Baterias de Litio

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Text of Baterias de Litio

  • Bateras

    Dr. Jos Ignacio Huertas

    Ing. Gina Ramrez Garca

    Ing. Daniel Cordero Moreno

    Centro de Investigacin

    en Mecatrnica Automotriz

  • Centro de Investigacin

    en Mecatrnica Automotriz

    Agenda

    Introduccin

    Resea histrica

    Definicin bateras

    Tipos y clasificacin de bateras

    Bateras de ion-litio

    Estados de la batera

    Tiempo de vida de la batera

    Manejo de la temperatura

    Pruebas en bateras

    Seguridad, regulacin y normas

    2

  • Centro de Investigacin

    en Mecatrnica Automotriz

    Introduccin

    3

    Tipos de energa

  • Centro de Investigacin

    en Mecatrnica Automotriz 4

    Introduccin

  • Centro de Investigacin

    en Mecatrnica Automotriz

    Introduccin

    Diferentes tecnologas como almacenadores y fuentes de

    energa

    Energas renovables Carbn Celda de combustible

    5

    Bateras

  • Centro de Investigacin

    en Mecatrnica Automotriz

    Resea histrica

    6

    Alessandro Volta John

    Goodenough

    1800

    Gaston Plant

    1859 1899

    Waldemar Jungner Lew Urruy

    1955 1979

  • Centro de Investigacin

    en Mecatrnica Automotriz

    Bateras: Definicin

    7

    Almacena energa

    electroqumica

    Una celda electroqumica es un

    dispositivo capaz de obtener

    energa elctrica a partir de

    reacciones qumicas

    Celda

    voltaica

    + -

    NO

    D

    O

    Fuente: Celda voltaica google images

  • Centro de Investigacin

    en Mecatrnica Automotriz

    Bateras: Definicin

    8

    Almacena energa

    electroqumica

    Entrega su energa casi en

    su totalidad, en un

    determinado nmero de

    ciclos.

    Batera

    + -

    N

    O

    D

    O

    C

    T

    O

    D

    O Electrolito

    Separador

    Fuente: Paper State of charge of lithium-ion battery, Sciencie

    Direct.

  • Centro de Investigacin

    en Mecatrnica Automotriz

    Bateras: Definicin de trminos

    9

    Qu es?

    nodo

    Electrolito

    Separador

    Ctodo

    El electrodo negativo, donde sucede la reduccin. El

    nodo es el electrodo que pierde electrones

    El electrodo positivo, tambin conocido como el

    electrodo oxidante. Gana electrones

    El separador proporciona un aislamiento entre el

    nodo y el ctodo.

    El electrolito hace de conductor inico, puede

    ser lquido o slido

  • Centro de Investigacin

    en Mecatrnica Automotriz

    Bateras: Materiales de las partes

    10

    nodo

    Zinc (Zn)

    Cadmio (Cd)

    Plomo (Pb)

    Litio (Li)

    Ctodo

    xido de manganeso

    (MnO2)

    Nickel (NiOOH)

    Sulfuro de metal

    Dixido de plomo (PbO2)

    Electrolito

    Solucin acuosa

    Orgnicos

    Polmeros

    Cermicos

  • Centro de Investigacin

    en Mecatrnica Automotriz

    Bateras: Tipos de celdas

    Cilndrica Primeras fabricadas

    Las opciones de enfriamiento son limitadas

    Prismtica Ocupan menos espacio

    Tienen opciones de enfriamiento por lquido y

    aire

    11

  • Centro de Investigacin

    en Mecatrnica Automotriz

    Bateras: Principio de funcionamiento

    12

    Batera cargada Batera en funcionamiento Batera descargada

  • Centro de Investigacin

    en Mecatrnica Automotriz

    Bateras: Tipo de bateras

    Segn la qumica de la batera hay diferentes tipos:

    Batera nodo (-) Ctodo (+) Electrolito V. Celda

    13

    cido-Plomo

    Nickel-Cadmium

    Nickel-metal

    Hidruro

    Iones de litio

    Litio polmero

    Pb

    Cd

    Metal

    hidruro

    Carbn

    Carbn

    PbO2

    Ni(OH)2

    Ni(OH)2

    xido de

    litio

    xido de

    cobalto

    H2SO4

    KOH

    KOH

    Solucin de

    litio

    Solucin de

    polmero

    2 V

    1.2 V

    1.2 V

    3.6 V

    3.7 V

  • Centro de Investigacin

    en Mecatrnica Automotriz

    Bateras: Voltaje

    14

    C

    T

    O

    D

    O

    Voltaje de cada celda

    = ()

    * =Potencial qumico

    Anlisis termodinmico

    =

    * = Energa libre de gibbs [J/mol]

