CAPÍTULO 6: ENSAYOS Y CARACTERIZACIÓN DE …bibing.us.es/proyectos/abreproy/70306/fichero/CAPITULO+6%2FCAPIT… · Proyecto Fín de Máster: Regulación Eólica con Baterías en

Proyecto Fín de Máster:

Regulación Eólica con Baterías en Vehículos Eléctricos.

Ana Isabel Almendros Molina

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CAPÍTULO 6: ENSAYOS Y CARACTERIZACIÓN DE LAS BATERÍAS.

6.1. Metodología y procedimiento de ensayos.

A continuación se describe el material empleado para ensayos de baterías de

litio, así como la metodología adoptada. Todos los ensayos se realizan según

la norma IEC 61982/4 específica para baterías de litio-ión utilizadas para

proporcionar tracción en vehículos.

Esta norma surge por la necesidad de normalizar un protocolo para el cálculo

de prestaciones de todas las baterías de litio-ión utilizadas en vehículos

eléctricos.

Se pueden realizar 4 tipos de ensayos para comparar las prestaciones que nos

proporcionarían varias tecnologías de litio:

1. Ensayos para el cálculo de diferentes prestaciones en distintas condiciones

de temperatura.

2. Ensayos de capacidad y energía a diferentes temperaturas.

3. Test retención de carga.

4. Ensayos para el cálculo de la vida útil.

6.1.1. Ensayos para el cálculo de prestaciones en diferentes condiciones de

temperatura.

Este tipo de ensayo consiste en someter a las baterías a cargas/descargas

durante 10 segundos simulando picos de aceleración (descarga) y frenada

(carga) con pausas de diez minutos entre ellas según el siguiente esquema. Se

pueden realizar a diferentes temperaturas (45,25,0 y -20ºC) para ver la

influencia de la temperatura.




105

6.1.1.1. Trazabilidad del ensayo.

En el apartado de trazabilidad explicaré cada uno de los pasos del ensayo

establecidos por la normativa.

Antes de comenzar el ensayo se debe realizar un acondicionamiento de carga.

. Se descarga la celda a una intensidad C (A), limitando la tensión según

fabricante.

. Se carga según fabricante a una intensidad constante.

. A continuación se realiza una pausa de 1hora.

. Se descarga a C5(A) hasta alcanzar un estado de carga del 50%

. Se realiza una pausa de 10min.

A continuación:

. Se descarga a C3(A) durante 10 segundos. Limitando la tensión de descarga.

. Pausa de 10min

. Carga a C3(A) durante 10 segundos. Limitando la tensión de carga

. Pausa de 10min




106

. Descarga a C (A) durante 10 segundos. Limitando la tensión de descarga

. Pausa de 10min

. Carga a C (A) durante 10 segundos. Limitando a tensión de carga

. Pausa de 10min

. Descarga a 5C(A) durante 10 segundos. Limitando la tensión de descarga

. Pausa de 10min

. Carga a 5C(A) durante 10 segundos. Limitando la tensión de carga

. Pausa de 10 min

. Descarga a 10C (A) durante 10 segundos. Limitando la tensión de descarga

. Pausa de 10min

. Carga a 10C (A) durante 10 segundos. Limitando la tensión de descarga

. Pausa de 20min

Leyenda

Acrónimo Significado

CHA Carga

DCH Descarga

PAU Pausa

6.1.2. Ensayos de capacidad y energía.

Según los fabricantes, la temperatura óptima de trabajo para las baterías con

tecnologías de litio es de 15/25ºC (margen bastante pequeño si lo comparamos

con otras tecnologías como plomo o níquel), fuera de esos márgenes pierden

prestaciones, además pueden sobrecalentarse hasta el punto de explotar ya

que están fabricadas con materiales inflamables que las hacen propensas a

detonaciones o incendios, por lo que es necesario dotarlas de circuitos

electrónicos que controlen en todo momento la temperatura de la batería.




107

A temperaturas por debajo de los cero grados, las baterías de litio ven

reducidas sus prestaciones de manera notable si las comparamos con

tecnologías de Ni-Cd o Ni-MH reduciendo su vida útil hasta un 25%

El objetivo de estos ensayos es poder ver el efecto de diferentes temperaturas

en relación a la capacidad así como la energía disponible a dichas

temperaturas.

Para la determinación de la capacidad real y la energía disponible de la batería

a dicha temperatura se realiza una prueba de capacidad según los datos

proporcionados por el fabricante de la batería.

La determinación de la capacidad real vendrá dada por el producto resultante

entre el tiempo de descarga y la corriente de descarga.

La determinación de la energía real se obtiene del producto de la capacidad

real por el valor de tensión en el punto medio de la descarga.

Capacidad – [Ah] (corriente [A] x tiempo [horas])

Energía – [Wh] (potencia [W] x tiempo [horas])

6.1.2.1. Trazabilidad.

A continuación se muestra cada uno de los pasos que se realizan en un ensayo

para determinar la capacidad y energía útil:

. Descarga a C5 (A) hasta la tensión de corte especificada por el fabricante.

. Seguidamente se realiza una pausa de 1 hora.




