Download pdf - Baterias de Litio

Bateras

Dr. Jos Ignacio Huertas

Ing. Gina Ramrez Garca

Ing. Daniel Cordero Moreno

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



Introduccin

3

Tipos de energa


en Mecatrnica Automotriz 4

Introduccin



Introduccin

Diferentes tecnologas como almacenadores y fuentes de

energa

Energas renovables Carbn Celda de combustible

5

Bateras



Resea histrica

6

Alessandro Volta John

Goodenough

1800

Gaston Plant

1859 1899

Waldemar Jungner Lew Urruy

1955 1979



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



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.



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



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



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



Bateras: Principio de funcionamiento

12

Batera cargada Batera en funcionamiento Batera descargada



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



Bateras: Voltaje

14

C

T

O

D

O

Voltaje de cada celda

= ()

* =Potencial qumico

Anlisis termodinmico

=

* = Energa libre de gibbs [J/mol]



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



Bateras: Voltaje

16

C

T

O

D

O

Ejemplo:

Bateras de litio

4 + 6 4 + 6 = 3.45

= 1

=

= 1 96500

3.45

= . /



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= .



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



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



Bateras: Capacidad

Grafica comparacin densidad de energa dependiendo de la

composicin qumica de la batera

20

Fuente: Secondary batteries cell google images



Bateras: Curvas caractersticas



Bateras: Clasificacin

22

Bateras primarias Bateras secundarias



Bateras: Especificaciones

Voltaje

Capacidad Ah

Profundidad descarga

La carga

Dimensiones

Nmero de ciclos

23



Bateras: Cmo elegir una batera?

24

Primaria o secundaria? Costo Temperatura

Capacidad Ciclos Tiempo de vida



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 ++




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 ++




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




Ejemplo paralelo

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

se tiene una fuente de 12V



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




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

cumplen con los requisitos actuales:

30

Mximo Continuo Mximo Continuo

Requerimientos del modulo 180 120 80 20

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

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

Corriente de descarga (A) Corriente de carga (A)

2. Comprobar el nmero de mdulos en serie que se requieren para

cumplir con el voltaje del modulo

# Modulos

en serie

Voltaje nominal

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




3. Revisar la capacidad del modulo segn los requerimientos

31

4. Elija la configuracin del modulo que mejor se adapte a la aplicacin:

90S2P cumple con los requerimientos sin necesidad de capacidad adicional

El siguiente paso sera analizar la configuracin 90S2P a travs de

varios ciclos de conduccin

S la capacidad es una limitacin (debido al rango de requerimientos y control de la batera para alto o bajos SOC), entonces usar 10S2P

