10 Caracterización de baterías de litio

Título: Estudio y caracterización de baterías de litio para aplicaciones de baja potencia
Alumno: Rodrigo Blasco
Director: Carlos Armenta Déu
Sinopsis
Las baterías de litio, Li-ion y litio-polímero (LiPo), representan hoy día una de las
opciones más utilizadas para el almacenamiento eléctrico en sistemas de baja potencia,
gracias a su gran densidad de energía y a su reducido tamaño. Estas baterías, sin
embargo, presentan algunos problemas derivados de la elevada reactividad del litio, lo
que puede dar lugar a un excesivo calentamiento de la batería, así como el riesgo de
ignición e incendio. Debido a ello, el proceso de carga se debe realizar bajo unas
condiciones determinadas, equilibrando la carga suministrada a cada elemento de la
batería cuando ésta consta de más de uno, lo que se lleva a cabo mediante el uso de un
“ecualizador” intercalado entre la batería y la fuente de corriente. En el proceso de
descarga, este problema no se presenta, pero, por el contrario, ocurre que, como en toda
batería, la descarga es función del tiempo de la misma, esto es, de la intensidad de
corriente, lo que hace que, en función de dicha corriente la capacidad, y por tanto la
autonomía, varíen de una descarga a otra. Para poder establecer el verdadero valor del
tiempo de descarga, y por consiguiente, de la autonomía real de la batería, es preciso
corregir el valor de la capacidad mediante un factor que tenga en cuenta el proceso de
descarga real, es decir, su intensidad. Dicho factor será una función del tiempo de
descarga, de modo que, a partir del valor nominal del tiempo de descarga para una
descarga estándar, se pueda establecer el valor de dicho factor y corregir así la
capacidad obteniendo el valor real para las nuevas condiciones de operación.
Para alcanzar este objetivo, se va a proceder a realizar un proceso de caracterización de
la descarga de baterías de litio, Li-ion y LiPo, para distintas intensidades y tiempos de
descarga, pudiendo así obtener una función que permita determinar el factor de
corrección para cada intensidad de descarga. Esta función corresponderá a un algoritmo
cuyo parámetro clave será el tiempo de descarga.
Asimismo, una batería está sometida a procesos irreversibles en el ciclo carga-descarga,
lo que hace que la cantidad de energía almacenada vaya progresivamente disminuyendo
con el ciclado hasta alcanzar un valor a partir del cual la batería deja de ser útil. Este
proceso, conocido como “envejecimiento” no está caracterizado para baterías de litio,
por lo que la cantidad de energía almacenada por uno de estos dispositivos, incluso a
plena carga, es totalmente desconocido una vez transcurrido un cierto tiempo de uso de
la batería.
Para poder establecer, aunque de manera aproximada, el grado de envejecimiento de las
baterías de litio, se va a llevar a cabo un proceso de ciclado continuo de baterías de Liion y LiPo caracterizando el grado de envejecimiento por el nivel de irreversibilidad
presente en un ciclo carga-descarga después de un tiempo de uso de la batería. Dicho
nivel de irreversibilidad se puede obtener a partir del rendimiento del ciclo, sea
faradaico o energético.
Objetivo general
Caracterizar el funcionamiento de una batería de litio, Li-ion y LiPo, en el proceso de
descarga mediante la obtención del factor de corrección de la capacidad para una
intensidad de descarga dada.
Establecer el grado de envejecimiento de una batería de litio, Li-Io y LiPo, a partir de la
evolución del nivel de irreversibilidad en un ciclo carga-descarga por medio de la
determinación del rendimiento del ciclo para unas condiciones de operación
cualesquiera.
Objetivos específicos
1. Obtener un algoritmo que permita determinar el factor corrector de la capacidad en
baterías de litio a partir del tiempo de descarga para una intensidad de descarga dada
2. Comparar el algoritmo obtenido con el que se aplica para las baterías de plomoácido
3. Establecer una función de dependencia entre el rendimiento del ciclo carga-descarga
en baterías de litio, para unas condiciones de trabajo dadas, y el nivel de
irreversibilidad del ciclo, con vistas a establecer el grado de envejecimiento de la
batería
Metodología
Para el desarrollo del proyecto se plantean las siguientes acciones:
1. Montaje del sistema experimental formado por batería de litio, fuente de corriente, y
ecualizador (proceso de carga), y batería de litio y sistema de descarga ara este
último proceso
2. Descargas controladas de baterías de litio, tipo Li-ion y LiPo, de distinta capacidad
nominal para distintas intensidades de descarga
3. Desarrollo de la función matemática que permita determinar el factor de corrección
de la capacidad a partir del tiempo “estándar” de descarga
4. Verificación de la validez del algoritmo para un conjunto de descargas testigo
5. Ciclado de baterías de litio de distinta capacidad y tipo para diferentes condiciones
de operación, intensidad de carga y descarga
6. Cálculo del rendimiento del ciclo a partir de una doble metodología de cálculo,
rendimiento de carga y rendimiento de descarga, y ciclo completo
7. Desarrollo de una relación entre el valor del rendimiento del ciclo y el grado de
aceptación de carga por parte de la batería
8. Determinación del factor de envejecimiento a partir de la relación anterior
9. Relacionar el factor de envejecimiento con la capacidad útil de la batería
Resultados esperados
1. Obtención del algoritmo que permita establecer la capacidad real de descarga en
baterías de litio para cualquier intensidad de descarga
2. Obtención de una función que permita predecir el grado de envejecimiento de una
batería de litio y su influencia sobre la capacidad de la batería