¿Cómo Interpretar las Curvas de Descarga de la Batería?
Las baterías son sistemas electroquímicos y termodinámicos complejos, con múltiples factores que afectan su rendimiento.
Si bien la química de la batería es sin duda el factor más crítico, al determinar qué batería es la más adecuada para una aplicación específica, también se deben considerar otros factores como las tasas de carga y descarga, la temperatura de funcionamiento, las condiciones de almacenamiento, los detalles estructurales físicos y más.
Términos sobre Parámetros de Baterías
En primer lugar, necesitamos definir varios términos:
★ Voltaje en Circuito Abierto (Voc) es el voltaje entre los terminales de la batería cuando la batería no está bajo carga.
★ Voltaje Terminal (Vt) es el voltaje entre los terminales de la batería cuando se aplica una carga a la batería; normalmente inferior a Voc.
★ Voltaje de Corte (Vco) es el voltaje especificado por la batería para una descarga completa. Aunque puede haber alguna carga residual, operar la batería por debajo del voltaje Vco puede dañarla.
★ La capacidad mide el amperio-hora total (AH) que una batería puede proporcionar a plena carga hasta que Vt alcance Vco.
★ Tasa de Carga-Descarga (C-Rate) es la velocidad a la cual una batería se carga o descarga en relación con su capacidad nominal.
Por ejemplo, una tasa de 1C cargará o descargará la batería por completo en 1 hora. A una tasa de descarga de 0.5C, la batería se descargará por completo en 2 horas.
El uso de tasas de C más altas a menudo reduce la capacidad de la batería disponible y puede dañar la batería.
★ Estado de Carga (SoC) cuantifica la capacidad de batería restante en forma de porcentaje de su capacidad máxima.
Cuando SoC alcanza cero y Vt alcanza Vco, es posible que aún quede alguna carga en la batería, pero no se puede descargar más la batería sin dañarla y afectar la capacidad futura.
★ Profundidad de Descarga (DoD) es el complemento de SoC, que mide el porcentaje de capacidad de la batería que se ha descargado; DoD = 100 – SoC.
- La vida útil de ciclo es la cantidad de ciclos disponibles que una batería puede experimentar antes de llegar al final de su vida operativa.
★ El Fin de Vida (EoL) para una batería se refiere a cuando la batería ya no puede cumplir con sus especificaciones mínimas designadas.
El EoL se puede cuantificar de diversas maneras:
- La degradación de la capacidadse basa en un porcentaje dado de disminución de la capacidad de la batería en comparación con la capacidad nominal en condiciones especificadas.
- La degradación de la potenciase basa en un porcentaje dado de disminución de la potencia máxima de la batería en comparación con la potencia nominal en condiciones especificadas.
- El rendimiento de energía cuantifica la cantidad total de energía que se espera que la batería maneje durante su vida útil, como 30MWh, basado en condiciones de operación específicas.
★ El Estado de Salud (SoH) mide el porcentaje de vida útil útil que le queda a la batería antes de llegar al EoL.
Curva de Polarización
La curva de descarga de la batería se forma en función de los efectos de polarización que ocurren durante el proceso de descarga.
La cantidad de energía que una batería puede proporcionar en diferentes condiciones de funcionamiento, como la tasa de C y la temperatura de trabajo, está estrechamente relacionada con el área bajo la curva de descarga.
Durante el proceso de descarga, el voltaje terminal (Vt) de la batería disminuye.
La disminución en Vt está relacionada con varios factores principales:
✔ Caída de IR
La caída de voltaje en la batería causada por la corriente que pasa a través de la resistencia interna de la batería. Este factor aumenta a una tasa básicamente lineal a tasas de descarga más altas, con temperatura constante.
✔ Polarización de Activación
Se refiere a varios factores de desaceleración relacionados con la cinética de las reacciones electroquímicas, como las funciones de trabajo que los iones deben superar en la interfaz entre el electrodo y el electrolito.
✔ Polarización de Concentración
Este factor considera la resistencia que enfrentan los iones a medida que se transfieren de un electrodo a otro durante los procesos de transferencia de masa (difusión).
Este factor predomina cuando una batería de iones de litio se descarga por completo, y la pendiente de la curva se vuelve muy pronunciada.
La curva de polarización de la batería (curva de descarga) muestra el impacto acumulativo de la caída de IR, la polarización de activación y la polarización de concentración en Vt (potencial de la batería). (Imagen: BioLogic)
Factores considerados en la curva de descarga
Las baterías han sido diseñadas para una amplia gama de aplicaciones, ofreciendo diversas características de rendimiento.
Por ejemplo, existen al menos seis sistemas químicos básicos de iones de litio (Li-ion), cada uno con su conjunto único de características.
Las curvas de descarga generalmente se representan con Vt en el eje Y y SoC (o DoD) en el eje X.
Dado que el rendimiento de la batería está relacionado con varios parámetros como la tasa C y la temperatura de funcionamiento, cada sistema químico de batería tiene una serie de curvas de descarga basadas en conjuntos específicos de parámetros de funcionamiento.
Por ejemplo, el gráfico a continuación compara el comportamiento de descarga de dos sistemas químicos de iones de litio comunes y baterías de plomo-ácido a temperatura ambiente y una tasa de descarga de 0.2C.
La forma de la curva de descarga es de gran importancia para los diseñadores.
