Baterias de Litio

B a t e r ía s

Centro de Investigación e n M e c a t r ón ón i c a A u t o m o t r i z

Dr. Jo séIgn aci o Hu ertas In g . Gi n a Ram R am ír ez G ar c ía Ing. Daniel Cord ero Moreno

Agenda • Introducción • Reseña histórica • Definición baterías • Tipos y clasificación de baterías • Baterías de ion-litio • Estados de la batería • Tiempo de vida de la batería • Manejo de la temperatura • Pruebas en baterías • Seguridad, regulación y normas

Centro de Investigació Investigación n

2

Introducción Tipos de energía


3

Introducción


4

Introducción Diferentes tecnologías como almacenadores y fuentes de energía

Energías renovables

Carbón

Celda de combustible

Baterías Centro de Investigación

5

Res eñ a h is tóric a 1800

Alessandro Volta

Centro de Investigación

1859

Gaston Planté

1899

Waldemar Jungner

1955

Lew Urruy

1979

John Goodenough

6

B at er ías : Definición +

Almacena energía electroquímica

-

Celda voltaica

Una celda electroquímica es un dispositivo capaz de obtener energía eléctrica a partir de reacciones químicas

Á NO D O

Fuente: Celda voltaica google images


7

B at er ías : Definición +

Almacena energía electroquímica

-

Batería

Entrega su energía casi en su totalidad, en un determinado número de ciclos.

Separador

Á N O D O Electrolito


C Á T O D O Fuente: Paper State of charge of lithium-ion battery, Sciencie Direct.

8

B at er ías : Definición de términos El electrodo negativo, donde sucede la reducción. El ánodo es el electrodo que pierde electrones

Ánodo Electrolito

El electrolito hace de conductor iónico, puede ser líquido o sólido

Qué es? Separador

El separador proporciona un aislamiento entre el ánodo y el cátodo.

Cátodo El electrodo positivo, también conocido como el electrodo oxidante. Gana electrones


9

B at er ías : Materiales de las partes

Ánodo


Cátodo

Electrolito

Zinc (Zn)

Óxido de manganeso (MnO2)

Solución acuosa

Cadmio (Cd)

Nickel (NiOOH)

Orgánicos

Plomo (Pb)

Sulfuro de metal

Polímeros

Litio (Li)

Dióxido de plomo (PbO2)

Cerámicos

10

B aterías : Tipos de celdas • Cilíndrica – Primeras fabricadas – Las

opciones de enfriamiento son limitadas

• Prismática – Ocupan menos espacio – Tienen

opciones de enfriamiento por líquido y aire


11

B at er ías : Principio de funcionamiento

Batería cargada


Batería en funcionamiento

Batería descargada

12

B aterías : Tipo de baterías • Según la química de la batería hay diferentes tipos: Batería

Ánodo (-)

Cátodo (+)

Electrolito

V. Celda

PbO2

H2SO4

2V

Ni(OH)2

KOH

1.2 V

Ácido-Plomo

Pb

Nickel-Cadmium

Cd

Nickel-metal Hidruro

Metal hidruro

Ni(OH)2

KOH

Iones de litio

Carbón

Litio polímero

Óxido de litio

Carbón

Solución de litio

Óxido de cobalto

Solución de polímero


1.2 V 3.6 V 3.7 V

13

B at er ías : Voltaje Voltaje de cada celda

 −     =   ()

 =Potencial químico

*

Análisis termodinámico

∆ =   −   

*

∆= Energía libre de gibbs [J/mol]


 C Á T O D O

14

B at er ías : Voltaje Para proceso reversible

∆=−

*n= Número de electrones transferidos en la reacción *F= 96500 C/mol *Vr=Voltaje de la celda

Voltaje condiciones estándar C  Á T O D O

∆   = −



     =  − ln   


15

B at er ías : Voltaje Ejemplo: Baterías de litio

 + → + 

 = 3.45  =1 ∆=−C Á T ∗ 3.45  ∆=−1∗96500  O D ∆ = −. / O


16

B at er ías : Energía específica Es la capacidad de energía por unidad de peso de la batería

