Asignaturas:
- Introducción
- Materiales y especificaciones de diferentes baterías.
- Batería de ácido sólido
- Níquel-cadmio (Ni-Cd)
- Níquel hidruro metálico (Ni-MH)
- Iones de litio (iones de litio)
- Supercondensador (supercap)
- Equilibrio de celdas de batería
Introducción:
El coche híbrido o totalmente eléctrico tiene baterías más grandes y pesadas que los coches con motor únicamente de combustión. Los coches híbridos utilizan altos voltajes, que pueden poner en peligro la vida si las reparaciones las realiza personal no cualificado. Como ejemplo:
- Un motor de arranque en funcionamiento consume alrededor de 1,2 kW (1200 vatios).
- Un coche híbrido que funciona íntegramente con electricidad consume alrededor de 60 kW (60.000 vatios)
Los vehículos híbridos sólo pueden ser utilizados por personas que hayan recibido una formación especial. A bordo hay una red de 12 voltios para la alimentación de accesorios (como radio, etc.) con su propia pequeña batería, y hay una red de a bordo de alta tensión que funciona a 400 voltios (según marca). ). La tensión de 400 V se convierte a 12 V mediante un convertidor CC/CC especial y carga la batería correspondiente.
Se imponen altas exigencias a las baterías de propulsión híbrida. deben ser muy grandes capacidad de almacenamiento tener. Se almacenan grandes reservas de energía y se consumen tensiones muy altas cuando se apoya el motor de combustión (híbrido), o cuando se entrega energía para la propulsión completa (BEV).
La siguiente imagen muestra una batería de un Toyota Prius. Esta batería de níquel metal hidruro (NiMH) contiene 28 módulos, cada uno de los cuales consta de 6 celdas. Cada celda tiene un voltaje de 1,2 voltios. El voltaje total de este paquete de baterías es de 201,6 voltios.
Materiales y especificaciones de diferentes tipos de baterías:
Al desarrollar la transmisión eléctrica, se debe elegir entre diferentes tipos de baterías. Las propiedades, el rendimiento, las opciones de construcción y los costes juegan un papel importante. Los tipos de baterías más utilizados en vehículos híbridos y totalmente eléctricos son las baterías de Ni-MH (níquel hidruro metálico) y las de iones de litio (iones de litio).
Además de los tipos Ni-MH y Li-ion, se están desarrollando condensadores electrolíticos, que denominamos “supercondensadores” o “supercaps”.
En la tabla se muestran los materiales de las diferentes baterías con sus especificaciones.
Batería de plomo:
En la tabla también se menciona la batería de plomo-ácido (no se tienen en cuenta las versiones de gel y AGM). Debido a que la batería de plomo-ácido tiene la vida útil más larga con una descarga máxima del 20%, sufre sulfatación a medida que envejece y tiene una densidad y contenido de energía bajos, no es adecuada para su uso en vehículos eléctricos. Sí encontramos la batería de plomo como batería accesoria; Los consumidores de bajo voltaje, como la iluminación, los sistemas de confort (carrocería) y el infoentretenimiento, funcionan con un voltaje de aproximadamente 14 voltios.
Níquel-cadmio (Ni-Cd):
En el pasado, Ni-Cd Las baterías sufren un efecto memoria y, por tanto, no son adecuadas para su uso en propulsión eléctrica: se producen cargas parciales y descargas constantemente. Las baterías modernas de Ni-Cd prácticamente ya no se ven afectadas por el efecto memoria. La mayor desventaja de este tipo de baterías es la presencia de la sustancia tóxica cadmio. Esto hace que la batería de Ni-Cd sea extremadamente perjudicial para el medio ambiente. Por tanto, el uso de esta batería está prohibido por ley.
Níquel hidruro metálico (Ni-MH):
La batería Ni-MH se puede cargar más rápido que una batería de plomo-ácido. Durante la carga se genera tanto calor como gas, que es necesario eliminar. Las baterías están equipadas con un sistema de refrigeración y una válvula de ventilación. Gracias a su larga vida útil y su alta densidad de energía y potencia, la batería Ni-MH es adecuada para su uso en vehículos eléctricos. Sin embargo, este tipo de batería es sensible a sobrecargas, descargas excesivas, altas temperaturas y cambios rápidos de temperatura.