108

. A continuación se carga a intensidad constante fijada según especificación

. Se establece otra pausa de 1hora

. Se descarga a C5 (A)

*Corriente de carga/descarga. Es el valor en Amperios al cuál se

cargarán/descargarán las baterías. Viene determinado por la norma.

*Límites de carga/descarga. Tensión de final de carga/descarga. Viene

determinada por el fabricante.

*Registro de datos. Se programa por el usuario para recogida de datos.

6.1.3. Ensayos de retención de carga.

Según la mayoría de los fabricantes, las baterías pueden estar almacenadas

durante meses sin verse afectadas sus prestaciones, siempre y cuando se

sigan las instrucciones del fabricante en cuanto a temperatura de

almacenamiento se refiere.

Para el test de retención de carga según normativa se establecen el siguiente

procedimiento:

- Carga según fabricante.

- Descarga a C (A) para calcular la capacidad en Ah.

- Carga según fabricante.

- Almacenamiento durante 28 días.

- Descarga a C (A) calculando de nuevo la capacidad.

El ratio de carga R se calcula mediante la siguiente expresión:

Donde:

R es el ratio de retención de carga (%)

Cr es la capacidad antes del almacenamiento.

Cb es la capacidad calculada después del almacenamiento.




109

6.1.4. Ensayos para el cálculo de vida útil.

Según diversas investigaciones, las baterías de litio se caracterizan por su alta

ciclabilidad, es decir, soportan muchos ciclos de carga y descarga, los

fabricantes aseguran perdidas de prestaciones en un 20% a partir de 600

ciclos. Este ensayo se puede realizar siguiendo el patrón de carga y descarga

que indica la normativa simulando una conducción con diversas aceleraciones

(descargas) y frenadas (cargas). Se parte de un SOC ( “state of charge”) del 50

%. Nos referiremos a un ciclo cada vez que hagamos la secuencia de carga y

descarga enunciada.

Paso Duración (s) Corriente

(A)

Paso Duración (s) Corriente

(A)

1 9 0.0 C 22 5 0.0C

2 7 2C 23 2 10C

3 2 4.5C 24 6 -0.5C

4 9 -1C 25 2 -3.5C

5 14 1.5C 26 6 2C

6 5 -4.5C 27 2 6C

7 5 -0.5C 28 2 -0.5C

8 18 0.0C 29 3 -4C

9 7 2C 30 3 2C

10 2 4.5C 31 2 5C

11 9 -1C 32 5 2C

12 14 1.5C 33 2 -7C

13 5 -4.5C 34 27 -0.5C

14 5 -0.5C 35 2 2C

15 18 0.0C 36 2 -4C

16 7 2C 37 40 -0.5C

17 2 4.5C 38 2 0.5C




110

18 9 -1C 39 44 -0.5C

19 14 1.5C 40 2 0.5C

20 5 -4.5C 41 13 -0.5C

21 5 -0.5C 42 17 0.0C

6.1.5. Equipos utilizados.

Los equipos de ensayo utilizados son comunes a todos los ensayos.

Entre los diferentes equipos de ensayos e instrumentación cabe destacar los

siguientes:

Equipo de carga/descarga

Es un equipo cargador descargador de baterías de la marca Digatrón, modelo

UBT- 100-18.5, presentado en la figura 63. Compuesto por seis módulos de

carga y descarga. Cuenta con marcado CE y calibración.

Figura 63- Equipo modular de carga y descarga




111

Los módulos de carga y descarga (figura 64) son independientes cumpliendo

con los criterios de la siguiente tabla:

Rango de funcionamiento de carga de 0 a 18,5V

Rango de funcionamiento en descarga de 0 a 15V

Rango de intensidad (carga y descarga) de 0,1 a 100 A

Figura 64 - Detalle de uno de los módulos

Este tipo de equipos se utiliza habitualmente para este tipo de ensayos debido

a su grado de precisión, acorde a los requerimientos de las normas de ensayo

de baterías.

Torkel 8800

Estas unidades de descarga de baterías son sofisticados instrumentos que se

han diseñado principalmente para ensayos de capacidad. Es posible programar

a tres unidades para comprobar un banco de baterías a intensidad constante, a

potencia constante o bien, mediante un perfil de carga definido por el usuario.

Así mismo es posible utilizar TORKEL para la comprobación de carga resistiva.

Este modelo en concreto cuenta con una capacidad de tensión máxima de

288V.

En la siguiente tabla se representa la limitación de intensidad (Imax) de la

unidad TORKEL y también las resistencias para los diferentes rangos de

tensión.




112

Torkel 840

Rango Intensidad

máxima

Resistencia

Interna

10-27,6V 110 A 0,165Ω

10- 55,2V 110 A 0,275Ω

10-144V 110 A 0,550 Ω

10-288V 55 A 3,3Ω

Características técnicas:

Torkel 840

Tensión de red 100-240 V CA 95-300 V CC

Consumo <150 W

Dimensiones 210x353x700 mm

Peso 20,5kg

Tensión máxima 288V

Intensidad máxima 110 A

Potencia máxima 15 kW

Patrones de carga Intensidad constante, potencia

constante, resistencia constante, perfil

de potencia e intensidad

Valor de la intensidad 0-110 A

Valor de la potencia 0- 15kW

Equipo de climatización

Para alcanzar las temperaturas requeridas de cada ensayo se utiliza una

cámara climática (figura 65) de la marca Ineltec modelo CM-4800. El control de




113

temperatura exterior se realiza con un sonda, se emplea la sonda PT100 DIN

clase A.