# Modulos

en serie

# Celdas en

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



Bateras: Nickel- Cadmio

32

Mejor rendimiento a baja

temperatura

Larga vida

Confiabilidad

Requiere poco

mantenimiento

Alto costo

Toxicidad

Baja potencia para

aplicaciones VE



Bateras: Nickel e hidruro metlico

1. Terminal positiva

2. Carcasa de metal exterior

3. Electrodo positivo

4. Electrodo negativo con colector de

corriente

5. Separador.

33

Mayor energa especfica

que NiCd 60-80 W h/kg

Potencia especfica 250

W/kg

Usada en VE

Mayor ciclo de vida que la

batera de plomo

Alto costo

Alta tasa de auto descarga

comparada con NiCd

Capacidad de aceptacin de

carga deficiente a

temperaturas elevadas



Bateras: Plomo-cido

Reaccin global

Pb + Pb2 + 22424 + 22

34

Plomo cido

Buena relacin de desempeo-

costo

Pesada- corto

tiempo de vida

Voltaje por celda 2 V

Provee poca energa por

peso

Descarga

Carga

Es la ms fabricada en el mundo Mantenimiento Contaminante



Bateras: Plomo-cido

35

Baja energa especfica

Bajo rendimiento a bajas

temperaturas

Bajo tiempo de vida

Caractersticas electromecnicas

favorables

Fcil manufactura

Rejilla batera plomo cido Energa especfica 35-50 W h/kg

Potencia especfica 150-400 W/kg



Aplicaciones: Plomo cido

Automocin

Embarcaciones

Industriales

36

Bateras de ion-litio





Bateras: Li-ion

Alto ciclo de vida

Sensible a perfiles de uso

Gran aplicabilidad

Reaccin global

+ +

38

Iones de litio

Baja densidad

Mayor potencial

Voltaje por celda 3.4- 4.0V

Provee mayor energa por peso



Bateras: Li-ion

Estructura

39



Bateras: Tipos Litio

40

Tipos

Li-Polmero

Li-Nickel-Aluminio

Li- cobalto

Li-Titanio

Li-Nickel-manganeso

Li-Hierro-Fosfato



Bateras: Caractersticas

41

Litio-cobalto Litio-manganeso Litio-fosfato

Litio-nickel-manganeso-

cobalto

Litio-Nickel-aluminio-

cobalto

Litio-titanio



Bateras: Tipos-Litio

42



Aplicaciones: Litio

Eficiencia energtica Vehculos hbridos y elctricos

43



Battery Pack Management

Conjunto de bateras, pueden

estar conectadas en serie o

paralelo o combinadas.

Serie Voltaje requerido Paralelo Incrementar la capacidad

Fuente: http://www.cleantechinstitute.org/Training/CEVT.html



Battery Management System

Qu es un BMS?

Es un sistema embebido construido para el procesamiento electrnico.

Protege la seguridad del operador del vehculo y sus pasajeros

Protege las celdas de la batera

Informa sobre cmo se puede hacer el mejor uso del paquete de bateras




El BMS est diseado para tener

todas o algunas de las siguientes

caractersticas:

Estimacin 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



BMS: Monitoreo voltaje

Porqu/Cmo medir el voltaje de todas las celdas?

El voltaje de la celda es un indicador crtico de:

Balance relativo de las celdas Seguridad y salud del paquete de bateras

El voltaje es una entrada crtica para la mayora de los

algoritmos de SoH y SoC



BMS: Medicin temperatura

Porqu medir la temperatura?

No cargue la batera a baja temperatura. Controlar el sistema de gestin trmica para mantener la

temperatura en la regin de seguro

Ubicar sensores exteriores a una o ms celdas por mdulo, con el fin de calcular temperaturas internas

Fuente:

http://www.nrel.gov/vehiclesandfuels/energystorage/images/photo_infrafred_leadacid.j

pg



BMS: Medicin temperatura

Cmo medir la temperatura?

Se debe convertir la temperatura en una seal de tensin y medirla a travs de un circuito de A2D

Las termocuplas directamente producen un voltaje (muy pequeo), el cual puede ser amplificado y medido



BMS: Medicin corriente

Porqu/Cmo medir la corriente?

Para el paquete de bateras las mediciones de corriente son necesarias para garantizar la seguridad, y registrar las

condiciones de abuso

Existen dos mtodos bsicos

Shunt Efecto hall

Fuente :http://tema4grupo5.blogspot.mx/ Fuente: www.lem.com




Resistencia de shunt

Resistencia de bajo valor que esta conectada en serie con el

paquete de bateras

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

La corriente se calcula por la

medida de cada de voltaje en la

resistencia de shunt

=




Sensor de efecto hall

Sensores de efecto de campo

magntico que miden el paso de la

corriente que fluye a travs de un

alambre

Algunas compensaciones entre los

dos mtodos:

