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Portuguese 1. Capacidad de la batería
Tabla de contenido
- 1. Capacidad de la batería
- 2. Tensión nominal
- 3. Tensión de terminación de carga
- 4. Tensión de terminación de descarga
- 5. Resistencia interna de la batería
- 6. Tasa de autodescarga
- 6.1 ¿Cómo afecta la tasa de descarga a la capacidad de la batería?
- 6.2 ¿Cuál es la tasa de descarga de las baterías de las bicicletas eléctricas?
- 6.3 ¿Qué se considera una alta tasa de descarga para las baterías de litio?
- 6.4 ¿Cuál es una buena tasa de descarga para las baterías?
- 6.5 ¿Cómo se calcula la tasa C?
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Generalmente, la capacidad de una batería se determina por la cantidad de material activo que contiene, generalmente expresada en miliamperios-hora (mAh o Ah). Por ejemplo, 1000 mAh pueden descargarse en 1 hora con una corriente de 1 A.
1.1 Comprensión de la capacidad de la batería: nominal, real y teórica
La capacidad de la batería se puede clasificar en capacidad real, capacidad teórica y capacidad nominal, según diferentes condiciones.
La capacidad que proporciona una batería al descargarse a una velocidad determinada a 25 °C hasta su tensión terminal se define como la capacidad de la batería durante su diseño y producción. Esto se denomina capacidad nominal para una velocidad de descarga dada (RH).
La capacidad de la batería se mide generalmente en amperios-hora (AH). Otro método de medición es en vatios (W/CELL) por celda (por placa).
- Para calcular Ah (amperios-hora), se toma la corriente de descarga (corriente constante) I y se multiplica por el tiempo de descarga (en horas) T. Por ejemplo, una batería de 7 AH descargada continuamente a 0,35 A puede durar aproximadamente 20 horas.
- El tiempo de carga estándar es de 15 horas y la corriente de carga es 1/10 de la capacidad de la batería. La carga rápida puede reducir la vida útil de la batería.
La capacidad de la batería se refiere a la cantidad de carga eléctrica almacenada. La unidad de capacidad de la batería es el mAh, conocido en chino como miliamperios-hora. Para baterías de mayor capacidad, como las de plomo-ácido, generalmente se utiliza el Ah (amperio-hora) por comodidad, donde 1 Ah = 1000 mAh. Si una batería tiene una capacidad nominal de 1300 mAh y se descarga con una corriente de 130 mA, puede funcionar durante aproximadamente 10 horas (1300 mAh/130 mA = 10 h). Si la corriente de descarga es de 1300 mA, el tiempo de funcionamiento se reduce a aproximadamente 1 hora. Estos cálculos se basan en condiciones ideales, y el funcionamiento real del dispositivo puede variar según los componentes, como una pantalla LCD o el flash de una cámara digital, que pueden causar grandes variaciones de corriente. Por lo tanto, el tiempo de funcionamiento real de un dispositivo alimentado por la batería solo puede ser aproximado, generalmente basado en la experiencia real.
1.2 Unidad de Capacidad
Normalmente, la capacidad de la batería se mide en amperios-hora (Ah) y se determina para una batería específica. Por ejemplo, la pregunta podría ser: ¿Cuál es la capacidad de la batería de este smartphone? ¿O cuál es la capacidad de la batería de este patinete eléctrico? Estas preguntas son específicas de cada batería. Cuando el voltaje de la batería ya está definido y no se considera el voltaje en tiempo real, simplemente indicar los amperios-hora puede representar la capacidad de la batería.
Sin embargo, al trabajar con baterías de diferentes voltajes, no se puede confiar simplemente en los amperios-hora para indicar la capacidad. Tomemos, por ejemplo, una Batería MANLY 12V 20AH y una batería MANLY de 15 V y 20 Ah. Aunque ambas tienen 20 Ah, al alimentar un dispositivo con la misma carga, este funcionará correctamente, pero su duración variará. Por lo tanto, la capacidad estándar debe medirse en términos de potencia.
Para ilustrarlo mejor, considere un dispositivo que admite tanto 12 V como 24 V. Si se alimenta con una batería MANLY de 12 V y 20 AH, puede durar una hora. Sin embargo, si se conectan dos baterías de este tipo en serie, resultando en 24 V y 20 AH, los amperios-hora permanecen invariables, pero el tiempo de funcionamiento se duplica. En este contexto, la capacidad debe considerarse en términos de la potencia que puede almacenar la batería, no solo de los amperios-hora.
Potencia (W) = Potencia (P) * Tiempo (T) = Corriente (I) * Voltaje (U) * Tiempo (T).