Figura 65 - Detalle de equipo de climatización

Certificados Calibración




114

6.2.- Caracterización de las baterías de litio.

6.2.1 – Modelos de comportamiento estacionario de las baterías.

6.2.1.1. Presentación de la batería ensayada.

MP176065

Fabricante SAFT

Modelo MP 176065 Integration

Tensión Nominal 3,75V

Capacidad 20ºC 6,8Ah

Energía 26Wh

Método carga Corriente/tensión constante

Peso 143g

Tensión final de carga 4,20+/- 0,05V

Corriente máxima carga 7A

Rango Temperaturas -20ºC a 60ºC

Tiempo de carga Carga a C de 2 a 3 horas

Carga a C/2 de 3 a 4 horas

Carga a C/5 de 6 a 7 horas

Corriente continua máxima de

descarga

14A 2C

Tensión de corte en descarga 2,5V

Energía específica 178Wh/kg

Tecnología ánodo Grafito

Tecnología cátodo Litio/Cobalto

Carga recomendada 3,4A (C/2)

Ciclo de vida Pérdidas del 30% después de 600

ciclos




115

Otras características:

Resistencia interna: 100 mΩ max (a + 20°C)

Peso: 143 gramos, de los cuales corresponden 138.5 gramos a la celda

propiamente dicha y la diferencia, corresponde a la protección externa,

cableado y carcasa.

Voltaje final de carga: 4.20 ± 0.05 V como máximo.

(Si se excede, se active el circuito electrónico de protección de la bacteria para

prevenir una posible sobrecarga que supone un aumento de la temperatura excesivo).

(La batería 1s1p MP 176065 IntegrationTM

debe cargarse por debajo de este voltaje, en

torno a 4.1 V ó 4.0 V. En estos casos, la capacidad restablecida durante el paso

siguiente de descarga será disminuida, con un -10% de pérdidas de capacidad para

cargas de voltaje de -100 mV, en un rango de carga de 3.9 V a 4.2 V).

Voltaje mínimo de descarga: 2.5 V mínimo recomendado.

(los circuitos de protección se activan 2.3 V para prevenir una degradación irreversible

de la batería).

Curvas de carga y descarga

Figura 66 - Curvas de carga y descarga de La batería 1s1p MP 176065 Integration.




116

Figura 67- Perfiles de descarga de la batería 1s1p MP 176065 Integration

Figura 68- Perfiles de carga de la batería 1s1p MP 176065 Integration




117

Figura 69- Batería Saft MP D6065 HD Integration

6.2.1.2. Ensayos.

Los resultados obtenidos de los ensayos realizados, sin tener en cuenta los

registros previos de acondicionamiento de la carga, que se realizan atendiendo

a la norma, se encuentran en el anexo II (tablas 1, 2, 3 y 4), y corresponden a

los siguientes ensayos:

ENSAYO DE DESCARGA A Tª = 25ºC partiendo de V.full

ENSAYO A Tª = 25ºC (exp.1)

ENSAYO A Tª = 25ºC (exp.2)

ENSAYO A Tª = 45ºC

Las figuras 70 y 71, muestran la celda ensayada y la cámara climática, que se utiliza

para establecer la temperatura de la celda durante los correspondientes ensayos.




118

Figura 70 - Celda ensayada

Figura 71 - Celda ensayada en el interior de la cámara climática.




119

6.2.1.3. Modelo de comportamiento estacionario.

El elemento central de los vehículos eléctricos (VE) y de la mayoría de

sistemas eléctricos es en general la batería.

Este elemento almacena gran cantidad de energía que se dispone cuando se

necesita. La batería permite recargarse frenando en un VE y permite suplir

una lenta fuente de energía dinámica, como es la célula de combustible.

Hay básicamente tres tipos de modelos específicamente:

- experimental,

- electroquímico ,y

- basado en el circuito eléctrico.

Los modelos experimentales y electroquímicos, no son adecuados para

representar celdas dinámicas para la propuesta de estimaciones del estado de

carga de paquetes de baterías.

Sin embargo, los modelos basados en el circuito eléctrico pueden ser muy

útiles para representar las características eléctricas de las baterías.

El modelo eléctrico más simple consiste en una fuente ideal de tensión en

serie con una resistencia interna. Este modelo, sin embargo, no tiene en cuenta

el SOC de la batería. Hay otro modelo basado en el voltaje de circuito abierto

en serie con una resistencia y paralelo a circuitos RC con la también llamada

impedancia de Warburg.

La identificación de todos los parámetros de este modelo está basado en una

técnica bastante complicada llamada espectroscopía de impedancia. Shepherd

desarrolló una ecuación para describir el comportamiento de la electroquímica

de una batería directamente en términos de voltaje terminal, voltaje en circuito

abierto, resistencia interna, corriente de descarga y estado de carga.

Este modelo se aplica para la descarga y para la carga. Una versión modificada

del modelo de Shepherd.