La siguiente imagen muestra la batería Ni-MH de un Toyota Prius. Este paquete de baterías está ubicado en el maletero, detrás del respaldo del asiento trasero. Cuando los sensores de temperatura registran una temperatura alta, se activa el ventilador de refrigeración (se puede ver en la foto de la derecha junto a la carcasa blanca). El ventilador aspira el aire del interior y lo sopla a través de los conductos de aire del paquete de baterías para enfriar las celdas.
Iones de litio (li-ion):
Debido a la alta energía y densidad de potencia de la batería de iones de litio (en comparación con Ni-MH), se suele utilizar un paquete de baterías de iones de litio en híbridos enchufables y vehículos totalmente eléctricos. La batería de iones de litio funciona bien a bajas temperaturas y tiene una larga vida útil. Se espera que las propiedades mejoren en los próximos años debido a un mayor desarrollo.
En la siguiente imagen vemos la batería (li-ion) de un BMW i3. La tapa se ha desenroscado y se encuentra detrás. Una vez montada, la tapa se cierra herméticamente.
La batería del i3 está montada debajo del vehículo. El espacio en el suelo entre los ejes delantero y trasero se ha aprovechado al máximo para proporcionar el mayor espacio posible para el paquete de baterías.
En la imagen vemos los ocho bloques separados con doce celdas cada uno. Cada bloque tiene una capacidad de 2,6 kWh, por lo que hace un total de 22 kWh. A modo de comparación: la generación actual del i3 (2020) tiene una batería con una capacidad de 94 Ah y una potencia de 22 kWh. El tamaño de la batería se ha mantenido igual desde su introducción en 2013, pero su rendimiento (y por tanto su autonomía) ha mejorado considerablemente.
Tesla utiliza pequeñas celdas de batería en los modelos a partir de 2013 (Model S y Model X) que son ligeramente más grandes que las baterías AA estándar que conocemos por el mando a distancia del televisor. Las celdas de la batería (18650 de Panasonic) tienen una longitud de 65 mm y un diámetro de 18 mm. Los paquetes de baterías más grandes contienen nada menos que 7104 de estas celdas.
En las imágenes a continuación vemos las celdas de batería individuales a la izquierda y un paquete de baterías que contiene las 7104 celdas a la derecha.
La batería de iones de litio se compone de cuatro componentes principales:
- el cátodo (+) compuesto por una aleación de litio
- el ánodo (-) compuesto de grafito o carbono
- el separador poroso
- el electrolito
Durante la descarga, los iones de litio se mueven a través del electrolito desde el ánodo (-) al cátodo (+), al consumidor y de regreso al ánodo. Durante la carga, los iones se mueven en direcciones opuestas y luego pasan del cátodo (+) al ánodo (-).
El electrolito contiene sales de litio para transportar los iones. El separador garantiza que los iones de litio puedan pasar, mientras que el ánodo y el cátodo permanecen separados.
Las celdas de la batería están alojadas en módulos conectados en serie. La siguiente representación esquemática muestra un paquete de baterías que tiene grandes similitudes con el de un Volkswagen E-UP. y Renault Zoé. Sólo difiere el número de celdas: ¡la batería del E-UP! Tiene 204 celdas y el del Renault Zoë 192.
En este ejemplo, el paquete de baterías consta de dos paquetes de seis módulos. Cada módulo contiene dos grupos de 10 celdas conectadas en serie en paralelo.
- Conexión en serie: la tensión de la batería aumenta. Con un voltaje de celda (Li-ion) de 3,2 voltios, un módulo de batería suministra (3,2 * 10) = 32 voltios.
La desventaja de una conexión en serie es que con una celda defectuosa la capacidad de toda la conexión en serie se reduce. - Conexión en paralelo: el voltaje sigue siendo el mismo, pero la corriente y la capacidad aumentan. Una celda defectuosa no influye en las celdas del circuito conectado a ella en paralelo.
Por tanto, los fabricantes pueden optar por utilizar varios circuitos paralelos por módulo. Por tanto, en los módulos del Volkswagen E-Golf no están conectados en paralelo (dos en este ejemplo), sino tres grupos de células.