Este enfoque para analizar la capacidad de la batería es más significativo. Es necesario ser realista y objetivo; de lo contrario, se podría llegar a la afirmación ilógica de que la batería de un smartphone tiene mayor capacidad que la de un patinete eléctrico, lo cual es claramente poco científico.
2. Tensión nominal
La diferencia de potencial entre los electrodos positivo y negativo de la batería se denomina voltaje nominal. Este voltaje se determina por el potencial del electrodo del material de la placa y la concentración del electrolito interno. El diagrama de descarga de una batería de litio es parabólico: de 4,3 V a 3,7 V, y de 3,7 V a 3,0 V, ambos valores cambian rápidamente. Solo el tiempo de descarga, de aproximadamente 3,7 V, es el más largo, representando casi tres cuartas partes del tiempo, por lo que el voltaje nominal de la batería de litio se refiere al voltaje que mantiene el mayor tiempo de descarga.
- Batería de litio ternaria
El voltaje nominal de una celda ternaria de litio es de 3,6 V, con un rango de voltaje operativo de entre 2,5 V y 4,2 V. Para un paquete de baterías, el voltaje se multiplica por el número de celdas en serie. Por ejemplo, para un paquete de baterías ternarias de litio de la serie 10, el voltaje nominal es de 36 V, y el rango de voltaje operativo oscila entre 25 V y 42 V.
- Batería de fosfato de hierro y litio
El voltaje nominal de una celda de fosfato de hierro y litio es de 3,2 V, con un rango de voltaje operativo de 2,0 V a 3,65 V. De igual forma, para el paquete de baterías correspondiente, se multiplica por el número de celdas en serie. Por ejemplo, un paquete de baterías de fosfato de hierro y litio de la serie 15 tiene un voltaje nominal de 48 V, con un rango de voltaje operativo de 30 V a 54,75 V.
Entonces, ¿cuáles son las implicaciones de un bajo voltaje para las baterías de litio?
Se recomienda almacenar las baterías de litio a largo plazo con aproximadamente 701 TP3T de carga. Si no se utilizan durante 3 a 6 meses, es recomendable realizar ciclos de carga y descarga completa. Esto mejora la vida útil de la batería.
Si se almacena durante largos periodos sin usar y a voltajes muy bajos, los materiales de la batería de litio pueden verse afectados negativamente. Su reactividad química podría deteriorarse, lo que a su vez afecta a su vida útil.
Las baterías de iones de litio funcionan con voltajes de entre 2,5 V y 4,2 V. Cuando el voltaje cae por debajo de 2,5 V, la descarga de la batería se interrumpe y, debido al cierre del circuito de descarga, la pérdida de corriente del circuito de protección interno se reduce a su nivel mínimo. Sin embargo, en aplicaciones reales, debido a las variaciones en los materiales internos, el voltaje de terminación de la descarga puede oscilar entre 2,5 V y 3,0 V. Cuando el voltaje supera los 4,2 V, el circuito de carga se interrumpe para garantizar la seguridad de la batería.
3. Tensión de terminación de carga
Cuando la batería recargable está completamente cargada, el material activo de la placa del electrodo alcanza un estado de saturación, por lo que el voltaje de la batería no aumenta mientras se carga. Este voltaje se denomina voltaje de fin de carga. La batería ternaria de litio tiene una tensión de 4,2 V y la de fosfato de hierro y litio, de 3,65 V.
4. Tensión de terminación de descarga
La tensión de fin de descarga se refiere a la tensión mínima permitida cuando la batería está descargada. La tensión de terminación de descarga está relacionada con la velocidad de descarga.
5. Resistencia interna de la batería
La resistencia interna de la batería se determina por la resistencia de la placa del electrodo y la resistencia del flujo iónico. Durante el proceso de carga y descarga, la resistencia del motor de imagen y de la placa del electrodo permanece invariable, pero la resistencia del flujo iónico aumenta o disminuye según la concentración del electrolito y los iones cargados. Cuando el voltaje OCV de una batería de litio disminuye, la impedancia aumenta. Por lo tanto, al cargar a baja potencia (menos de 3 V), se debe realizar primero una precarga (carga de mantenimiento) para evitar que una corriente excesiva genere un calor excesivo en la batería.
Composición de la resistencia interna de la batería de litio
La resistencia óhmica se origina principalmente en los materiales de los electrodos, el electrolito, la resistencia del separador, así como en la resistencia de contacto de los colectores de corriente y las conexiones de las lengüetas. Está relacionada con el tamaño, la estructura y los métodos de conexión de la batería.
La resistencia a la polarización, que surge instantáneamente al aplicar corriente, representa la tendencia acumulada de diversas barreras dentro de la batería que impiden que los iones cargados alcancen su destino. Esta resistencia se puede clasificar en polarización electroquímica y polarización por concentración.