120

Consiste en usar un voltaje de polarización en lugar de Resistencia de

polarización para acabar con el problema cíclico algebraico debido a la

simulación de los sistemas eléctricos con Simulink.

Este modelo usa sólo el SOC de la bacteria como un estado variable para

representar el comportamiento del voltaje. Esto es válido en estado

estacionario (corriente constante) pero el modelo produce falsos resultados

cuando la corriente varía.

Así que este modelo se ha mejorado recientemente para extender su validez

para corrientes de carga y descarga variables.

Figura 72 – Curva típica de descarga para una batería de Níquel - metal Hidruro.

Modelo de la batería propuesto; Modelo de descarga.

El modelo de descarga propuesto es similar al modelo de Shepherd pero

puede representar de forma precisa el voltaje dinámico cuando la corriente

varía y tiene en cuenta el voltaje en circuito abierto (OCV) como una función del

SOC. Un termino con respecto al voltaje de polarización se añade para

mejorar la representación del comportamiento del voltaje en circuito abierto y el




121

termino respecto a la resistencia de polarización se vé ligeramente modificado.

El voltaje de la batería obtenido viene dado por la expresión:

Donde:

V batt = Voltaje de la batería (V)

E0 = Voltaje nominal de la batería o en circuito abierto (V)

K = Constante de polarización ó resistencia de polarización

Q = Capacidad de la batería (Ah)

it = Ridt = Carga actual de la batería (Ah)

A = zona de amplitud exponencial (V)

B = zona exponencial inversa del tiempo constante (Ah)

R = Resistencia interna ()

i = corriente de la batería (A)

i *= corriente filtrada (A)

La particularidad de este modelo es el uso de una corriente filtrada (i *) que

fluye a través de la resistencia de polarización. De hecho, los resultados

experimentales muestran un lento comportamiento dinámico en el voltaje como

respuesta a cada paso de corriente.

La corriente filtrada resuelve también el problema del lazo algebraico debido a

la simulación de los sistemas eléctricos en Simulink.

Finalmente, el voltaje en circuito abierto varia no linealmente con el SOC. Este

fenómeno se modela por el termino de voltaje de polarización. La zona




122

exponencial de la ecuación es válida para las baterías Li-Ion. Para las otras

baterías (Plomo-Ácido, NiMH y NiCD), hay un fenómeno de histéresis entre la

carga y la descarga, entre la carga y la descarga, no importa el SOC de la

batería. Este comportamiento sólo ocurre en el área exponencial, como

muestra la figura 73:

Figura 73 - Curva de histéresis

Ecuación de descarga para una batería de Li-ion:

Suposiciones del modelo:

La Resistencia interna se supone constante durante los ciclos de carga y

descarga y no varía con la amplitud de la corriente.

Los parámetros del modelo deducidos de las características de la descarga, se

asume que son los mismos para la carga.

La capacidad de la bacteria no cambia con la amplitud de de la corriente (No

hay efecto pico).

La Temperatura no afecta al modelo de comportamiento.

La autodescarga de la batería no está representada.

La batería no tiene efecto memoria.




123

Extracción de los parámetros:

Sólo se requieren tres puntos de la curva de descarga del fabricante, en estado

estacionario, para obtener los parámetros. Los fabricantes de baterías proveen

una ficha técnica, la cual incluye una “Típica curva de descarga”, curva donde

es posible extraer los valores de Voltaje cargada (Vfull), el final de la zona

exponencial (Qexp, Vexp), el final de la zona nominal (Qnom, Vnom) (donde el

voltaje eìeza a caer abruptamente) y la capacidad máxima (Q). Además, la

Resistencia interna normalmente viene dada por el fabricante.

Con estos tres puntos, es possible resolver, usando las ecuaciones siguientes.

Se debe tener en cuenta que la curva del fabricante se obtiene a corriente

constante (generalmente igual a C/5).

Para el V.full, la carga extraída es 0 (it = 0) y la corriente filtrada (i*) es 0 porque

el paso de corriente acaba justo de empezar:

Vfull = E0 - R * i + A

Para el final de la zona exponencial, el factor B se puede aproximar 3/Qexp

desde que el término de energía exponencial es casi 0 (5 %) después de tre

veces constante.

La corriente filtrada (i*) es igual a ”i” porque la corriente es en estado

estacionario:

Zona de Voltaje nominal, viene dado por:

Finalmente, la constante de tiempo de la corriente filtrada (i*), no viene dada

por la ficha técnica del fabricante. Sólo se puede calcular experimentalmente.




124

Cálculo de las variables de la batería:

Sobre la curva de descarga correspondiente a intensidad de corriente (C/5 =

1,36 A), en la ficha técnica de la batería, suministrada por el fabricante; Se

obtienen estos valores:

V. full = 4.2 V

Q. exp = 2.7

V.exp = 3.8

V.nom = 3.6

Q. nom = 6.2

Aplicando las ecuaciones anteriores, los resultados de los parámetros son los

siguientes:

A = 0.45

B = 1.11




125

Cálculo de los parámetros del modelo a partir de los datos experimentales;

Se debe realizar un ensayo partiendo de V.full. Se realiza un previo

acondicionamiento de la batería, descargándola y cargándola completamente

hasta alcanzar V.full, ya que debido al hecho de estar almacenada, por la

propia autodescarga, el voltaje es inferior a V.full. Se decide realizar el ensayo

a Tª ambiente, para poderlo contrastar con la curva que ofrece el fabricante a

dicha temperatura.