∆  ℎ  , = − 3.6   = 3.6   =   = 3.45  =1  = 229.8C Á =96,500T O   = 1∗96,500∗3.45∗1000 D , = 3. =. 6   3.6∗0.2298  O Centro de Investigación

17

B at er ías : Potencia específica La máxima potencia por unidad de peso de la batería que puede producir en un corto período de tiempo

   = 4( +  ) Rc Resistencia conductora Rint Resistencia interna causada por la reacción química C Á Potencia específica es importante en la reducción de peso de la batería, T especialmente en aplicaciones de alta demanda de energía, tales como O los HEVs D O


18

B aterías : Terminología Capacidad de la batería [Ah] Densidad de potencia [W/kg – W/L] Densidad de energía [W/kg – W/L] Estado de carga (SOC) [%] Resistencia interna (Ri) [ Ω] Estado de vida (SOL) Fin de vida (EOL) Estado de salud (SOH)


19

B aterías : Capacidad Grafica comparación densidad de energía dependiendo de la composición química de la batería

Fuente: Secondary batteries cell google images


20

B at er ías : Curvas características


21

B aterías : Clasificación Baterías primarias


Baterías secundarias

22

B aterías : Especificaciones • Voltaje • Capacidad Ah • Profundidad descarga • La carga • Dimensiones • Número de ciclos


23

B aterías : ¿Cómo elegir una batería?

¿Primaria o secundaria?

Ciclos Centro de Investigación

Costo

Capacidad

Temperatura

Tiempo de vida 24

B aterías : Tipos de conexiones Conexión serie En el circuito serie la corriente que circula por él sólo tienen un camino por recorrer, por tanto la intensidad es la misma en todo el circuito

 =  =  =  = ⋯ =   =  +  +  +⋯+ Centro de Investigación

25

B aterías : Tipos de conexiones Conexión paralelo Los elementos que lo forman se encuentran unidos entre si por dos puntos y sus características son: •

La corriente total es la suma de la corriente en cada elemento.

•

La diferencia de potencial es la misma en todo el circuito.

1 = 1 + 1 + 1 + ⋯+ 1     

 =  +  +  +⋯+ Centro de Investigación

26

B aterías : Tipos de conexiones Ejemplo serie Calcular la corriente total que circula en el siguiente circuito con cargas en serie, considerando que la fuente es de 90 volts

  =   = 45 Ω Centro de Investigación

90  = 2   = 45 Ω 27

B aterías : Tipos de conexiones Ejemplo paralelo Encontrar la corriente que circula por el circuito mostrado, suponiendo que se tiene una fuente de 12V


28

B aterías : Ejemplo de dimensionamiento Celda Capacidad

Requerimientos del módulo 14 A-hr

Capacidad

8000 W-hr

Descarga máx.

8C

Descarga máx.

180 A

Descarga continua

5C

Descarga continua

120 A

Carga máxima

3C

Carga máxima

80 A

Carga continua

1C

Carga continua

20 A

Voltaje nominal

3.2 V

Voltaje nominal

285-360 V

• Asumiendo que un módulo son 10 celdas en serie.

¿Cuántos módulos en serie y cuántas celdas en paralelo debe haber en el módulo?


29

B aterías : Ejemplo de dimensionamiento 1. Comenzar por comprobar el número de células en paralelo que cumplen con los requisitos actuales: Corriente de descarga (A) Máximo Requerimientos del modulo 1P Capacidad