Shunt Simple/ Aislamiento Efecto hall Fcil cambio a la

temperatura/ Calibrar

Fuente: www.lem.com



Modelacin de bateras

54

Enfoque Caracteristicas

Modelos electroqumicos

Representacin de las reacciones

electroqumicas, termodinmicas y de

construccin del acumulador

Modelo circuital en continua Representacin de procesos electroqumicos

de la batera en el dominio elctrico DC

Modelos circuita en alterna Representacin de procesos electroqumicos

de la batera en el dominio elctrico AC

Modelos tipo caja negra En base a datos de entrada-salida, generan

un modelo de la batera

Modelos estocsticos La modelacin se asume que es un proceso

estocstico, tipo cadena de Markov

Modelos heursticos Se representa alguna caracterstica del

acumulador por medio de una heurstica



Modelo circuital en continua

55

Modelo Thevenin capa simple

Asume valores de resistencia y capacitancia constantes

Modelo Thevenin doble capa

Es un modelo mejorado, caracteriza efectos de polarizacin

Modelo Thevenin Runtime

Representa el tiempo de vida til de la batera

Modelo Shepherd

Slo trabaja en aplicaciones de carga y descarga constante

Modelo de Plett

Se combina con el modelo de Shepherd para obtener el modelo dinmico de la batera



Estados de la batera

56

Cuantificacin del proceso de envejecimiento.

Capacidad y potencia

Estado de salud (SOH)

Tiempo restante de vida de la batera

Degradacin de mecanismos

Estado de vida (SOL)

Factor clave Porcentaje de carga que

queda en la batera

Estado de carga (SOC)



Estado de carga (SOC): Bateras de litio

57

Es la capacidad nominal restante en la batera comparada con la energa 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:

=

()

= 0

Este valor cambia nicamente debido a la corriente en la celda o

autodescarga



Por qu no se puede medir fcilmente el estado

de carga de una batera?

El SOC debe calcularse a partir del

voltaje y la corriente de la celda.

Alternativa 1: Medir voltaje en

circuito abierto de la batera

Curva de descarga se obtiene a carga constante

Alternativa 2: Llevar un registro

de los consumos

Problema: Cuando se instala un nuevo rack de bateras no se

sabe cual es su estado inicial de

carga.

58



Estado de carga (SOC): Mtodos

59

Medicin SOC para bateras

Medicin de gravedad

especfica para SOC Medicin directa Estimacin del SOC

basado en voltaje

Estimacin del SOC basado en

corriente (Conteo Coulomb) Medicin de la impedancia

interna para estimar SOC



Estado de carga (SOC): Mtodos- litio

60

Medicin SOC para bateras de litio

Estimacin basada

en look up tables

Algoritmos de estimacin

Estimacin prctica Estimacin terica



Estado de carga (SOC): Litio

Estimacin terica

Variables que afectan el rendimiento

Conteo de Coulomb

Las bateras no tienen comportamiento lineal

Estimacin prctica

Look up tables

Recopilacin de datos reales medidos

Sensores, microprocesador

Estimacin exacta basada en

Look up tables

Errores de desplazamiento (nmero y significado de influir

factores considerados)

Tamao de la muestra y de validez, Auto Velocidad de

descarga

Puntos de datos y algoritmos de prediccin,

Eficiencia de Coulomb

Errores aleatorios (Exactitud de la medida), Error

acumulativo Build Up

61



Estado de carga (SOC): Litio

62

Algoritmos de estimacin

Lgica difusa Filtrado de Kalman Redes neuronales



Filtrado extendido de Kalman

63

El objetivo es determinar el estado no medible de un sistema no

lineal. En este caso se debe usar el proceso de linealizacin en

cada tiempo para aproximar el sistema no lineal a un sistema

variante en el tiempo. (LTV)

Ecuacin de estado

Ecuacin de salida

Series de Taylor



Estado de carga (SOC): Factores que la afectan

64

Capacidad de uso

Tasa de carga y descarga

Histresis Tasa de

descarga y temperatura

Envejecimiento de la celda

Auto descarga



Envejecimiento de la batera

Las celdas de ion litio tienen relativamente bajo tiempo de vida

Segn el consumo de las celdas puede ser de 1-4 aos

Duracin de 10 aos celda de automviles

Factores de envejecimiento

Temperatura

Estado de carga

Potencia

Rendimiento energtico

65



Envejecimiento de la batera

Ciclos de vida

La capacidad de la celda decrece linealmente con el nmero de

ciclos de carga y descarga

66

Seguridad en bateras






68

Abusar de una clula del Li-ion de una determinada manera

puede ser muy peligroso y puede resultar en daos fsicos.