ENSAYOS A 25 ºC

A partir del ensayo a temperatura ambiente partiendo de V.full = 4.2 V:

Se obtienen estos valores:

Q. exp = 2

V.exp = 4.2

V.nom = 3.6

Q. nom = 6.25




126

Aplicando las ecuaciones anteriores, los resultados son los siguientes:

A = 0.45

B = 1.07

K = 0.037

Por lo tanto, la ecuación que representa el comportamiento de la batería es:

Vbat = Eo – R * i – 0.037 * (Q/ Q – it ) * (it + i*) + 0.45 exp (- 1.07 *it)

Influencia de la Temperatura:

Se realiza el mismo ensayo de descarga, partiendo de V.full, pero a una

temperatura diferente:

Ensayo de descarga a Tª = 40 ºC, partiendo de V.full.

Resultados:

Descarga con datos experimentales a Tª 40ºC




127

Descarga a diferentes temperaturas, 25 º C y 40ºC con intensidades de

descarga constante C/5 y C/2, respectivamente.

La ecuación modelo de la batería representa el comportamiento de la batería,

independientemente de la temperatura exterior, pues el comportamiento es

idéntico para varias temperaturas. El ligero desplazamiento de la curva de

descarga de la batería correspondiente a Temperatura de 40ºC, no se debe a

la temperatura, sino que es debido a una corriente de descarga mayor C/2

Amperios. Pero la forma de la curva mantiene en todo momento el paralelismo.

Influencia del estado de carga inicial:

Se realizan otros ensayos de descarga a una misma temperatura, en idénticas

condiciones pero partiendo de diferentes niveles de SOC inicial:

Exp1: SOC del 89,9%

Exp 2 : SOC del 95,62%

Resultados exp.1:




128

Resultados exp.2:




129

Comparación con el modelo para los distintos niveles de SOC:

SOC 100%

Exp1:SOC 89,9%




130

Exp 2: SOC

95,62%

Se aprecia que el modelo se acerca al comportamiento real de la batería

cuando se parte de un estado inicial de SOC 100%. A medida que el SOC se

aleja del 100%, el modelo difiere más del comportamiento real de la misma. Sin

embargo, seguiría explicando el comportamiento de la batería, pues la forma

de la curva de descarga es la misma para los distintos valores de SOC inicial.

Si representamos los resultados de descarga obtenidos a partir de datos

experimentales a una misma temperatura, misma intensidad de corriente y

diferentes niveles de SOC. Como puede apreciarse ante una pequeña

variación del SOC inicial, baja mucho la capacidad de la batería, pero el

comportamiento es el mismo, desplazado en el eje x.




131

6.2.1.4. Rendimiento.

Llamamos rendimiento energético a la porción o porcentaje de energía o

potencia que se aprovecha de una transformación. La energía entrante se

suele llamar energía o potencia absorbida o generada, a la energía

aprovechada energía o potencia útil y a la energía no aprovechada como

energía o potencia de pérdidas. Donde:

E absorbida = E útil + E perdidas, y en potencias: P absorbida = P útil + P

perdidas.

El rendimiento se expresa matemáticamente como:

En el siguiente esquema representamos los factores que influyen en la

eficiencia de una batería:




132

La celda electroquímica transforma la energía electroquímica en energía

eléctrica. La potencia absorbida o generada es la electroquímica:

Pabs/quim.= fem x I

P. útil/eléctrica = V.ext x I

P.perdidas/Joule + traspaso de electrones = I² x r + α x I

Para la batería estudiada, se tiene:

Capacidad abs.= 6,8 Ah

Capacidad útil = 6,71 Ah, valor obtenido de los ensayos experimentales

anteriores, a T = 25 ºC.

Por lo tanto el rendimiento energético es del 98,67%.




133

6.2.2 – Modelos de comportamiento transitorio de las baterías.

El modelo estimado para el comportamiento estacionario, explica a su vez, el

comportamiento transitorio de la batería. Es decir, puede explicar cómo

fluctuaría el voltaje de la batería si la intensidad en la carga y en la descarga

varían con el tiempo. Según la validación experimental de Olivier Tremblay y

Louis-A. Dessaint [16], incluso si los parámetros se obtienen de la curva de

comportamiento estacionario, es posible simular con precisión (error del ± 5%),

el comportamiento dinámico de la batería para los procesos de carga y

descarga. La validez del modelo se admite para regímenes de SOC

comprendidos entre el 100% y el 20%, en las baterías de ión-litio, ya que en

otras baterías ese rango varía debido a otros efectos.

Vemos a continuación:

A- Influencia del SOC

B- Influencia de la temperatura.

A- Influencia del SOC:

T 25 ºC: SOC 100 %, 95% y 89%

Resultados:

El comportamiento de descarga de la batería a lo largo del tiempo, es el mismo,

para los distintos niveles de carga inicial, sin embargo, ante pequeñas

diferencias del SOC, a medida que éste desciende, es decir, se parte de un




134

nivel inferior de carga en la batería, el tiempo que tarda en descargarse

disminuye considerablemente. Es decir, se reduce la durabilidad de la batería.