Las celdas de iones de litio tienen una vida útil de aproximadamente 2000 ciclos de descarga y carga antes de que su capacidad se reduzca a aproximadamente el 80% de su capacidad de carga inicial.
Los voltajes de una celda de iones de litio son los siguientes:
- tensión nominal: 3,6 voltios;
- límite de descarga: 2,5 voltios;
- voltaje máximo de carga: 4,2 voltios.
La mayoría de los sistemas de gestión de baterías (BMS) utilizan un límite inferior de 2,8 voltios. Si la celda se descarga más allá de 2,5 voltios, se dañará. La vida útil de la célula se acorta. La sobrecarga de la celda de iones de litio también reduce su vida útil, pero también es peligrosa. La sobrecarga de la celda puede hacer que se vuelva inflamable. La temperatura de las células también influye en su vida útil: a una temperatura inferior a 0°C, es posible que las células ya no estén cargadas. Una función de calefacción ofrece una solución en este caso.
Condensador de súper código (supercap):
En los párrafos anteriores se mencionan diferentes tipos de baterías, cada una con sus aplicaciones, ventajas y desventajas. Una desventaja a la que se enfrentan todos los que tienen una batería de este tipo es el tiempo de carga. Cargar una batería puede tardar varias horas. La carga rápida es una opción, pero está asociada con más calor y posiblemente también con un envejecimiento (y daño) más rápido de la batería.
Actualmente se están llevando a cabo muchas investigaciones y desarrollo en supercondensadores. También los llamamos “supercapacitores” o “ultracondensadores”. El uso de supercaps podría proporcionar una solución para esto:
- La carga es muy rápida;
- Pueden liberar energía (descargarse) muy rápidamente, por lo que es posible un aumento significativo de potencia;
- Más duradera que una batería de iones de litio gracias a un número ilimitado de ciclos de carga (al menos 1 millón) porque no se producen reacciones electroquímicas;
- En relación con el punto anterior, un supercap puede descargarse por completo sin que ello tenga consecuencias perjudiciales para su vida útil.
Los supercaps son condensadores con una capacidad y densidad de energía miles de veces superiores a los condensadores electrolíticos estándar. La capacidad se aumenta mediante el uso de un electrolito especial (material aislante) que contiene iones y, por lo tanto, tiene una constante dieléctrica muy alta entre las placas. Se empapa un separador (una lámina fina) en un disolvente con iones y se coloca entre las placas. Las placas suelen estar hechas de carbono.
La capacitancia del capacitor que se muestra es 5000 F.
Los supercaps se pueden combinar con una batería HV de iones de litio; Al acelerar brevemente, se puede utilizar la energía de los condensadores en lugar de la energía de la batería HV. Con el frenado regenerativo, los condensadores se cargan completamente en una fracción de segundo. Los desarrollos futuros también harán posible la sustitución de la batería de iones de litio por un paquete supercap. Lamentablemente, con la tecnología actual, la capacidad y, por tanto, la densidad de potencia, son demasiado bajas en comparación con una batería de iones de litio. Los científicos están buscando formas de aumentar la capacidad y la densidad de energía.
Equilibrio de celdas de batería:
A través del equilibrio pasivo y activo de las celdas de la batería, la ECU monitorea cada celda para mantener un estado saludable de la batería. Esto extiende la vida útil de las celdas al evitar una descarga profunda o sobrecarga. En particular, las células de iones de litio deben mantenerse dentro de límites estrictos. El voltaje de las celdas es proporcional al estado de la carga. Las cargas de las células deben mantenerse lo más equilibradas posible entre sí. Con el equilibrio de celdas es posible controlar con precisión el estado de carga dentro de 1 mV (0,001 voltios).
- El equilibrio pasivo garantiza un equilibrio en el estado de carga de todas las celdas de la batería descargando parcialmente las celdas con un estado de carga demasiado alto (volveremos a esto más adelante en esta sección);
- El equilibrio activo es una técnica de equilibrio más compleja que puede controlar las celdas individualmente durante la carga y descarga. El tiempo de carga con equilibrio activo es más corto que con equilibrio pasivo.
En la siguiente imagen vemos un módulo de batería de ocho celdas.