Continuo

Corriente de carga (A) Máximo

Continuo

180

120

80

20

8 x 14= 112

5 x 14=70

3 x 14=42

1 x 14=14

2P Capacidad

2 x 8 x 14=224 2 x 5 x 14=140

3P Capacidad

3 x 8 x 14=336 3 x 5 x 14=210 3 x 3 x 14=126 2 x 1 x 14=42

2 x 3 x 14=84 2 x 1 x 14=28

2. Comprobar el número de módulos en serie que se requieren para cumplir con el voltaje del modulo # Modulos Voltaje nominal en serie

del modulo (V) 8 3.2 x 10 x 8 = 256 9 3.2 x 10 x 9 = 288

10 3.2 x 10 x 10 = 320 11 3.2 x 10 x 11 = 352 12 3.2 x 10 x 12 = 384


30

B aterías : Ejemplo de dimensionamiento 3. Revisar la capacidad del modulo según los requerimientos # Modulos # Celdas en en serie

paralelo

Capacidad del modulo

9

1

9 x 10 x 3.2 x 14 = 4032

9

2

2 x 9 x 10 x 3.2 x 14 = 8064

10

1

10 x 10 x 3.2 x 14 = 4480

10

2

2 x 10 x 10 x 3.4 x 14 =8960

11

1

11 x 10 x 3.2 x 14 =4928

11

2

2 x 11 x 10 x 3.2 x 14 = 9856

4. Elija la configuración del modulo que mejor se adapte a la aplicación: •

90S2P cumple con los requerimientos sin necesidad de capacidad adicional

El siguiente paso sería analizar la configuración 90S2P a través de varios ciclos de conducción •

Sí la capacidad es una limitación (debido al rango de requerimientos y control de la batería para alto o bajos SOC), entonces usar 10S2P


31

B aterías : Ni c k el- Cad m io

Mejor rendimiento a baja temperatura Larga vida Confiabilidad Requiere poco mantenimiento Alto costo Toxicidad Baja potencia para aplicaciones VE Centro de Investigación

32

B aterías : Ni c k el e h id ru ro m etáli c o Mayor energía específica que NiCd 60-80 W h/kg Potencia específica 250 W/kg Usada en VE

1. 2. 3. 4. 5.

Terminal positiva Carcasa de metal exterior Electrodo positivo Electrodo negativo con colector de corriente Separador.


Mayor ciclo de vida que la batería de plomo Alto costo Alta tasa de auto descarga comparada con NiCd Capacidad de aceptación de carga deficiente a temperaturas elevadas 33

B aterías : Plomo-ácido Buena relación de desempeñocosto

Provee poca energía por peso

  

Plomo ácido

Pesadacorto tiempo de vida

Es la más fabricada en el mundo Mantenimiento Contaminante

Reacción global

Pb+Pb + 2 2 + 2 Carga

Voltaje por celda 2 V





Descarga


34

B aterías : Plomo-ácido Características electromecánicas favorables Fácil manufactura Baja energía específica Bajo rendimiento a bajas temperaturas Bajo tiempo de vida Rejilla batería plomo ácido

Energía específica 35-50 W h/kg Potencia específica 150-400 W/kg


35

Aplicaciones: Plomo ácido Automoción

Embarcaciones

Industriales


36

B at ater erí ías d e io n -li -litt i o

Centro de Investigación e n M e c a t r ón ón i c a A u t o m o t r i z

B a t e r ía s : Li-ion Baja densidad

Provee mayor energía por peso   

Alto ciclo de vida vida Sensible a perfiles de uso Gran aplicabilidad

Iones de litio

Mayor potencial

Voltaje por celda 3.4- 4.0V

Reacción global

 + → +  Centro de Investigació Investigación n

38

B a t e r ía s : Li-ion • Estructura


39

B a t er ía s : Tipos –Litio LiPolímero Li-HierroFosfato

Li-NickelAluminio

Tipos Li-Nickelmanganeso

Li- cobalto

Li-Titanio


40

B aterías : Características

Litio-cobalto

Litio-nickel-manganesocobalto Centro de Investigación

Litio-manganeso

Litio-Nickel-aluminiocobalto

Litio-fosfato

Litio-titanio 41

B aterías : Tipos-Litio


42

Aplicaciones: Litio Eficiencia energética


Vehículos híbridos y eléctricos

43

B attery Pack Managem ent Conjunto de baterías, pueden estar conectadas en serie o paralelo o combinadas. Serie Voltaje requerido Paralelo Incrementar la capacidad Fuente: http://www.cleantechinstitute.org/Training/CEVT.html


44

B attery Managem ent System • ¿Qué es un BMS? • Es un sistema embebido construido para el procesamiento

electrónico. – Protege la seguridad del operador del vehículo y sus pasajeros – Protege las celdas de la batería – Informa sobre cómo se puede hacer el mejor uso del paquete de baterías


45

B attery Managem ent System El BMS está diseñado para tener todas o algunas de las siguientes características:


•

Estimación del estado de carga (SoC)

•

Monitorear el estado de salud (SoH) de la celda y el paquete.