Si el nivel de carga desciende tan sólo un 11%, la batería duraría un 72,2%

menos.

B- Influencia de la Temperatura:

SOC 89%: Tª 25 C, 0 C y 45 C.

Resultados:

El comportamiento de la batería es prácticamente el mismo, para temperaturas

ambiente comprendidas entre 25ºC y 45ºC. Aunque la batería duraría más

tiempo si la temperatura externa es 25ºC. A medida que nos alejamos de esa

temperatura, la batería tarda menos en descargarse. Sin embargo, funciona

mejor a altas temperaturas que a bajas temperaturas. Trabajando a 45ºC, la

batería duraría un 10% menos que trabajando a 25ºC, mientras que

funcionando con una temperatura externa de 0ºC, ésta duraría un 20%.




135

6.2.3. INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA EN LAS BATERÍAS.

6.2.3.1. Programación de ensayos.

Se analizan estos ensayos a cuatro temperaturas de trabajo y con tres

tecnologías diferentes de Litio:

- Ensayo 1: Prestaciones a diferentes condiciones de temperatura.

- Pruebas de capacidad y energía.

Características de las baterías ensayadas:

MP176065 LPC7799130L LC2665P

Tecnología LCO LitioPol LFP

Tensión Nominal(V) 3,75 3,8 3,60

Capacidad(Ah)

6,8

8

4

Energía 26 31,4 4

Peso(g)

Sin circuito de p.

143 200 92,5

Densidad Energía(Wh/kg) 178 157 135

Tensión corte Carga(V) 4,2 4,2 4,2

Tensión corte Descarga(V) 2,5 2,8 2,5

Intensidad máxima carga(A) 7 24 4

Intensidad máx. descarga(A) 14 40 12

Fabricante Saft GWA BYD




136

- Programación del ensayo 1: Prestaciones a diferentes condiciones de

temperatura, para las tres baterías.

Batería 1: MP176065 (marca y modelo) 6.8 Ah

Operación Corriente

Carga/Descarga

Limites

carga/descarga

Registro de

datos

1 DCH (descarga) 6,8 A 2.5V 1min

2 CHA (carga) 3,4 A 4.2 V 1min

3 PAU (pausa) 1hora 1min

4 DCH 1,36 A 150min

2.5V

1min

5 PAU 10min 1min

6 DCH 2,26 A 10sec

2.5V

1sec

7 PAU 10min 2sec

8 CHA 2,26A 10sec

4.2V

1sec

9 PAU 10min 2sec

10 DCH 6,8A 10sec

2.5V

1sec

11 PAU 10min 2sec

12 CHA 6,8A 10sec

4.2V

1sec

13 PAU 10min 2sec

14 DCH 34A 10sec

2.5V

1sec

15 PAU 10min 2sec

16 CHA 34A 10sec

4.2V

1sec

17 PAU 10min 2sec

18 DCH 68A 10sec

2.5V

1sec

19 PAU 10min 2sec

20 CHA 68A 10sec

4.2V

1sec




137

21 PAU 20min 5sec

22 STOP

Batería 2: LPC 7799130L (8Ah)


carga/Descarga

Limites

carga/descarga

Registro de

datos

1 DCH (descarga) 8 A 2.8V 1min

2 CHA (carga) 1,6 A 4.2 V 1min


4 DCH 1,6 A 150min

2.8 V

1min

5 PAU 10min 1min

6 DCH 2,66 A 10sec

2.8 V

1sec

7 PAU 10min 2sec

8 CHA 2,66A 10sec

4.2 V

1sec

9 PAU 10min 2sec

10 DCH 8A 10sec

2.8 V

1sec

11 PAU 10min 2sec

12 CHA 8A 10sec

4.2 V

1sec

13 PAU 10min 2sec

14 DCH 40A 10sec

2.8 V

1sec

15 PAU 10min 2sec

16 CHA 40A 10sec

4.2 V

1sec

17 PAU 10min 2sec

18 DCH 80A 10sec

2.8 V

1sec

19 PAU 10min 2sec




138

20 CHA 80A 10sec

4.2 V

1sec

21 PAU 20min 5sec

22 STOP

Batería 3: LC 2665P (4 Ah)

Operación Corriente de

carga/Descarga

Limites

carga/descarga

Registro de

datos

1 DCH (descarga) 4 A 2.5V 1min

2 CHA (carga) 4 A 4.2 V 1min


4 DCH 0,8 A 150min

2.5 V

1min

5 PAU 10min 1min

6 DCH 1,33 A 10sec

2.5 V

1sec

7 PAU 10min 2sec

8 CHA 1,33A 10sec

4.2 V

1sec

9 PAU 10min 2sec

10 DCH 4A 10sec

2.5 V

1sec

11 PAU 10min 2sec

12 CHA 4A 10sec

4.2V

1sec

13 PAU 10min 2sec

14 DCH 20A 10sec

2.5V

1sec

15 PAU 10min 2sec

16 CHA 20A 10sec

4.2 V

1sec

17 PAU 10min 2sec

18 DCH 40A 10sec

2.5V

1sec

19 PAU 10min 2sec




139

20 CHA 40A 10sec

4.2 V

1sec

21 PAU 20min 5sec

22 STOP

Programación del ensayo de capacidad y de energía para las 3 baterías:

Batería 1: MP176065 (6.8Ah)


Carga/Descarga

Limites

carga/descarga

Registro de

datos

1 DCH (descarga) 1.4 A 2.5V 1min

2 PAU (pausa) 1 hora 30min

3 CHA ( carga) 3.4A 4.2V 1min

4 PAU

5 DCH 1.4A 2.5V 1min

6 STO(Parada)

Batería 2: LPC7799130L (8Ah)


Carga/Descarga

Limites

carga/descarga

Registro de

datos

1 DCH (descarga) 1.6A 2.8V 1min


3 CHA ( carga) 1.6A 4.2V 1min

4 PAU


6 STO(Parada)

Batería 3: LC 2665P (4Ah)


Carga/Descarga

Limites

carga/descarga

Registro de

datos

1 DCH (descarga) 4A 2.5V 1min


3 CHA ( carga) 4A 4.2V 1min




140

4 PAU


6 STO(Parada)

Ensayo 1. Cálculo de las prestaciones de las baterías a distintas

temperaturas.

A partir de los resultados obtenidos se pueden calcular las siguientes

prestaciones:

- Corriente de descarga Id(A). Se obtiene ploteando los resultados de

V.descarga a diferentes valores de I.descarga. Después se extrapolan los

resultados para la V.descarga que indica el fabricante.

- Potencia Wd (W)

Wd = Vd x Id

Donde:

Vd es la tensión de corte en descarga facilitada por el fabricante

Id es la corriente de descarga (A)

- Densidad de potencia por unidad de masa Pd (W/Kg)

Pd = Wd / M

Donde:

M es el peso de la celda (kg)

- Corriente de carga Ic (A); Para el cálculo de la corriente de carga

utilizaremos el mismo método usado anteriormente para la corriente de

descarga pero utilizando los valores de tensión durante la etapa de carga.

- Potencia regenerativa Wc (W)

Wc = Vc x Ic




141

Donde:

Vc es el límite de tensión de carga facilitado por el fabricante

Ic es la corriente de carga calculada anteriormente

- Potencia regenerativa por unidad de masa Pc (W/kg)

Pc = Wc / M

Resultados:

Batería 1: MP176065 (6.8Ah)

T 25 ºC T 45 ºC T 0 ºC T - 20 ºC

Corriente de descarga 43.94A 56.95 A 24.21 A 6.35 A

Potencia 109.85 W 142.375

W

60.525 W 15.95 W

Potencia por unidad de

masa

717.97 W/kg 930.55

W/kg

395.58

W/kg

79.75

W/kg

Corriente de carga 19.76 A 20.93 A 2.88 A 0.5 A

Potencia regenerativa 82.992W 87.906

W

12.096 W 2.1 W

Potencia regenerativa por

unidad de masa

580.36W/kg 574.54

W/kg

79.05

W/kg

13.72

W/kg

Batería 2: LPC7799130L (8Ah)

T 25 ºC T 45 ºC T 0 ºC T - 20 ºC

Corriente de descarga 108.39 A 147.95 A 75.91 A 21.18 A

Potencia 303.49 W 414.26 W 212.548

W

59.304 W

Potencia por unidad de 1517.46W/kg 2071.3 1062.74 296.56




142

masa W/kg W/kg W/kg


Potencia regenerativa 139.23W 195 W 51.093 W 2.1 W


unidad de masa

696.15W/kg 979.65

W/kg

255 W/kg 10.5 W/kg

Batería 3: LC 2665P (4Ah)

T 25 ºC T 45 ºC T 0 ºC T - 20 ºC

Corriente de descarga 37.9 A 44.03 A 21.45 A 5.94 A

Potencia 94.75 W 110.075 W 53.625 W 14.85 W

Potencia por unidad de

masa

1024.32W /kg 1190 W/kg 582.88

W/kg

160.54

W/kg


Potencia regenerativa 84.63 W 97.692 W 44.478 W 6.3 W


unidad de masa

914.49 W/kg 1056 W/kg 480.84

W/kg

68.108

W/kg




143

Ensayo de capacidad y energía a distintas temperaturas.

T 0º C T 25 º C T 45 º C T - 20º C

Bateria 1

Capacidad Carga

Descarga

1.809

1.792

5.189

5.17

5.402

5.426

0.001

0.034

Energía Carga

Descarga

7.511

6.097

20.714

19.212

21.374

21.818

0.004

0.091

Bateria 2

Capacidad Carga

Descarga

5.952

5.944

7.768

7.717

7.959

7.901

0.928

1.008

Energía Carga

Descarga

23.595

21.738

30.318

29.476

30.99

30.32

3.818

3.155

Bateria 3

Capacidad Carga

Descarga

2.457

2.455

3.478

3.376

3.618

3.618

0.001

0.001

Energía Carga

Descarga

9.832

8.122

13.408

11.818

13.387

12.851

0.004

0.003

Conclusiones

- Los mejores resultados en los ensayos se obtienen trabajando a

temperaturas de 45ºC debido al aumento de la conductividad iónica del

electrolito.

