104 CAPÍTULO 6: ENSAYOS Y CARACTERIZACIÓN DE LAS

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Regulación Eólica con Baterías en Vehículos Eléctricos.
Ana Isabel Almendros Molina
CAPÍTULO 6: ENSAYOS Y CARACTERIZACIÓN DE LAS BATERÍAS.
6.1. Metodología y procedimiento de ensayos.
A continuación se describe el material empleado para ensayos de baterías de
litio, así como la metodología adoptada. Todos los ensayos se realizan según
la norma IEC 61982/4 específica para baterías de litio-ión utilizadas para
proporcionar tracción en vehículos.
Esta norma surge por la necesidad de normalizar un protocolo para el cálculo
de prestaciones de todas las baterías de litio-ión utilizadas en vehículos
eléctricos.
Se pueden realizar 4 tipos de ensayos para comparar las prestaciones que nos
proporcionarían varias tecnologías de litio:
1. Ensayos para el cálculo de diferentes prestaciones en distintas condiciones
de temperatura.
2. Ensayos de capacidad y energía a diferentes temperaturas.
3. Test retención de carga.
4. Ensayos para el cálculo de la vida útil.
6.1.1. Ensayos para el cálculo de prestaciones en diferentes condiciones de
temperatura.
Este tipo de ensayo consiste en someter a las baterías a cargas/descargas
durante 10 segundos simulando picos de aceleración (descarga) y frenada
(carga) con pausas de diez minutos entre ellas según el siguiente esquema. Se
pueden realizar a diferentes temperaturas (45,25,0 y -20ºC) para ver la
influencia de la temperatura.
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6.1.1.1. Trazabilidad del ensayo.
En el apartado de trazabilidad explicaré cada uno de los pasos del ensayo
establecidos por la normativa.
Antes de comenzar el ensayo se debe realizar un acondicionamiento de carga.
. Se descarga la celda a una intensidad C (A), limitando la tensión según
fabricante.
. Se carga según fabricante a una intensidad constante.
. A continuación se realiza una pausa de 1hora.
. Se descarga a C5(A) hasta alcanzar un estado de carga del 50%
. Se realiza una pausa de 10min.
A continuación:
. Se descarga a C3(A) durante 10 segundos. Limitando la tensión de descarga.
. Pausa de 10min
. Carga a C3(A) durante 10 segundos. Limitando la tensión de carga
. Pausa de 10min
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. Descarga a C (A) durante 10 segundos. Limitando la tensión de descarga
. Pausa de 10min
. Carga a C (A) durante 10 segundos. Limitando a tensión de carga
. Pausa de 10min
. Descarga a 5C(A) durante 10 segundos. Limitando la tensión de descarga
. Pausa de 10min
. Carga a 5C(A) durante 10 segundos. Limitando la tensión de carga
. Pausa de 10 min
. Descarga a 10C (A) durante 10 segundos. Limitando la tensión de descarga
. Pausa de 10min
. Carga a 10C (A) durante 10 segundos. Limitando la tensión de descarga
. Pausa de 20min
Leyenda
Acrónimo
Significado
CHA
Carga
DCH
Descarga
PAU
Pausa
6.1.2. Ensayos de capacidad y energía.
Según los fabricantes, la temperatura óptima de trabajo para las baterías con
tecnologías de litio es de 15/25ºC (margen bastante pequeño si lo comparamos
con otras tecnologías como plomo o níquel), fuera de esos márgenes pierden
prestaciones, además pueden sobrecalentarse hasta el punto de explotar ya
que están fabricadas con materiales inflamables que las hacen propensas a
detonaciones o incendios, por lo que es necesario dotarlas de circuitos
electrónicos que controlen en todo momento la temperatura de la batería.
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A temperaturas por debajo de los cero grados, las baterías de litio ven
reducidas sus prestaciones de manera notable si las comparamos con
tecnologías de Ni-Cd o Ni-MH reduciendo su vida útil hasta un 25%
El objetivo de estos ensayos es poder ver el efecto de diferentes temperaturas
en relación a la capacidad así como la energía disponible a dichas
temperaturas.
Para la determinación de la capacidad real y la energía disponible de la batería
a dicha temperatura se realiza una prueba de capacidad según los datos
proporcionados por el fabricante de la batería.
La determinación de la capacidad real vendrá dada por el producto resultante
entre el tiempo de descarga y la corriente de descarga.
La determinación de la energía real se obtiene del producto de la capacidad
real por el valor de tensión en el punto medio de la descarga.
Capacidad – [Ah] (corriente [A] x tiempo [horas])
Energía – [Wh] (potencia [W] x tiempo [horas])
6.1.2.1. Trazabilidad.
A continuación se muestra cada uno de los pasos que se realizan en un ensayo
para determinar la capacidad y energía útil:
. Descarga a C5 (A) hasta la tensión de corte especificada por el fabricante.
. Seguidamente se realiza una pausa de 1 hora.
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. A continuación se carga a intensidad constante fijada según especificación
. Se establece otra pausa de 1hora
. Se descarga a C5 (A)
*Corriente de carga/descarga. Es el valor en Amperios al cuál se
cargarán/descargarán las baterías. Viene determinado por la norma.
*Límites de carga/descarga. Tensión de final de carga/descarga. Viene
determinada por el fabricante.