Actualmente, la batería de litio 18650 más destacada tiene una resistencia interna de aproximadamente 12 miliohmios, mientras que las típicas oscilan entre 13 y 15 miliohmios. Dado que la impedancia puede afectar el rendimiento de la batería, por lo general, 50 miliohmios se considera normal. Entre 50 y 100 miliohmios, la batería sigue funcionando, pero su rendimiento empieza a disminuir. Al superar los 100 miliohmios, es necesario el uso en paralelo, y cualquier valor por encima de 200 miliohmios es prácticamente inutilizable.
Impactos de la resistencia interna de la batería de litio
Todos los factores que impiden el movimiento de iones y electrones de litio de un polo a otro dentro de la batería de litio contribuyen a su resistencia interna. Idealmente, cuanto menor sea la resistencia interna, mejor. Una resistencia interna más alta conlleva mayores pérdidas térmicas, lo que evita descargas con alta corriente. Además, una resistencia interna alta implica que la batería se calienta durante el uso. Las temperaturas elevadas pueden provocar una caída de la tensión de descarga y una reducción de su duración, lo que afecta gravemente su rendimiento y vida útil. En casos extremos, esto puede incluso suponer un riesgo de combustión espontánea.
6. Tasa de autodescarga
Se refiere al porcentaje de la capacidad total que se pierde automáticamente cuando la batería no se utiliza durante un tiempo. Generalmente, la tasa de autodescarga de las baterías de iones de litio a temperatura ambiente es de 5% a 8%.
6.1 ¿Cómo afecta la tasa de descarga a la capacidad de la batería?
La tasa de descarga afecta directamente la capacidad efectiva de una batería. En concreto, una tasa de descarga más alta puede reducir la capacidad disponible, ya que la batería podría no mantener su capacidad nominal máxima durante descargas rápidas. Por lo tanto, al evaluar la capacidad útil de una batería, se debe tener en cuenta la tasa de descarga.
6.2 ¿Cuál es la tasa de descarga de las baterías de las bicicletas eléctricas?
La tasa de descarga de las baterías de bicicletas eléctricas puede variar según su composición química y diseño. Las bicicletas eléctricas suelen utilizar baterías de iones de litio debido a su alta densidad energética y rendimiento. Estas baterías suelen presentar una tasa de descarga de entre 1 °C y 4 °C, o incluso superior. Por ejemplo, una batería de 1 Ah con una tasa de descarga de 10 °C puede proporcionar una corriente de descarga continua de 10 amperios, mientras que una tasa de 4 °C permitiría una corriente de descarga continua de 40 amperios.
6.3 ¿Qué se considera una alta tasa de descarga para las baterías de litio?
En el caso de las baterías de litio, una tasa de descarga generalmente considerada "alta" comienza a partir de 1 °C. Sin embargo, es importante tener en cuenta que lo que se considera una tasa de descarga específica alta puede variar según el diseño de la batería, su composición química y su aplicación prevista.
6.4 ¿Cuál es una buena tasa de descarga para las baterías?
La tasa de descarga óptima para una batería depende de las exigencias específicas de su aplicación. Normalmente, se considera favorable una tasa de descarga que facilite una transferencia de energía eficiente sin sobrecargar la batería. Se recomienda consultar las especificaciones y directrices del fabricante para determinar la tasa de descarga óptima para una batería en particular.
6.5 ¿Cómo se calcula la tasa C?
Tasa C (C) = Corriente de carga o descarga en amperios (A) / Capacidad nominal de la batería (Ah)
Analicemos un ejemplo con una batería de litio de 100 Ah:
1C representa una corriente de descarga de 100 amperios, lo que significa que la batería puede proporcionar una descarga continua de 100 amperios durante una hora. En otras palabras, puede soportar una corriente de carga de 100 amperios durante 60 minutos.
Si aumentamos la tasa C a 2C, la corriente de descarga alcanza los 200 amperios. Esto significa que la batería ahora puede proporcionar una corriente de descarga de 200 amperios, pero con una duración reducida. A una tasa de 2C, la batería puede mantener una corriente de carga de 200 amperios durante 30 minutos o media hora.
Por otro lado, al reducir la tasa C a 0,5 C, se obtiene una corriente de descarga de 50 amperios. A una tasa de 0,5 C, la batería puede suministrar una corriente de descarga de 50 amperios, prolongando así el periodo de descarga. En estas condiciones, la batería puede soportar una corriente de carga de 50 amperios durante 2 horas o 120 minutos.
Al evaluar el rendimiento y la capacidad de las baterías de litio, la tasa C se destaca como un factor crucial ya que determina tanto la corriente de descarga disponible como la duración de descarga correspondiente.