Perforacin Aplastamiento

Debido al sobrecalentamiento a partir de:

Sobre voltaje Sobre corriente Calor externo




rea de funcionamiento seguro

69

El rea de funcionamiento seguro de las clulas de Li-Ion est

limitado por corriente, temperatura y voltaje

Descarga fuera del rango de temperatura

Descarga a intensidad demasiado alta y carga rpida

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




rea de funcionamiento seguro

70

Celdas




Porqu medir la

temperatura?

Control trmico

Cmo se afectan las

celdas?

71



Seguridad

72

Una batera de Li-ion en el fuego despus de un cortocircuito directo



Seguridad

73



Seguridad

74

Restos de un PHEV Prius

despus de su paquete de

traccin Li-Ion se incendi




75

Porqu ocurren estos eventos?

Pobre diseo mecnico Malos procesos de manufactura

Prevencin

Vestir equipo de seguridad No objetos de metal Disee un plan de prevencin Diseo bateras correctamente, el uso estricto control de

calidad.



Bateras Seguridad, regulaciones y normas

Seguridad de la batera/ Hbridos

SAE J2929

Norma de seguridad para vehculos hbridos y elctricos propulsados por un sistema de batera de iones de litio recargable.

SAE J2469

Aplicacin para tren motriz y capacidad de arranque

UL 2580

Uso de bateras en vehculos elctricos

Pruebas de rendimiento

SAE J1798

Prctica recomendada para la clasificacin de rendimiento de los mdulos de bateras del vehculo elctrico

76



Bateras Seguridad, regulaciones y normas

Pruebas de rendimiento

SAE J2288

Pruebas de ciclo de vida del mdulo de bateras de un vehculo elctrico

USABC

Consejo de investigacin automotriz de los Estados Unidos

Pruebas de temperatura. T1-T8

T2

Prueba trmica

T7

Sobrecarga, slo para bateras recargables

T8

Descarga a fuerza

77



Pruebas en bateras

78

BMS

Balance de celdas

Verificacin y diagnstico SOC/SOH/SOF

Precisin de medida y temperatura

Seal de adquisicin

Deteccin de aislamiento

Medicin de corriente y voltaje

Elctricas

Carga y descarga

Corto circuito

Resistencia

Eficiencia

Verificacin de seguridad

Pruebas para rango de voltaje



Pruebas en bateras

79

Fsicas

Arranque en fro

Vibraciones

Simulacin ciclo de conduccin

Impacto

Autodescarga

Inmersin agua-sal

Ambientales

Rendimiento trmico


Humedad trmica

Prueba de niebla salina

Exposicin trmica

Prueba de altitud



Situacin, perspectivas y futuro

80




81

Energa especfica

Cambio de material

Optimizacin del diseo de la celda

Aleaciones de metal de litio, por ejemplo, de litio-silicio (Li-Si), y de litio-estao (Li-Sn), aleaciones, se encuentran

entre los electrodos negativos ms prometedores para

sustituir materiales comunes a base de carbono.

Investigacin de nuevos materiales de nodo se dirige tambin a los xidos de titanio y xido de litio de titanio




82

La potencia

Nuevas morfologas de electrodos nano estructurados

Se espera que el uso de nano estructuras de lugar a un aumento de la superficie geomtrica, con lo que se

consigue mas baja densidad.

Mejores aglutinantes y aditivos




83

Seguridad y confiabilidad

Seguridad y fiabilidad en los electrolitos

Estabilidad trmica, proteccin sobrecarga.

Reducir toxicidad

Electrolitos de gel y lquidos



Bibliografa

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, Jrgen Garche

State of charge. www.poweruk.com

84

Gracias por su atencin