*Registro de datos. Se programa por el usuario para recogida de datos.
6.1.3. Ensayos de retención de carga.
Según la mayoría de los fabricantes, las baterías pueden estar almacenadas
durante meses sin verse afectadas sus prestaciones, siempre y cuando se
sigan
las
instrucciones del fabricante en
cuanto
a
temperatura de
almacenamiento se refiere.
Para el test de retención de carga según normativa se establecen el siguiente
procedimiento:
-
Carga según fabricante.
-
Descarga a C (A) para calcular la capacidad en Ah.
-
Carga según fabricante.
-
Almacenamiento durante 28 días.
-
Descarga a C (A) calculando de nuevo la capacidad.
El ratio de carga R se calcula mediante la siguiente expresión:
Donde:
R es el ratio de retención de carga (%)
Cr es la capacidad antes del almacenamiento.
Cb es la capacidad calculada después del almacenamiento.
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6.1.4. Ensayos para el cálculo de vida útil.
Según diversas investigaciones, las baterías de litio se caracterizan por su alta
ciclabilidad, es decir, soportan muchos ciclos de carga y descarga, los
fabricantes aseguran perdidas de prestaciones en un 20% a partir de 600
ciclos. Este ensayo se puede realizar siguiendo el patrón de carga y descarga
que indica la normativa simulando una conducción con diversas aceleraciones
(descargas) y frenadas (cargas). Se parte de un SOC ( “state of charge”) del 50
%. Nos referiremos a un ciclo cada vez que hagamos la secuencia de carga y
descarga enunciada.
Paso
Duración (s) Corriente
Paso
Duración (s) Corriente
(A)
(A)
1
9
0.0 C
22
5
0.0C
2
7
2C
23
2
10C
3
2
4.5C
24
6
-0.5C
4
9
-1C
25
2
-3.5C
5
14
1.5C
26
6
2C
6
5
-4.5C
27
2
6C
7
5
-0.5C
28
2
-0.5C
8
18
0.0C
29
3
-4C
9
7
2C
30
3
2C
10
2
4.5C
31
2
5C
11
9
-1C
32
5
2C
12
14
1.5C
33
2
-7C
13
5
-4.5C
34
27
-0.5C
14
5
-0.5C
35
2
2C
15
18
0.0C
36
2
-4C
16
7
2C
37
40
-0.5C
17
2
4.5C
38
2
0.5C
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18
9
-1C
39
44
-0.5C
19
14
1.5C
40
2
0.5C
20
5
-4.5C
41
13
-0.5C
21
5
-0.5C
42
17
0.0C
6.1.5. Equipos utilizados.
Los equipos de ensayo utilizados son comunes a todos los ensayos.
Entre los diferentes equipos de ensayos e instrumentación cabe destacar los
siguientes:
Equipo de carga/descarga
Es un equipo cargador descargador de baterías de la marca Digatrón, modelo
UBT- 100-18.5, presentado en la figura 63. Compuesto por seis módulos de
carga y descarga. Cuenta con marcado CE y calibración.
Figura 63- Equipo modular de carga y descarga
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Los módulos de carga y descarga (figura 64) son independientes cumpliendo
con los criterios de la siguiente tabla:
Rango de funcionamiento de carga
de 0 a 18,5V
Rango de funcionamiento en descarga
de 0 a 15V
Rango de intensidad (carga y descarga)
de 0,1 a 100 A
Figura 64 - Detalle de uno de los módulos
Este tipo de equipos se utiliza habitualmente para este tipo de ensayos debido
a su grado de precisión, acorde a los requerimientos de las normas de ensayo
de baterías.
Torkel 8800
Estas unidades de descarga de baterías son sofisticados instrumentos que se
han diseñado principalmente para ensayos de capacidad. Es posible programar
a tres unidades para comprobar un banco de baterías a intensidad constante, a
potencia constante o bien, mediante un perfil de carga definido por el usuario.
Así mismo es posible utilizar TORKEL para la comprobación de carga resistiva.
Este modelo en concreto cuenta con una capacidad de tensión máxima de
288V.
En la siguiente tabla se representa la limitación de intensidad (Imax) de la
unidad TORKEL y también las resistencias para los diferentes rangos de
tensión.
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Torkel 840
Rango
Intensidad
Resistencia
máxima
Interna
10-27,6V
110 A
0,165Ω
10- 55,2V
110 A
0,275Ω
10-144V
110 A
0,550 Ω
10-288V
55 A
3,3Ω
Características técnicas:
Torkel 840
Tensión de red
100-240 V CA
95-300 V CC
Consumo
<150 W
Dimensiones
210x353x700 mm
Peso
20,5kg
Tensión máxima
288V
Intensidad máxima
110 A
Potencia máxima
15 kW
Patrones de carga
Intensidad constante, potencia
constante, resistencia constante, perfil
de potencia e intensidad
Valor de la intensidad
0-110 A
Valor de la potencia
0- 15kW
Equipo de climatización
Para alcanzar las temperaturas requeridas de cada ensayo se utiliza una
cámara climática (figura 65) de la marca Ineltec modelo CM-4800. El control de
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temperatura exterior se realiza con un sonda, se emplea la sonda PT100 DIN
clase A.
Figura 65 - Detalle de equipo de climatización
Certificados Calibración
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6.2.- Caracterización de las baterías de litio.