- A bajas temperaturas, la capacidad disponible es menor a la nominal.

- En rango de temperaturas de funcionamiento de las baterías de litio es el

siguiente:

- > 60o

C se descompone la sal (menor vida)

- < 0o

C se produce el litiado a cualquier régimen de carga

- < 20o

C se produce el litiado en carga rápida (menos ciclos de vida)




144

6.2.3.2. Temperaturas admisibles.

Otro aspecto muy importante a analizar en relación a la aplicación de las

baterías en los vehículos eléctricos, es el incremento de temperatura que tiene

lugar en las baterías con su uso. A partir de cierta temperatura se degradan y

en otros casos los sistemas de protección las ponen en circuito abierto.

Ensayos propuestos:

Estos experimentos los definiremos partiendo con la batería a temperatura

ambiente y sometiéndola a una carga/descarga constante midiendo

simultáneamente tensión, intensidad y temperatura en el exterior (en varios

puntos de la carcasa exterior) en intervalos de tiempo constantes, con el

objetivo de alcanzar temperaturas extremas.

El objetivo es desarrollar un modelo de comportamiento térmico de la batería

que a su vez permitiría determinar los requerimientos de refrigeración de la

misma, que por lo tanto, evitarían su degradación.




145

En principio se definen 3 ensayos a realizar, que consisten en:

- Cargas y descargas a 3C / 5 minutos sin reposo, hasta alcanzar una Tª máxima

de 60 ºC


de 60 ºC

- Cargas y descargas a 8C / 1 minuto sin reposo, hasta alcanzar una Tª máxima

de 60 ºC

Para la realización de estos ensayos, no es necesario una preparación previa

de la carga, sino que se parte de la batería cargada a 1C (8A), con un voltaje

de 4,2 V.

ENSAYO 1:


de 60 ºC

Se programa la unidad de control, del siguiente modo:

- Descarga a 3C (21 A), hasta 2,5 V.

- Carga a 3C (21 A), hasta 4,2 V.

- Repetición de este ciclo hasta un máximo de 50 ciclos y la operación se aborta

si la celda alcanza la Tª de 60 ºC.

Se tomarán los registros de 10:00 – 17:00 h, con lectura de datos cada minuto.

Como se observa, se pretende realizar ciclos sobrepasando las condiciones de

carga y descarga recomendadas por el fabricante, con el objetivo de alcanzar

temperaturas más altas, que podrían darse al trabajar en condiciones

operativas no habituales, así como no recomendables, que son las siguientes:

“Condiciones de carga recomendadas:

3.4 A (C/2) recomendada, aunque es seguro cargar hasta a 7 A (≈ C), por

encima de ese valor es posible, en detrimento de los ciclos de vida de la

batería.”

Además se le retira el circuito de protección térmico, para evitar su acción y

que no aborte la carga o descarga programada. Los registros de datos de

temperatura se toman con el adquisidor de datos mostrado en la figura 74.




146

Figura 74 – Adquisidor de datos sonda 2 de Temperatura

Figura 75 – Digatrón




147

Figura 76 – Batería conectada al equipo Digatrón y al adquisidor de datos.

Figura 77– Batería ensayada, planta.




148

Figura 78 – Batería ensayada, alzado.

Figura 79 – Batería ensayada, perfil.

Resultados:

Transcurrido el segundo ciclo, la batería ya no puede alcanzar la carga

completa, pues el proceso electroquímico correspondiente no se completa. Se

muestran los resultados del ensayo en la tabla 5 del anexo II.




149

Se propone repetir el ensayo, modificando los criterios de carga/descarga, de

modo que se tomará como intensidades de carga y descarga las máximas

admisibles por el fabricante, por encima de las recomendadas, pero menores

que las del ensayo anterior, con la finalidad de obtener un muestreo suficiente

de la evolución de la Temperatura en el tiempo, los resultados se muestran en

la tabla 6 del anexo II.

Los resultados de temperatura son muy estables, apenas hay oscilaciones. Se

decide repetir el ensayo anterior en idénticas condiciones y se comprueba, que

la electroquímica de la celda se había estropeado, tras alcanzar el pico de

temperatura de 39,64 ºC. Por lo tanto, al descargar con intensidades altas, del

orden de 3C, las prestaciones de la batería se anulan.(Cuando el fabricante

permite hasta 4C).

Se realiza el mismo ensayo, pero con intensidades de descarga de 2C, máximo

recomendado por el fabricante y los resultados se muestran en la tabla 7 del

anexo II.

A continuación, se representa gráficamente la evolución temporal de la

temperatura en la sonda de control , en la figura 80, y la evolución de la

potencia en la figura 81:

Figura 80 – Gráfica Temperatura sonda BC- tiempo.




150

Figura 81 – Gráfica Potencia- tiempo.

Los resultados son los siguientes:

La batería admite intensidades de descarga de hasta 2C, sin deteriorarse y

puede alcanzar un máximo de temperatura de 47,897ºC.

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CAPÍTULO 6: ENSAYOS Y CARACTERIZACIÓN DE …bibing.us.es/proyectos/abreproy/70306/fichero/CAPITULO+6%2FCAPIT… · Proyecto Fín de Máster: Regulación Eólica con Baterías en