejos y múltiples factores afectan su rendimiento. Por supuesto, la química de la batería es el factor más importante. Sin embargo, para comprender qué tipo de batería es más adecuada para una aplicación específica, también es necesario considerar factores como la tasa de descarga de carga, la temperatura de funcionamiento, las condiciones de almacenamiento y los detalles de la estructura física. En primer lugar, es necesario definir varios términos:

★ El voltaje de circuito abierto (Voc) es el voltaje entre los terminales de la batería cuando no hay carga en la batería.

★ El voltaje terminal (Vt) es el voltaje entre los terminales de la batería cuando se aplica la carga a la batería; Generalmente más bajo que Voc.

La tensión de corte (Vco) es la tensión a la que la batería se descarga completamente, tal como se especifica. Aunque generalmente queda energía restante en la batería, operar a un voltaje inferior a Vco puede dañar la batería.

★ La capacidad mide el total de amperios hora (AH) que una batería puede proporcionar cuando está completamente cargada, hasta que Vt alcanza Vco.

La tasa de carga y descarga (C-Rate) es la tasa a la que se carga o descarga una batería en relación con su capacidad nominal. Por ejemplo, una velocidad de 1C cargará o descargará completamente la batería en 1 hora. A una tasa de descarga de 0,5 C, la batería se descargará completamente en 2 horas. El uso de una tasa C más alta generalmente reduce la capacidad disponible de la batería y puede dañarla.

★ El estado de carga de la batería (SoC) cuantifica la capacidad restante de la batería como un porcentaje de la capacidad máxima. Cuando SoC llega a cero y Vt alcanza Vco, es posible que todavía quede energía restante en la batería, pero sin dañar la batería y afectar la capacidad futura, la batería no se puede descargar más.

★ La profundidad de descarga (DoD) es un complemento del SoC, que mide el porcentaje de capacidad de la batería que se ha descargado; Departamento de Defensa=100-SoC.

① El ciclo de vida es el número de ciclos disponibles antes de que la batería alcance el final de su vida útil.

El fin de la vida útil de la batería (EoL) se refiere a la incapacidad de la batería para funcionar de acuerdo con las especificaciones mínimas predeterminadas. El EoL se puede cuantificar de varias maneras:

① La caída de capacidad se basa en la disminución porcentual dada en la capacidad de la batería en comparación con la capacidad nominal en condiciones específicas.

② La atenuación de potencia se basa en la potencia máxima de la batería en un porcentaje determinado en comparación con la potencia nominal en condiciones específicas.

③ El rendimiento energético cuantifica la cantidad total de energía que se espera que procese una batería durante su vida útil, como 30 MWh, en función de condiciones operativas específicas.

★ El estado de salud (SoH) de la batería mide el porcentaje de vida útil restante antes de alcanzar el EoL.

Curva de polarización

La curva de descarga de la batería se forma en función del efecto de polarización de la batería que se produce durante el proceso de descarga. La cantidad de energía que una batería puede proporcionar en diferentes condiciones operativas, como la velocidad C y la temperatura de funcionamiento, está estrechamente relacionada con el área bajo la curva de descarga. Durante el proceso de descarga, el Vt de la batería disminuirá. La disminución del Vt está relacionada con varios factores principales:

✔ Caída de IR: la disminución del voltaje de la batería causada por la corriente que pasa a través de la resistencia interna de la batería. Este factor aumenta linealmente a una tasa de descarga relativamente alta, con una temperatura constante.

✔ Polarización de activación: se refiere a diversos factores de desaceleración relacionados con la cinética de las reacciones electroquímicas, como la función de trabajo que deben superar los iones en la unión entre electrodos y electrolitos.

✔ Polarización de concentración: este factor tiene en cuenta la resistencia que enfrentan los iones durante la transferencia de masa (difusión) de un electrodo a otro. Este factor domina cuando las baterías de iones de litio están completamente descargadas y la pendiente de la curva se vuelve muy pronunciada.

La curva de polarización (curva de descarga) de la batería muestra los efectos acumulativos de la disminución de IR, la polarización de activación y la polarización de concentración en Vt (potencial de la batería). (Imagen: BioLogic)

Consideraciones sobre la curva de descarga

Las baterías se han diseñado para una amplia gama de aplicaciones y proporcionan diversas características de rendimiento. Por ejemplo, existen al menos seis sistemas químicos básicos de iones de litio, cada uno con su propio conjunto de características únicas. La curva de descarga generalmente se traza con Vt en el eje Y, mientras que SoC (o DoD) se traza en el eje X. Debido a la correlación entre el rendimiento de la batería y varios parámetros, como la tasa C y la temperatura de funcionamiento, cada sistema químico de la batería tiene una serie de curvas de descarga basadas en combinaciones específicas de parámetros operativos. Por ejemplo, la siguiente figura compara el rendimiento de descarga de dos sistemas químicos de iones de litio comunes y baterías de plomo-ácido a temperatura ambiente y una velocidad de descarga de 0,2 °C. La forma de la curva de descarga es de gran importancia para los diseñadores.