6.2.1 – Modelos de comportamiento estacionario de las baterías.
6.2.1.1. Presentación de la batería ensayada.
MP176065
Fabricante
SAFT
Modelo
MP 176065 Integration
Tensión Nominal
3,75V
Capacidad 20ºC
6,8Ah
Energía
26Wh
Método carga
Corriente/tensión constante
Peso
143g
Tensión final de carga
4,20+/- 0,05V
Corriente máxima carga
7A
Rango Temperaturas
-20ºC a 60ºC
Tiempo de carga
Carga a C de 2 a 3 horas
Carga a C/2 de 3 a 4 horas
Carga a C/5 de 6 a 7 horas
Corriente continua máxima de
14A 2C
descarga
Tensión de corte en descarga
2,5V
Energía específica
178Wh/kg
Tecnología ánodo
Grafito
Tecnología cátodo
Litio/Cobalto
Carga recomendada
3,4A (C/2)
Ciclo de vida
Pérdidas del 30% después de 600
ciclos
114
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Otras características:

Resistencia interna: 100 mΩ max (a + 20°C)

Peso: 143 gramos, de los cuales corresponden 138.5 gramos a la celda
propiamente dicha y la diferencia, corresponde a la protección externa,
cableado y carcasa.

Voltaje final de carga: 4.20 ± 0.05 V como máximo.
(Si se excede, se active el circuito electrónico de protección de la bacteria para
prevenir una posible sobrecarga que supone un aumento de la temperatura excesivo).
(La batería 1s1p MP 176065 Integration
TM
debe cargarse por debajo de este voltaje, en
torno a 4.1 V ó 4.0 V. En estos casos, la capacidad restablecida durante el paso
siguiente de descarga será disminuida, con un -10% de pérdidas de capacidad para
cargas de voltaje de -100 mV, en un rango de carga de 3.9 V a 4.2 V).

Voltaje mínimo de descarga: 2.5 V mínimo recomendado.
(los circuitos de protección se activan 2.3 V para prevenir una degradación irreversible
de la batería).
Curvas de carga y descarga
Figura 66 - Curvas de carga y descarga de La batería 1s1p MP 176065 Integration.
115
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Figura 67- Perfiles de descarga de la batería 1s1p MP 176065 Integration
Figura 68- Perfiles de carga de la batería 1s1p MP 176065 Integration
116
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Figura 69- Batería Saft MP D6065 HD Integration
6.2.1.2. Ensayos.
Los resultados obtenidos de los ensayos realizados, sin tener en cuenta los
registros previos de acondicionamiento de la carga, que se realizan atendiendo
a la norma, se encuentran en el anexo II (tablas 1, 2, 3 y 4), y corresponden a
los siguientes ensayos:
 ENSAYO DE DESCARGA A Tª = 25ºC partiendo de V.full
 ENSAYO A Tª = 25ºC (exp.1)
 ENSAYO A Tª = 25ºC (exp.2)
 ENSAYO A Tª = 45ºC
Las figuras 70 y 71, muestran la celda ensayada y la cámara climática, que se utiliza
para establecer la temperatura de la celda durante los correspondientes ensayos.
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Figura 70 - Celda ensayada
Figura 71 - Celda ensayada en el interior de la cámara climática.
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6.2.1.3. Modelo de comportamiento estacionario.
El elemento central de los vehículos eléctricos (VE) y de la mayoría de
sistemas eléctricos es en general la batería.
Este elemento almacena gran cantidad de energía que se dispone cuando se
necesita. La batería permite recargarse frenando en un VE y permite suplir
una lenta fuente de energía dinámica, como es la célula de combustible.
Hay básicamente tres tipos de modelos específicamente:
-
experimental,
-
electroquímico ,y
-
basado en el circuito eléctrico.
Los modelos experimentales y electroquímicos, no son adecuados para
representar celdas dinámicas para la propuesta de estimaciones del estado de
carga de paquetes de baterías.
Sin embargo, los modelos basados en el circuito eléctrico pueden ser muy
útiles para representar las características eléctricas de las baterías.
El modelo eléctrico más simple consiste en una fuente ideal de tensión en
serie con una resistencia interna. Este modelo, sin embargo, no tiene en cuenta
el SOC de la batería. Hay otro modelo basado en el voltaje de circuito abierto
en serie con una resistencia y paralelo a circuitos RC con la también llamada
impedancia de Warburg.
La identificación de todos los parámetros de este modelo está basado en una
técnica bastante complicada llamada espectroscopía de impedancia. Shepherd
desarrolló una ecuación para describir el comportamiento de la electroquímica
de una batería directamente en términos de voltaje terminal, voltaje en circuito
abierto, resistencia interna, corriente de descarga y estado de carga.
Este modelo se aplica para la descarga y para la carga. Una versión modificada
del modelo de Shepherd.
119
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Consiste en usar un voltaje de polarización en lugar de Resistencia de
polarización para
acabar con el problema cíclico algebraico debido a la
simulación de los sistemas eléctricos con Simulink.
Este modelo usa sólo el SOC de la bacteria como un estado variable para
representar el comportamiento del voltaje. Esto es válido en estado
estacionario (corriente constante) pero el modelo produce falsos resultados
cuando la corriente varía.
Así que este modelo se ha mejorado recientemente para extender su validez
para corrientes de carga y descarga variables.