•

Control de temperatura

•

Control carga-descarga

•

Registro de datos 46

B MS: Monitoreo v oltaje ¿Porqué/Cómo medir el voltaje de todas las celdas? El voltaje de la celda es un indicador crítico de: • Balance relativo de las celdas • Seguridad y salud del paquete de baterías El voltaje es una entrada crítica para la mayoría de los algoritmos de SoH y SoC


47

B MS: Medición tem peratura ¿Porqué medir la temperatura? • No cargue la batería a baja temperatura. • Controlar el sistema de gestión térmica para mantener la temperatura en la región de “seguro” • Ubicar sensores exteriores a una o más celdas por módulo,

con el fin de calcular temperaturas internas

Fuente: http://www.nrel.gov/vehiclesandfuels/energystorage/images/photo_infrafred_leadacid.j pg Centro de Investigación

48

B MS: Medición tem peratura ¿Cómo medir la temperatura? • Se debe convertir la temperatura en una señal de tensión y

medirla a través de un circuito de A2D • Las termocuplas directamente producen un voltaje (muy

pequeño), el cual puede ser amplificado y medido


49

B MS: Medición co rriente ¿Porqué/Cómo medir la corriente? • Para el paquete de baterías las mediciones de corriente son

necesarias para garantizar la seguridad, y registrar las condiciones de abuso • Existen dos métodos básicos • Shunt • Efecto hall

Fuente :http://tema4grupo5.blogspot.mx/


Fuente: www.lem.com

50

B MS: Medición co rriente Resistencia de shunt Resistencia de bajo valor que esta conectada en serie con el paquete de baterías La corriente se calcula por la medida de caída de voltaje en la resistencia de shunt

  =   Centro de Investigación

Fuente:http://tema4grupo5.blogspot.mx/

51

B MS: Medición co rriente Sensor de efecto hall Sensores de efecto de campo magnético que miden el paso de la corriente que fluye a través de un alambre Algunas compensaciones entre los dos métodos: Fuente: www.lem.com

• Shunt Simple/ Aislamiento • Efecto hall Fácil cambio a la

temperatura/ Calibrar Centro de Investigación

52

B attery Managem ent System


53

Mo d elac ión d e b ater ías Enfoque

Caracteristicas Representación de las reacciones

Modelos ele ctroquímicos

electroquímicas, termodinámicas y de construcción del acumulador

Modelo circuital en continua

Modelos circuita en alterna

Modelos tipo caja negra Modelos estocásticos Modelos heurísticos


Representación de procesos electroquímicos de la batería en el dominio eléctrico DC Representación de procesos electroquímicos de la batería en el dominio eléctrico AC En base a datos de entrada-salida, generan un modelo de la batería La modelación se asume que es un proceso estocástico, tipo cadena de Markov Se representa alguna característica del acumulador por medio de una heurística

54

Mod elo circu ital en co ntin ua Modelo Thevenin capa simple

• Asume valores de resistencia y capacitancia constantes Modelo Thevenin doble capa

• Es un modelo mejorado, caracteriza efectos de polarización Modelo Thevenin Runtime

• Representa el tiempo de vida útil de la batería Modelo Shepherd

• Sólo trabaja en aplicaciones de carga y descarga constante Modelo de Plett

• Se combina con el modelo de Shepherd para obtener el modelo dinámico de la

batería


55

Es tad o s d e l a b atería Estado de salud (SOH) Estado de vi da (SOL) Estado de carga (SOC) Centro de Investigación

• Cuantificación del proceso

de envejecimiento. • Capacidad y potencia

• Tiempo restante de vida de

la batería • Degradación de mecanismos • Factor clave • Porcentaje de carga que

queda en la batería

56

Estad o d e carga (SOC): Baterías de litio •

Es la capacidad nominal restante en la batería comparada con la energía que tiene cuando esta 100% cargada.