Las ocho celdas están cargadas al 90%. La vida útil de una celda disminuye si se carga continuamente al 100%. Por el contrario, la vida útil también disminuye si la batería se descarga más del 30%: con un estado de carga <30% la celda está profundamente descargada.
Por tanto, el estado de carga de las células estará siempre entre el 30% y el 90%. Esto es controlado por la electrónica, pero no es visto por el conductor del vehículo.
La pantalla digital en el tablero indica 0% o 100% al llegar al 30% o 90%.
Debido a la vejez, algunas células pueden debilitarse que otras. Esto tiene una gran influencia en el estado de carga del módulo de batería. En las siguientes dos imágenes vemos el estado de carga cuando dos celdas tienen menor capacidad debido a la edad. Las celdas de la batería no están equilibradas en estas situaciones.
- Descarga más rápida debido a celdas defectuosas: las dos celdas del medio se descargan más rápido debido a su menor capacidad. Para evitar una descarga profunda, las otras seis células del módulo ya no pueden liberar energía y, por tanto, ya no pueden utilizarse;
- No se carga completamente debido a celdas defectuosas: debido a la baja capacidad de las dos celdas del medio, se cargan más rápido. Debido a que alcanzan un 90% más rápido que las otras seis celdas, no se pueden realizar más cargas.
Está claro que las celdas de menor capacidad son el factor limitante tanto a la hora de descargar (mientras se conduce) como a la hora de cargar. Para utilizar de forma óptima toda la capacidad del paquete de baterías y garantizar una larga vida útil.
Existen dos métodos de equilibrio de la batería: pasivo y activo.
- Sin equilibrar: cuatro celdas tienen cada una un estado de carga diferente. La celda 2 está casi vacía y la celda 4 está completamente cargada;
- Pasiva: las celdas con mayor capacidad se descargan hasta alcanzar el estado de carga de la celda más débil (celda 2 en el ejemplo). La descarga de las celdas 1, 3 y 4 es pérdida.
En el ejemplo vemos que los vasos se descargan hasta llegar al estado de carga de la celda 2; - Activo: la energía de las celdas llenas se utiliza para llenar las celdas vacías. Ahora no hay pérdida, sino transferencia de energía de una célula a otra.
El principio de funcionamiento del equilibrio celular pasivo y activo se explica a continuación.
Equilibrio celular pasivo:
En el ejemplo vemos cuatro celdas de batería conectadas en serie con una resistencia conmutable (R) en paralelo. En este ejemplo, la resistencia está conectada a tierra con el interruptor. En realidad, se trata de un transistor o FET.
En el ejemplo vemos que la celda 3 está cargada al 100%. Por los párrafos anteriores sabemos que esta celda se carga más rápido porque es más débil que las otras tres. Debido a que el estado de carga de la celda 3 es del 100%, las otras tres celdas ya no están cargadas.
La resistencia que está ubicada en paralelo a través de la celda 3 se incluye en el circuito actual mediante el interruptor. La celda 3 se descarga porque la resistencia absorbe voltaje tan pronto como la corriente fluye a través de ella. La descarga continúa hasta que la célula está al nivel de las demás células; en este caso el 90%.
Cuando las cuatro celdas de este módulo tienen el mismo estado de carga, se pueden cargar más.
En el equilibrio pasivo de celdas se pierde energía: se pierde la tensión absorbida por las resistencias conectadas en paralelo. Sin embargo, muchos fabricantes siguen utilizando este método de equilibrio hasta el día de hoy.
Equilibrio celular activo:
Por supuesto, mucho más eficaz es el equilibrio celular activo. La energía de la celda demasiado llena se utiliza para cargar la celda vacía. Vemos un ejemplo de equilibrio celular activo a continuación.
En el ejemplo vemos dos celdas conectadas en serie (3 y 4) con sus voltajes por encima de ellas (4 y 3,9 voltios respectivamente). La celda 3 se descarga mediante el transformador. El FET en el lado primario permite la descarga. Con esto se carga la bobina primaria del transformador. El FET en el lado secundario enciende la bobina secundaria del transformador. La corriente de carga obtenida se utiliza para energizar el transformador debajo de otra celda. El transformador debajo de la celda 4 también se enciende y apaga mediante FET.