Figura 72 – Curva típica de descarga para una batería de Níquel - metal Hidruro.
Modelo de la batería propuesto; Modelo de descarga.
El modelo de descarga propuesto es similar al modelo de Shepherd pero
puede representar de forma precisa el voltaje dinámico cuando la corriente
varía y tiene en cuenta el voltaje en circuito abierto (OCV) como una función del
SOC. Un termino con respecto al voltaje de polarización se añade para
mejorar la representación del comportamiento del voltaje en circuito abierto y el
120
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termino respecto a la resistencia de polarización se vé ligeramente modificado.
El voltaje de la batería obtenido viene dado por la expresión:
Donde:
V batt = Voltaje de la batería (V)
E0 = Voltaje nominal de la batería o en circuito abierto (V)
K = Constante de polarización ó resistencia de polarización
Q = Capacidad de la batería (Ah)
it = Ridt = Carga actual de la batería (Ah)
A = zona de amplitud exponencial (V)
B = zona exponencial inversa del tiempo constante (Ah)
R = Resistencia interna ()
i = corriente de la batería (A)
i *= corriente filtrada (A)
La particularidad de este modelo es el uso de una corriente filtrada (i *) que
fluye a través de la resistencia de polarización. De hecho, los resultados
experimentales muestran un lento comportamiento dinámico en el voltaje como
respuesta a cada paso de corriente.
La corriente filtrada resuelve también el problema del lazo algebraico debido a
la simulación de los sistemas eléctricos en Simulink.
Finalmente, el voltaje en circuito abierto varia no linealmente con el SOC. Este
fenómeno se modela por el termino de voltaje de polarización. La zona
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exponencial de la ecuación es válida para las baterías Li-Ion. Para las otras
baterías (Plomo-Ácido, NiMH y NiCD), hay un fenómeno de histéresis entre la
carga y la descarga, entre la carga y la descarga, no importa el SOC de la
batería. Este comportamiento sólo ocurre en el área exponencial, como
muestra la figura 73:
Figura 73 - Curva de histéresis
Ecuación de descarga para una batería de Li-ion:
Suposiciones del modelo:

La Resistencia interna se supone constante durante los ciclos de carga y
descarga y no varía con la amplitud de la corriente.

Los parámetros del modelo deducidos de las características de la descarga, se
asume que son los mismos para la carga.

La capacidad de la bacteria no cambia con la amplitud de de la corriente (No
hay efecto pico).

La Temperatura no afecta al modelo de comportamiento.

La autodescarga de la batería no está representada.

La batería no tiene efecto memoria.
122
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Extracción de los parámetros:
Sólo se requieren tres puntos de la curva de descarga del fabricante, en estado
estacionario, para obtener los parámetros. Los fabricantes de baterías proveen
una ficha técnica, la cual incluye una “Típica curva de descarga”, curva donde
es posible extraer los valores de Voltaje cargada (Vfull), el final de la zona
exponencial (Qexp, Vexp), el final de la zona nominal (Qnom, Vnom) (donde el
voltaje eìeza a caer abruptamente) y la capacidad máxima (Q). Además, la
Resistencia interna normalmente viene dada por el fabricante.
Con estos tres puntos, es possible resolver, usando las ecuaciones siguientes.
Se debe tener en cuenta que la curva del fabricante se obtiene a corriente
constante (generalmente igual a C/5).
Para el V.full, la carga extraída es 0 (it = 0) y la corriente filtrada (i*) es 0 porque
el paso de corriente acaba justo de empezar:
Vfull = E0 - R * i + A
Para el final de la zona exponencial, el factor B se puede aproximar 3/Qexp
desde que el término de energía exponencial es casi 0 (5 %) después de tre
veces constante.
La corriente filtrada (i*) es igual a ”i” porque la corriente es en estado
estacionario:
Zona de Voltaje nominal, viene dado por:
Finalmente, la constante de tiempo de la corriente filtrada (i*), no viene dada
por la ficha técnica del fabricante. Sólo se puede calcular experimentalmente.
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Cálculo de las variables de la batería:
Sobre la curva de descarga correspondiente a intensidad de corriente (C/5 =
1,36 A), en la ficha técnica de la batería, suministrada por el fabricante; Se
obtienen estos valores:
V. full = 4.2 V
Q. exp = 2.7
V.exp = 3.8
V.nom = 3.6
Q. nom = 6.2
Aplicando las ecuaciones anteriores, los resultados de los parámetros son los
siguientes:
A = 0.45
B = 1.11
124
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Cálculo de los parámetros del modelo a partir de los datos experimentales;
Se debe realizar un ensayo partiendo de V.full. Se realiza un previo
acondicionamiento de la batería, descargándola y cargándola completamente
hasta alcanzar V.full, ya que debido al hecho de estar almacenada, por la
propia autodescarga, el voltaje es inferior a V.full. Se decide realizar el ensayo
a Tª ambiente, para poderlo contrastar con la curva que ofrece el fabricante a
dicha temperatura.