Curvas de descarga para baterías de iones de litio y baterías de plomo-ácido utilizando una tasa de descarga de 0.2C. (Imagen: Off Grid Ham)
Una curva de descarga plana puede simplificar ciertos diseños de aplicaciones porque la voltaje de la batería se mantiene relativamente estable a lo largo de todo el ciclo de descarga.
Por otro lado, una curva inclinada puede simplificar la estimación de la carga restante, ya que la voltaje de la batería está estrechamente correlacionada con la carga restante en la batería.
Sin embargo, para las baterías de iones de litio con curvas de descarga planas, la estimación de la carga restante requiere métodos más complejos, como el conteo de Coulombs, que mide la corriente de descarga de la batería e integra la corriente en el tiempo para estimar la carga restante.
Además, las baterías con una curva de descarga inclinada experimentan una disminución de la potencia a lo largo de todo el ciclo de descarga. Puede ser necesario sobredimensionar la batería para admitir aplicaciones de alta potencia hacia el final del ciclo de descarga. A menudo se requieren convertidores elevadores para alimentar dispositivos y sistemas sensibles utilizando baterías con curvas de descarga pronunciadas.
Aquí está la curva de descarga de las baterías de iones de litio, que muestra que si la batería se descarga a una velocidad muy alta (o, por el contrario, a una velocidad baja), la capacidad efectiva disminuirá (o aumentará). Esto se conoce como la pérdida de capacidad, y este efecto es común en la mayoría de los sistemas de química de baterías.
La voltaje y la capacidad de las baterías de iones de litio disminuyen a medida que aumenta la tasa de C. (Imagen: Richtek)
La temperatura de funcionamiento es un parámetro crucial que afecta al rendimiento de las baterías.
- A temperaturas extremadamente bajas, las baterías con electrolitos acuosos pueden congelarse, lo que limita el extremo inferior de su rango de temperatura de funcionamiento.
Las baterías de iones de litio pueden experimentar la deposición de litio en el electrodo negativo a bajas temperaturas, lo que reduce permanentemente su capacidad.
- A altas temperaturas, las sustancias químicas pueden descomponerse, lo que provoca que la batería deje de funcionar.
Entre la congelación y la descomposición química, el rendimiento de la batería generalmente varía significativamente con los cambios de temperatura.
El gráfico a continuación ilustra el impacto de la temperatura en el rendimiento de las baterías de iones de litio a diferentes temperaturas.
El rendimiento puede degradarse significativamente a temperaturas muy bajas. Sin embargo, la curva de descarga de la batería es solo un aspecto del rendimiento de la batería. Por ejemplo, cuanto más se aleja la temperatura de funcionamiento de la batería de la temperatura ambiente (ya sea alta o baja), menor es la vida útil del ciclo.
Un análisis completo de todos los factores que afectan a la aplicabilidad de varios sistemas de química de baterías para aplicaciones específicas va más allá del alcance de este artículo sobre las curvas de descarga de las baterías.
Otros ejemplos de métodos para analizar el rendimiento de las diferentes baterías son los gráficos Ragone.
The chart below illustrates the impact of temperature on the performance of lithium-ion batteries at different temperatures.
Performance can be significantly degraded at very low temperatures.
However, the battery discharge curve is just one aspect of battery performance. For example, the further a battery’s operating temperature deviates from room temperature (whether high or low), the lower the cycle life.
A comprehensive analysis of all factors affecting the applicability of various battery chemistry systems for specific applications goes beyond the scope of this article on battery discharge curves. Other examples of methods for analyzing different battery performance are Ragone plots.
La voltaje y capacidad de la batería dependen de la temperatura. (Imagen: Richtek)
Gráficos de Ragone
Los gráficos de Ragone comparan la potencia específica con la energía específica de diferentes tecnologías de almacenamiento de energía.
Por ejemplo, al considerar las baterías de vehículos eléctricos, la energía específica se relaciona con la autonomía, mientras que la potencia específica corresponde al rendimiento en la aceleración.
Comparación de la relación entre la energía específica y la potencia específica de diversas tecnologías en un gráfico de Ragone. (Imagen: Researchgate)
Un gráfico de Ragone se basa en la densidad de energía de masa y la densidad de potencia, y no incluye ninguna información relacionada con los parámetros de volumen.
Aunque el metalúrgico David V. Ragone desarrolló estos gráficos para comparar el rendimiento de varias químicas de baterías, los gráficos de Ragone también son aplicables para comparar cualquier conjunto de dispositivos de almacenamiento de energía y potencia, como motores, turbinas de gas y celdas de combustible.
La relación entre la energía específica en el eje Y y la potencia específica en el eje X representa las horas de funcionamiento del dispositivo a su potencia nominal.
El tamaño del dispositivo no afecta esta relación, ya que los dispositivos más grandes tendrán una capacidad de potencia y energía proporcionalmente mayor. Las curvas isocronales en el gráfico de Ragone que representan un tiempo de funcionamiento constante son líneas rectas.
Conclusión
Es fundamental comprender las curvas de descarga de las baterías y los diversos parámetros que constituyen la familia de curvas de descarga relacionadas con las químicas de baterías específicas.
Debido a la complejidad de los sistemas electroquímicos y termodinámicos, las curvas de descarga de las baterías también son complejas, pero son solo una forma de comprender los compromisos de rendimiento entre diferentes químicas y estructuras de baterías.