•

El cambio en el SOC en un intervalo de tiempo dt con una corriente de descarga puede expresarse como:

Puede expresarse como:

  ∆=  ()   = −   

Este valor cambia únicamente debido a la corriente en la celda o autodescarga


57

¿Po r q u én o s e p u ed e m ed ir fác ilm en te el es tad o d e c ar g a d e u n a b ate ría? El SOC debe calcularse a partir del voltaje y la corriente de la celda. Alternativa 1: Medir voltaje en circuito abierto de la batería – Curva de descarga se obtiene a

carga constante

Alternativa 2: Llevar un registro de los consumos – Problema: Cuando se instala un

nuevo rack de baterías no se sabe cual es su estado inicial de carga.


58

Estad o d e carga (SOC): Métodos Medición SOC para baterías

Medición directa

Medición de gravedad específica para SOC

Estimación del SOC basado en corriente (Conteo Coulomb)


Estimación del SOC basado en voltaje

Medición de la impedancia interna para estimar SOC

59

Estad o d e carg a (SOC): Métodos- litio Medición SOC para baterías de litio

Estimación teórica

Estimación práctica

Estimación basada en look up tables

Algoritmos de estimación


60

Estado de c arga (SOC): L itio Estimación teórica Variables que afectan el rendimiento

Estimación práctica Look up tables

Estimación exacta basada en Look up tables Errores de desplazamiento (número y significado de influir factores considerados) Tamaño de la muestra y de validez, Auto Velocidad de descarga

Conteo de Coulomb

Las baterías no tienen comportamiento lineal


Recopilación de datos reales medidos

Sensores, microprocesador

Puntos de datos y algoritmos de predicción, Eficiencia de Coulomb

Errores aleatorios (Exactitud de la medida), Error acumulativo Build Up

61

Estado de c arga (SOC): L itio Algoritmos de estimación

Lógica difusa


Filtrado de Kalman

Redes neuronales

62

Filtrado extendid o d e K alm an El objetivo es determinar el estado no medible de un sistema no lineal. En este caso se debe usar el proceso de linealización en cada tiempo para aproximar el sistema no lineal a un sistema variante en el tiempo. (LTV) Ecuación de estado Ecuación de salida

Series de Taylor


63

Estad o de c arga (SOC): Factores que la afectan

Capacidad de uso

Tasa de carga y descarga


Histéresis

Tasa de descarga y temperatura

Envejecimiento de la celda

Auto descarga

64

En v ejec im ien to d e la b ater ía • Las celdas de ion litio tienen relativamente bajo tiempo de

vida • Según el consumo de las celdas puede ser de 1-4 años • Duración de 10 años celda de automóviles • Factores de envejecimiento – Temperatura – Estado de carga – Potencia – Rendimiento energético


65

En v ejec im ien to d e la b ater ía Ciclos de vida La capacidad de la celda decrece linealmente con el número de ciclos de carga y descarga


66

Seg u rid ad en b aterías

Centro de Investigación e n M e c a t r ón i c a A u t o m o t r i z

Seg u rid ad en b ater ías Abusar de una célula del Li-ion de una determinada manera puede ser muy peligroso y puede resultar en daños físicos. Perforación  Aplastamiento 

Debido al sobrecalentamiento a partir de: Sobre voltaje  Sobre corriente  Calor externo 


68

Seg u rid ad en b ater ías

Área de funcionamiento seguro El área de funcionamiento seguro de las células de Li-Ion está limitado por corriente, temperatura y voltaje Descarga fuera del rango de temperatura

Descarga a intensidad demasiado alta y carga rápida

Pueden haber daños si se opera a pulsos de corriente altos por varios segundos


69

Seg u rid ad en b ater ías

Área de funcionamiento seguro Celdas




70

Manejo d e la tem peratura

¿Porqué medir la temperatura?