ENSAYOS A 25 ºC
A partir del ensayo a temperatura ambiente partiendo de V.full = 4.2 V:
Se obtienen estos valores:
Q. exp = 2
V.exp = 4.2
V.nom = 3.6
Q. nom = 6.25
125
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Aplicando las ecuaciones anteriores, los resultados son los siguientes:
A = 0.45
B = 1.07
K = 0.037
Por lo tanto, la ecuación que representa el comportamiento de la batería es:
Vbat = Eo – R * i – 0.037 * (Q/ Q – it ) * (it + i*) + 0.45 exp (- 1.07 *it)
Influencia de la Temperatura:
Se realiza el mismo ensayo de descarga, partiendo de V.full, pero a una
temperatura diferente:
Ensayo de descarga a Tª = 40 ºC, partiendo de V.full.
Resultados:
Descarga con datos experimentales a Tª 40ºC
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Descarga a diferentes temperaturas, 25 º C y 40ºC con intensidades de
descarga constante C/5 y C/2, respectivamente.
La ecuación modelo de la batería representa el comportamiento de la batería,
independientemente de la temperatura exterior, pues el comportamiento es
idéntico para varias temperaturas. El ligero desplazamiento de la curva de
descarga de la batería correspondiente a Temperatura de 40ºC, no se debe a
la temperatura, sino que es debido a una corriente de descarga mayor C/2
Amperios. Pero la forma de la curva mantiene en todo momento el paralelismo.
Influencia del estado de carga inicial:
Se realizan otros ensayos de descarga a una misma temperatura, en idénticas
condiciones pero partiendo de diferentes niveles de SOC inicial:
Exp1: SOC del 89,9%
Exp 2 : SOC del 95,62%
Resultados exp.1:
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Resultados exp.2:
128
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Comparación con el modelo para los distintos niveles de SOC:
SOC 100%
Exp1:SOC 89,9%
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Exp 2: SOC
95,62%
Se aprecia que el modelo se acerca al comportamiento real de la batería
cuando se parte de un estado inicial de SOC 100%. A medida que el SOC se
aleja del 100%, el modelo difiere más del comportamiento real de la misma. Sin
embargo, seguiría explicando el comportamiento de la batería, pues la forma
de la curva de descarga es la misma para los distintos valores de SOC inicial.
Si representamos los resultados de descarga obtenidos a partir de datos
experimentales a una misma temperatura, misma intensidad de corriente y
diferentes niveles de SOC. Como puede apreciarse ante una pequeña
variación del SOC inicial, baja mucho la capacidad de la batería, pero el
comportamiento es el mismo, desplazado en el eje x.
130
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6.2.1.4. Rendimiento.
Llamamos rendimiento energético a la porción o porcentaje de energía o
potencia que se aprovecha de una transformación. La energía entrante se
suele llamar energía o potencia absorbida o generada, a la energía
aprovechada energía o potencia útil y a la energía no aprovechada como
energía o potencia de pérdidas. Donde:
E absorbida = E útil + E perdidas, y en potencias: P absorbida = P útil + P
perdidas.
El rendimiento se expresa matemáticamente como:
En el siguiente esquema representamos los factores que influyen en la
eficiencia de una batería:
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La celda electroquímica transforma la energía electroquímica en energía
eléctrica. La potencia absorbida o generada es la electroquímica:
Pabs/quim.= fem x I
P. útil/eléctrica = V.ext x I
P.perdidas/Joule + traspaso de electrones = I² x r + α x I
Para la batería estudiada, se tiene:
Capacidad abs.= 6,8 Ah
Capacidad útil = 6,71 Ah, valor obtenido de los ensayos experimentales
anteriores, a T = 25 ºC.
Por lo tanto el rendimiento energético es del 98,67%.
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6.2.2 – Modelos de comportamiento transitorio de las baterías.
El modelo estimado para el comportamiento estacionario, explica a su vez, el
comportamiento transitorio de la batería. Es decir, puede explicar cómo
fluctuaría el voltaje de la batería si la intensidad en la carga y en la descarga
varían con el tiempo. Según la validación experimental de Olivier Tremblay y
Louis-A. Dessaint [16], incluso si los parámetros se obtienen de la curva de
comportamiento estacionario, es posible simular con precisión (error del ± 5%),
el comportamiento dinámico de la batería para los procesos de carga y
descarga. La validez del modelo se admite para regímenes de SOC
comprendidos entre el 100% y el 20%, en las baterías de ión-litio, ya que en
otras baterías ese rango varía debido a otros efectos.
Vemos a continuación:
A- Influencia del SOC
B- Influencia de la temperatura.
A- Influencia del SOC:
T 25 ºC: SOC 100 %, 95% y 89%
Resultados:
El comportamiento de descarga de la batería a lo largo del tiempo, es el mismo,
para los distintos niveles de carga inicial, sin embargo, ante pequeñas
diferencias del SOC, a medida que éste desciende, es decir, se parte de un
133
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nivel inferior de carga en la batería, el tiempo que tarda en descargarse
disminuye considerablemente. Es decir, se reduce la durabilidad de la batería.
Si el nivel de carga desciende tan sólo un 11%, la batería duraría un 72,2%
menos.
B- Influencia de la Temperatura:
SOC 89%: Tª 25 C, 0 C y 45 C.
Resultados:
El comportamiento de la batería es prácticamente el mismo, para temperaturas
ambiente comprendidas entre 25ºC y 45ºC. Aunque la batería duraría más
tiempo si la temperatura externa es 25ºC. A medida que nos alejamos de esa
temperatura, la batería tarda menos en descargarse. Sin embargo, funciona
mejor a altas temperaturas que a bajas temperaturas. Trabajando a 45ºC, la
batería duraría un 10% menos que trabajando a 25ºC, mientras que
funcionando con una temperatura externa de 0ºC, ésta duraría un 20%.