Una curva de descarga plana puede simplificar ciertos diseños de aplicaciones, ya que el voltaje de la batería permanece relativamente estable durante todo el ciclo de descarga. Por otro lado, la curva de pendiente puede simplificar la estimación de la carga residual, ya que el voltaje de la batería está estrechamente relacionado con la carga residual de la batería. Sin embargo, para las baterías de iones de litio con curvas de descarga planas, estimar la carga residual requiere métodos más complejos, como el recuento de Coulomb, que mide la corriente de descarga de la batería e integra la corriente a lo largo del tiempo para estimar la carga residual.

Además, las baterías con curvas de descarga inclinadas hacia abajo experimentan una disminución de potencia durante todo el ciclo de descarga. Es posible que se requiera una batería de "tamaño excesivo" para soportar aplicaciones de alta potencia al final del ciclo de descarga. Generalmente es necesario utilizar un regulador de voltaje elevador para alimentar dispositivos y sistemas sensibles que utilizan baterías con curvas de descarga pronunciadas.

La siguiente es la curva de descarga de una batería de iones de litio, que muestra que si la batería se descarga a un ritmo muy alto (o viceversa, a un ritmo bajo), la capacidad efectiva disminuirá (o aumentará). Esto se denomina cambio de capacidad y este efecto es común en la mayoría de los sistemas químicos de baterías.

El voltaje y la capacidad de las baterías de iones de litio disminuyen con el aumento de la tasa C. (Imagen: Richtek)

La temperatura de trabajo es un parámetro importante que afecta el rendimiento de la batería. A temperaturas muy bajas, las baterías con electrolitos a base de agua pueden congelarse, limitando el límite inferior de su rango de temperatura de funcionamiento. Las baterías de iones de litio pueden experimentar deposición de litio en electrodos negativos a bajas temperaturas, lo que reduce permanentemente la capacidad. A altas temperaturas, los productos químicos pueden descomponerse y la batería puede dejar de funcionar. Entre la congelación y el daño químico, el rendimiento de la batería suele variar significativamente con los cambios de temperatura.

La siguiente figura muestra el impacto de diferentes temperaturas en el rendimiento de las baterías de iones de litio. A temperaturas muy bajas, el rendimiento puede disminuir significativamente. Sin embargo, la curva de descarga de la batería es sólo un aspecto del rendimiento de la batería. Por ejemplo, cuanto mayor sea la desviación entre la temperatura de funcionamiento de las baterías de iones de litio y la temperatura ambiente (ya sea a temperaturas altas o bajas), menor será el ciclo de vida. Para aplicaciones específicas, un análisis completo de todos los factores que afectan la aplicabilidad de varios sistemas químicos de baterías está más allá del alcance de la curva de descarga de baterías de este artículo. Un ejemplo de otros métodos para analizar el rendimiento de diferentes baterías es el diagrama de Lagone.

El voltaje y la capacidad de la batería dependen de la temperatura. (Imagen: Richtek)

parcelas lagone

El diagrama de la laguna compara la potencia específica y la energía específica de diferentes tecnologías de almacenamiento de energía. Por ejemplo, cuando se consideran las baterías de vehículos eléctricos, la energía específica está relacionada con la autonomía, mientras que la potencia específica corresponde al rendimiento de aceleración.

Un diagrama de Ragone que compara la relación entre la energía específica y la potencia específica de varias tecnologías. (Imagen: Puerta de investigación)

El diagrama de la laguna se basa en la densidad de energía masiva y la densidad de potencia, y no incluye ninguna información relacionada con los parámetros de volumen. Aunque el metalúrgico David V. Lagone desarrolló estos gráficos para comparar el rendimiento de diversas sustancias químicas de las baterías, el gráfico de Lagone también es adecuado para comparar cualquier conjunto de dispositivos de almacenamiento y energía, como motores, turbinas de gas y pilas de combustible.

La relación entre la energía específica en el eje Y y la potencia específica en el eje X es el número de horas que el dispositivo funciona a potencia nominal. El tamaño del dispositivo no afecta esta relación, ya que los dispositivos más grandes tendrán proporcionalmente mayor potencia y capacidad energética. La curva isócrona que representa un tiempo de funcionamiento constante en el diagrama de la Laguna es una línea recta.

Resumen

Es importante comprender la curva de descarga de una batería y los diversos parámetros que componen la familia de curvas de descarga relacionados con la química específica de la batería. Debido a los complejos sistemas electroquímicos y termodinámicos, las curvas de descarga de las baterías también son complejas, pero son sólo una forma de comprender las compensaciones de rendimiento entre las distintas estructuras y químicas de las baterías.