¿Cómo se afectan las celdas?


Control térmico

71

Seguridad

Una batería de Li-ion en el fuego después de un cortocircuito directo Centro de Investigación

72

Seguridad


73

Seguridad

Restos de un PHEV Prius después de su paquete de tracción Li-Ion se incendió


74

Seg u rid ad en b ater ías ¿Porqué ocurren estos eventos? Pobre diseño mecánico  Malos procesos de manufactura 

Prevención…

Vestir equipo de seguridad  No objetos de metal  Diseñe un plan de prevención  Diseño baterías correctamente, el uso estricto control de calidad. 


75

B aterías Seguridad, regulaciones y normas Seguridad de la batería/ Híbridos SAE J2929 “Norma de seguridad para vehículos híbridos y eléctricos propulsados por un sistema de batería de iones de litio recargable”.  SAE J2469 “Aplicación para tren motriz y capacidad de arranque”  UL 2580 “Uso de baterías en vehículos eléctricos” 

Pruebas de rendimiento SAE J1798 “Práctica recomendada para la clasificación de rendimiento de los módulos de baterías del vehículo eléctrico” 


76

B aterías Seguridad, regulaciones y normas Pruebas de rendimiento SAE J2288 “Pruebas de ciclo de vida del módulo de baterías de un vehículo 

eléctrico”

USABC “Consejo de investigación automotriz de los Estados Unidos” 

Pruebas de temperatura. T1-T8 

T2

“Prueba térmica” 

T7

“Sobrecarga, sólo para baterías recargables” 

T8

“Descarga a fuerza” Centro de Investigación

77

Pr u eb as en b aterías

BMS

Eléctricas

Balance de celdas

Carga y descarga

Verificación y diagnóstico SOC/SOH/SOF

Corto circuito

Precisión de medida y temperatura

Resistencia

Señal de adquisición

Eficiencia

Detección de aislamiento

Verificación de seguridad

Medición de corriente y voltaje

Pruebas para rango de voltaje


78

Pr u eb as en b aterías

Físicas

Ambientales

Arranque en frío

Rendimiento térmico

Vibraciones

Manejo de la temperatura

Simulación ciclo de conducción

Humedad térmica

Impacto

Prueba de “niebla salina”

Autodescarga

Exposición térmica

Inmersión agua-sal

Prueba de altitud


79

Situación, perspectivas y futu ro


80

Situación, perspectivas y futu ro Energía específica  Cambio

de material

 Optimización

del diseño de la celda

 Aleaciones

de metal de litio, por ejemplo, de litio-silicio (LiSi), y de litio-estaño (Li-Sn), aleaciones, se encuentran entre los electrodos negativos más prometedores para sustituir materiales comunes a base de carbono.

 Investigación

de nuevos materiales de ánodo se dirige también a los óxidos de titanio y óxido de litio de titanio


81

Situación, perspectivas y futu ro La potencia  Nuevas

morfologías de electrodos nano estructurados

 Se

espera que el uso de nano estructuras de lugar a un aumento de la superficie geométrica, con lo que se consigue mas baja densidad.

 Mejores

aglutinantes y aditivos


82

Situación, perspectivas y futu ro Seguridad y confiabilidad  Seguridad

y fiabilidad en los electrolitos

 Estabilidad  Reducir

térmica, protección sobrecarga.

toxicidad

 Electrolitos

de gel y líquidos


83

B ib lio g raf ía • • • • • •

Battery University. http://batteryuniversity.com SAE International. Hybrid and Electric vehicle engineering academy Understanding batteries. Ronald M Dell y David A. J. Rand Modern electric, Hybrid electric and fuel cell vehicles. Mehrdad Ehsani, Yimin Gao y Ali Emadi Lithium batteries: Status, prospects and future. Bruno Scrosat, Jürgen Garche State of charge. www.poweruk.com


84

Baterias de Litio

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