134
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6.2.3. INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA EN LAS BATERÍAS.
6.2.3.1. Programación de ensayos.
Se analizan estos ensayos a cuatro temperaturas de trabajo y con tres
tecnologías diferentes de Litio:
-
Ensayo 1: Prestaciones a diferentes condiciones de temperatura.
-
Pruebas de capacidad y energía.
Características de las baterías ensayadas:
MP176065
LPC7799130L
LC2665P
Tecnología
LCO
LitioPol
LFP
Tensión Nominal(V)
3,75
3,8
3,60
Capacidad(Ah)
6,8
8
4
Energía
26
31,4
4
Peso(g)
143
200
92,5
Densidad Energía(Wh/kg)
178
157
135
Tensión corte Carga(V)
4,2
4,2
4,2
Tensión corte Descarga(V)
2,5
2,8
2,5
Intensidad máxima carga(A)
7
24
4
Intensidad máx. descarga(A)
14
40
12
Saft
GWA
BYD
Sin circuito de p.
Fabricante
135
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-
Programación del ensayo 1: Prestaciones a diferentes condiciones de
temperatura, para las tres baterías.
Batería 1: MP176065 (marca y modelo) 6.8 Ah
Operación
Corriente
Limites
Registro de
Carga/Descarga
carga/descarga
datos
1
DCH (descarga)
6,8 A
2.5V
1min
2
CHA (carga)
3,4 A
4.2 V
1min
3
PAU (pausa)
1hora
1min
4
DCH
150min
1min
1,36 A
2.5V
5
PAU
6
DCH
2,26 A
10min
1min
10sec
1sec
2.5V
7
PAU
8
CHA
2,26A
10min
2sec
10sec
1sec
4.2V
9
PAU
10
DCH
6,8A
10min
2sec
10sec
1sec
2.5V
11
PAU
12
CHA
6,8A
10min
2sec
10sec
1sec
4.2V
13
PAU
14
DCH
34A
10min
2sec
10sec
1sec
2.5V
15
PAU
16
CHA
34A
10min
2sec
10sec
1sec
4.2V
17
PAU
18
DCH
68A
10min
2sec
10sec
1sec
2.5V
19
PAU
20
CHA
68A
10min
2sec
10sec
1sec
4.2V
136
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21
PAU
22
STOP
20min
5sec
Corriente
Limites
Registro de
carga/Descarga
carga/descarga
datos
Batería 2: LPC 7799130L (8Ah)
Operación
1
DCH (descarga)
8A
2.8V
1min
2
CHA (carga)
1,6 A
4.2 V
1min
3
PAU (pausa)
1hora
1min
4
DCH
150min
1min
1,6 A
2.8 V
5
PAU
6
DCH
2,66 A
10min
1min
10sec
1sec
2.8 V
7
PAU
8
CHA
2,66A
10min
2sec
10sec
1sec
4.2 V
9
PAU
10
DCH
8A
10min
2sec
10sec
1sec
2.8 V
11
PAU
12
CHA
8A
10min
2sec
10sec
1sec
4.2 V
13
PAU
14
DCH
40A
10min
2sec
10sec
1sec
2.8 V
15
PAU
16
CHA
40A
10min
2sec
10sec
1sec
4.2 V
17
PAU
18
DCH
80A
10min
2sec
10sec
1sec
2.8 V
19
PAU
10min
2sec
137
Proyecto Fín de Máster:
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20
CHA
80A
10sec
1sec
4.2 V
21
PAU
22
STOP
20min
5sec
Corriente de
Limites
Registro de
carga/Descarga
carga/descarga
datos
Batería 3: LC 2665P (4 Ah)
Operación
1
DCH (descarga)
4A
2.5V
1min
2
CHA (carga)
4A
4.2 V
1min
3
PAU (pausa)
1hora
1min
4
DCH
150min
1min
0,8 A
2.5 V
5
PAU
6
DCH
1,33 A
10min
1min
10sec
1sec
2.5 V
7
PAU
8
CHA
1,33A
10min
2sec
10sec
1sec
4.2 V
9
PAU
10
DCH
4A
10min
2sec
10sec
1sec
2.5 V
11
PAU
12
CHA
4A
10min
2sec
10sec
1sec
4.2V
13
PAU
14
DCH
20A
10min
2sec
10sec
1sec
2.5V
15
PAU
16
CHA
20A
10min
2sec
10sec
1sec
4.2 V
17
PAU
18
DCH
40A
10min
2sec
10sec
1sec
2.5V
19
PAU
10min
2sec
138
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20
CHA
40A
10sec
1sec
4.2 V
21
PAU
22
STOP
20min
5sec
Programación del ensayo de capacidad y de energía para las 3 baterías:
Batería 1: MP176065 (6.8Ah)
Operación
1
DCH (descarga)
2
PAU (pausa)
3
CHA ( carga)
4
PAU
5
DCH
6
STO(Parada)
Corriente
Limites
Registro de
Carga/Descarga
carga/descarga
datos
1.4 A
2.5V
1min
1 hora
30min
3.4A
4.2V
1min
1.4A
2.5V
1min
Corriente
Limites
Registro de
Carga/Descarga
carga/descarga
datos
1.6A
2.8V
1min
1 hora
30min
1.6A
4.2V
1min
1.6A
2.8V
1min
Corriente
Limites
Registro de
Carga/Descarga
carga/descarga
datos
4A
2.5V
1min
1 hora
30min
4.2V
1min
Batería 2: LPC7799130L (8Ah)
Operación
1
DCH (descarga)
2
PAU (pausa)
3
CHA ( carga)
4
PAU
5
DCH
6
STO(Parada)
Batería 3: LC 2665P (4Ah)
Operación
1
DCH (descarga)
2
PAU (pausa)
3
CHA ( carga)
4A
139
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4
PAU
5
DCH
6
STO(Parada)
1.6A
2.5V
1min
Ensayo 1. Cálculo de las prestaciones de las baterías a distintas
temperaturas.