  • Centro de Investigacin

    en Mecatrnica Automotriz

    Bateras: Voltaje

    15

    C

    T

    O

    D

    O

    Para proceso reversible

    =

    *n= Nmero de electrones transferidos en la reaccin

    *F= 96500 C/mol

    *Vr=Voltaje de la celda

    Voltaje condiciones estndar

    0 =

    0

    = 0

    ln

  • Centro de Investigacin

    en Mecatrnica Automotriz

    Bateras: Voltaje

    16

    C

    T

    O

    D

    O

    Ejemplo:

    Bateras de litio

    4 + 6 4 + 6 = 3.45

    = 1

    =

    = 1 96500

    3.45

    = . /

  • Centro de Investigacin

    en Mecatrnica Automotriz

    Bateras: Energa especfica

    17

    C

    T

    O

    D

    O

    Es la capacidad de energa por unidad de peso de la batera

    , =

    3.6 =3.6

    =

    = 3.45 = 1

    = 229.8

    = 96,500

    , =3.6

    =1 96,500 3.45 1000

    3.6 0.2298= .

  • Centro de Investigacin

    en Mecatrnica Automotriz

    Bateras: Potencia especfica

    18

    C

    T

    O

    D

    O

    La mxima potencia por unidad de peso de la batera que puede producir

    en un corto perodo de tiempo

    =2

    4( + )

    Rc Resistencia conductora Rint Resistencia interna causada por la reaccin qumica

    Potencia especfica es importante en la reduccin de peso de la batera,

    especialmente en aplicaciones de alta demanda de energa, tales como

    los HEVs

  • Centro de Investigacin

    en Mecatrnica Automotriz

    Capacidad de la batera [Ah]

    Densidad de potencia [W/kg W/L]

    Densidad de energa [W/kg W/L]

    Estado de carga (SOC) [%]

    Resistencia interna (Ri) []

    Estado de vida (SOL)

    Fin de vida (EOL)

    Estado de salud (SOH)

    19

    Bateras: Terminologa

  • Centro de Investigacin

    en Mecatrnica Automotriz

    Bateras: Capacidad

    Grafica comparacin densidad de energa dependiendo de la

    composicin qumica de la batera

    20

    Fuente: Secondary batteries cell google images

  • Centro de Investigacin

    en Mecatrnica Automotriz 21

    Bateras: Curvas caractersticas

  • Centro de Investigacin

    en Mecatrnica Automotriz

    Bateras: Clasificacin

    22

    Bateras primarias Bateras secundarias

  • Centro de Investigacin

    en Mecatrnica Automotriz

    Bateras: Especificaciones

    Voltaje

    Capacidad Ah

    Profundidad descarga

    La carga

    Dimensiones

    Nmero de ciclos

    23

  • Centro de Investigacin

    en Mecatrnica Automotriz

    Bateras: Cmo elegir una batera?

    24

    Primaria o secundaria? Costo Temperatura

    Capacidad Ciclos Tiempo de vida

  • Centro de Investigacin

    en Mecatrnica Automotriz 25

    Bateras: Tipos de conexiones

    Conexin serie

    En el circuito serie la corriente que circula

    por l slo tienen un camino por recorrer,

    por tanto la intensidad es la misma en todo

    el circuito

    = 1 = 2 = 3 = =

    = 1 + 2 + 3 ++

  • Centro de Investigacin

    en Mecatrnica Automotriz 26

    Bateras: Tipos de conexiones

    Conexin paralelo

    Los elementos que lo forman se

    encuentran unidos entre si por dos

    puntos y sus caractersticas 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

    2+1

    3++

    1

    = 1 + 2 + 3 ++

  • Centro de Investigacin

    en Mecatrnica Automotriz 27

    Bateras: 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 =90

    45 = 2

  • Centro de Investigacin

    en Mecatrnica Automotriz 28

    Bateras: Tipos de conexiones

    Ejemplo paralelo

    Encontrar la corriente que circula por el circuito mostrado, suponiendo que

    se tiene una fuente de 12V

  • Centro de Investigacin

    en Mecatrnica Automotriz

    Bateras: Ejemplo de dimensionamiento

    Asumiendo que un mdulo son 10 celdas en serie. Cuntos mdulos en serie y cuntas celdas en paralelo

    debe haber en el mdulo?

    29

    Capacidad 14 A-hr

    Descarga mx. 8 C

    Descarga continua 5 C

    Carga mxima 3 C

    Carga continua 1 C

    Voltaje nominal 3.2 V

    Celda

    Capacidad 8000 W-hr

    Descarga mx. 180 A

    Descarga continua 120 A

    Carga mxima 80 A

    Carga continua 20 A

    Voltaje nominal 285-360 V

    Requerimientos del mdulo

  • Centro de Investigacin

    en Mecatrnica Automotriz

    Bateras: Ejemplo de dimensionamiento

    1. Comenzar por comprobar el nmero de clulas en paralelo que

    cumplen con los requisitos act