A partir de los resultados obtenidos se pueden calcular las siguientes
prestaciones:
-
Corriente de descarga Id(A). Se obtiene ploteando los resultados de
V.descarga a diferentes valores de I.descarga. Después se extrapolan los
resultados para la V.descarga que indica el fabricante.
-
Potencia Wd (W)
Wd = Vd x Id
Donde:
Vd es la tensión de corte en descarga facilitada por el fabricante
Id es la corriente de descarga (A)
-
Densidad de potencia por unidad de masa Pd (W/Kg)
Pd = Wd / M
Donde:
M es el peso de la celda (kg)
-
Corriente de carga Ic (A); Para el cálculo de la corriente de carga
utilizaremos el mismo método usado anteriormente para la corriente de
descarga pero utilizando los valores de tensión durante la etapa de carga.
-
Potencia regenerativa Wc (W)
Wc = Vc x Ic
140
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Donde:
Vc es el límite de tensión de carga facilitado por el fabricante
Ic es la corriente de carga calculada anteriormente
-
Potencia regenerativa por unidad de masa Pc (W/kg)
Pc = Wc / M
Resultados:
Batería 1: MP176065 (6.8Ah)
T 25 ºC
T 45 ºC
T 0 ºC
T - 20 ºC
Corriente de descarga
43.94A
56.95 A
24.21 A
6.35 A
Potencia
109.85 W
142.375
60.525 W
15.95 W
930.55
395.58
79.75
W/kg
W/kg
W/kg
W
Potencia por unidad de
717.97 W/kg
masa
Corriente de carga
19.76 A
20.93 A
2.88 A
0.5 A
Potencia regenerativa
82.992W
87.906
12.096 W
2.1 W
574.54
79.05
13.72
W/kg
W/kg
W/kg
W
Potencia regenerativa por
580.36W/kg
unidad de masa
Batería 2: LPC7799130L (8Ah)
T 25 ºC
T 45 ºC
T 0 ºC
T - 20 ºC
Corriente de descarga
108.39 A
147.95 A
75.91 A
21.18 A
Potencia
303.49 W
414.26 W
212.548
59.304 W
W
Potencia por unidad de
1517.46W/kg
2071.3
1062.74
296.56
141
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masa
W/kg
W/kg
W/kg
Corriente de carga
33.15 A
46.65 A
12.162 A
0.5 A
Potencia regenerativa
139.23W
195 W
51.093 W
2.1 W
Potencia regenerativa por
696.15W/kg
979.65
255 W/kg
10.5 W/kg
unidad de masa
W/kg
Batería 3: LC 2665P (4Ah)
T 25 ºC
T 45 ºC
T 0 ºC
T - 20 ºC
Corriente de descarga
37.9 A
44.03 A
21.45 A
5.94 A
Potencia
94.75 W
110.075 W
53.625 W
14.85 W
Potencia por unidad de
1024.32W /kg
1190 W/kg
582.88
160.54
W/kg
W/kg
masa
Corriente de carga
20.15 A
23.26 A
10.59 A
1.5 A
Potencia regenerativa
84.63 W
97.692 W
44.478 W
6.3 W
Potencia regenerativa por
914.49 W/kg
1056 W/kg
480.84
68.108
W/kg
W/kg
unidad de masa
142
Proyecto Fín de Máster:
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Ensayo de capacidad y energía a distintas temperaturas.
T 0º C
T 25 º C
1.809
5.189
5.402
0.001
5.17
5.426
0.034
7.511
20.714
21.374
0.004
Descarga 6.097
19.212
21.818
0.091
Capacidad Carga
Descarga 1.792
Bateria 1
Energía
Carga
Energía
7.768
7.959
0.928
Descarga 5.944
7.717
7.901
1.008
23.595
30.318
30.99
3.818
Descarga 21.738
29.476
30.32
3.155
2.457
3.478
3.618
0.001
Descarga 2.455
3.376
3.618
0.001
9.832
13.408
13.387
0.004
Descarga 8.122
11.818
12.851
0.003
Carga
Capacidad Carga
Bateria 3
Energía
T - 20º C
5.952
Capacidad Carga
Bateria 2
T 45 º C
Carga
Conclusiones
-
Los mejores resultados en los ensayos
se obtienen trabajando a
temperaturas de 45ºC debido al aumento de la conductividad iónica del
electrolito.
-
A bajas temperaturas, la capacidad disponible es menor a la nominal.
-
En rango de temperaturas de funcionamiento de las baterías de litio es el
siguiente:
o
-
> 60 C se descompone la sal (menor vida)
-
< 0 C se produce el litiado a cualquier régimen de carga
-
< 20 C se produce el litiado en carga rápida (menos ciclos de vida)
o
o
143
Proyecto Fín de Máster:
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6.2.3.2. Temperaturas admisibles.
Otro aspecto muy importante a analizar en relación a la aplicación de las
baterías en los vehículos eléctricos, es el incremento de temperatura que tiene
lugar en las baterías con su uso. A partir de cierta temperatura se degradan y
en otros casos los sistemas de protección las ponen en circuito abierto.
Ensayos propuestos:
Estos experimentos los definiremos partiendo con la batería a temperatura
ambiente
y
sometiéndola
a
una
carga/descarga
constante
midiendo
simultáneamente tensión, intensidad y temperatura en el exterior (en varios
puntos de la carcasa exterior) en intervalos de tiempo constantes, con el
objetivo de alcanzar temperaturas extremas.
El objetivo es desarrollar un modelo de comportamiento térmico de la batería
que a su vez permitiría determinar los requerimientos de refrigeración de la
misma, que por lo tanto, evitarían su degradación.
144
Proyecto Fín de Máster:
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En principio se definen 3 ensayos a realizar, que consisten en:
-
Cargas y descargas a 3C / 5 minutos sin reposo, hasta alcanzar una Tª máxima
de 60 ºC
-
Cargas y descargas a 5C / 3 minutos sin reposo, hasta alcanzar una Tª máxima
de 60 ºC
-
Cargas y descargas a 8C / 1 minuto sin reposo, hasta alcanzar una Tª máxima
de 60 ºC
Para la realización de estos ensayos, no es necesario una preparación previa
de la carga, sino que se parte de la batería cargada a 1C (8A), con un voltaje
de 4,2 V.
ENSAYO 1:
-
Cargas y descargas a 3C / 5 minutos sin reposo, hasta alcanzar una Tª máxima
de 60 ºC
Se programa la unidad de control, del siguiente modo:
-
Descarga a 3C (21 A), hasta 2,5 V.
-
Carga a 3C (21 A), hasta 4,2 V.
-
Repetición de este ciclo hasta un máximo de 50 ciclos y la operación se aborta
si la celda alcanza la Tª de 60 ºC.
Se tomarán los registros de 10:00 – 17:00 h, con lectura de datos cada minuto.
Como se observa, se pretende realizar ciclos sobrepasando las condiciones de
carga y descarga recomendadas por el fabricante, con el objetivo de alcanzar
temperaturas más altas, que podrían darse al trabajar en condiciones
operativas no habituales, así como no recomendables, que son las siguientes:
“Condiciones de carga recomendadas:
3.4 A (C/2) recomendada, aunque es seguro cargar hasta a 7 A (≈ C), por
encima de ese valor es posible, en detrimento de los ciclos de vida de la
batería.”
Además se le retira el circuito de protección térmico, para evitar su acción y
que no aborte la carga o descarga programada. Los registros de datos de
temperatura se toman con el adquisidor de datos mostrado en la figura 74.
145
Proyecto Fín de Máster:
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Figura 74 – Adquisidor de datos sonda 2 de Temperatura
Figura 75 – Digatrón
146
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Figura 76 – Batería conectada al equipo Digatrón y al adquisidor de datos.
Figura 77– Batería ensayada, planta.
147
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Figura 78 – Batería ensayada, alzado.
Figura 79 – Batería ensayada, perfil.
Resultados:
Transcurrido el segundo ciclo, la batería ya no puede alcanzar la carga
completa, pues el proceso electroquímico correspondiente no se completa. Se
muestran los resultados del ensayo en la tabla 5 del anexo II.
148
Proyecto Fín de Máster:
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Se propone repetir el ensayo, modificando los criterios de carga/descarga, de
modo que se tomará como intensidades de carga y descarga las máximas
admisibles por el fabricante, por encima de las recomendadas, pero menores
que las del ensayo anterior, con la finalidad de obtener un muestreo suficiente
de la evolución de la Temperatura en el tiempo, los resultados se muestran en
la tabla 6 del anexo II.
Los resultados de temperatura son muy estables, apenas hay oscilaciones. Se
decide repetir el ensayo anterior en idénticas condiciones y se comprueba, que
la electroquímica de la celda se había estropeado, tras alcanzar el pico de
temperatura de 39,64 ºC. Por lo tanto, al descargar con intensidades altas, del
orden de 3C, las prestaciones de la batería se anulan.(Cuando el fabricante
permite hasta 4C).
Se realiza el mismo ensayo, pero con intensidades de descarga de 2C, máximo
recomendado por el fabricante y los resultados se muestran en la tabla 7 del
anexo II.
A continuación, se representa gráficamente la evolución temporal de la
temperatura en la sonda de control , en la figura 80, y la evolución de la
potencia en la figura 81:
Figura 80 – Gráfica Temperatura sonda BC- tiempo.
149
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Figura 81 – Gráfica Potencia- tiempo.
Los resultados son los siguientes:
La batería admite intensidades de descarga de hasta 2C, sin deteriorarse y
puede alcanzar un máximo de temperatura de 47,897ºC.
150