Fundamentos de la celda
Fundamentos de la celda
El vocabulario necesario antes de poder leer una hoja de datos.
Celda cilíndrica de ion-litio de unos 18 mm de diámetro y 65 mm de longitud, el formato con más utillaje estandarizado de la industria.
El nombre es dimensional: 18 mm de diámetro, 65 mm de longitud, y el cero final indica la forma cilíndrica. Como los portaceldas, la tira de níquel, los utillajes de soldadura por puntos y el herramental del pack están estandarizados en 18 mm, la 18650 sigue siendo la opción por defecto cuando el diseño no necesita el volumen extra de una 21700. Los modelos actuales van de unos 2,000 a 3,500 mAh, y la corriente de descarga continua va de 8 A en los grados de energía a 36 A en los grados de potencia.
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Véase también:
Celda 21700, Tasa C, Formato de celda
Celda cilíndrica de ion-litio de unos 21 mm de diámetro y 70 mm de longitud, con cerca de un 50% más de volumen que una 18650.
El volumen adicional frente a una 18650 se emplea en capacidad a corriente similar o en corriente a capacidad similar. En la práctica eso significa menos ramas en paralelo para una capacidad de pack dada, menos soldaduras por puntos y un BMS más simple. Es además el único formato cilíndrico en el que hoy conviven 5,000 mAh y 60 A de corriente de descarga continua en una misma pieza. El compromiso es térmico: los grados de alta corriente suponen que el pack mantiene la celda por debajo de un corte de 80 °C en superficie.
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Véase también:
Celda 18650, Corte por temperatura, Formato de celda
La envolvente mecánica de una celda —cilíndrica, prismática o de bolsa—, que fija la eficiencia de empaquetado y el método de interconexión.
Las celdas cilíndricas son latas de acero con dimensiones estandarizadas y métodos de soldadura bien establecidos. Las celdas prismáticas son latas rectangulares de aluminio o acero que se empaquetan con más eficiencia dentro de una caja. Las celdas de bolsa son de film laminado y dan la mayor eficiencia volumétrica, pero necesitan compresión externa en el pack. La elección suele venir de la geometría del alojamiento y del utillaje existente, no solo del rendimiento eléctrico.
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Véase también:
Celda 18650, Celda 21700
Corriente de carga o de descarga expresada como múltiplo de la capacidad nominal de la celda, de modo que celdas de distinto tamaño se puedan comparar en la misma escala.
Una celda de 3,000 mAh descargada a 3 A trabaja a 1 C; a 30 A trabaja a 10 C. La misma corriente es un régimen muy distinto para una celda de 5,000 mAh. Por eso la tasa C, y no los amperios, es la cifra que se compara entre formatos. Por eso también una cifra de vida útil en ciclos carece de sentido sin la tasa C a la que se midió: un ciclo a 0.5 C y un ciclo a 3 C envejecen la celda a velocidades muy diferentes.
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Véase también:
Capacidad, Vida útil en ciclos, Profundidad de descarga (DoD)
La carga que una celda puede entregar entre su límite de tensión de carga y su corte de descarga, expresada en amperios-hora o miliamperios-hora.
Las fichas técnicas suelen dar dos cifras: una capacidad típica y una capacidad mínima. Diseñar con la típica es diseñar con un valor que el fabricante no garantiza. La capacidad depende además de la tasa y de la temperatura: una celda especificada en 3,000 mAh a 0.2 C entrega mediblemente menos a 10 A, y menos todavía a baja temperatura. La cifra mínima a la tasa a la que realmente se va a trabajar es el único dato de diseño seguro.
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Véase también:
Tasa C, Densidad energética
Energía almacenada por unidad de volumen (Wh/L) o por unidad de masa (Wh/kg), las cifras que deciden el tamaño y el peso que debe tener un pack.
La densidad volumétrica limita cuando el tamaño del alojamiento es fijo; la densidad gravimétrica limita cuando el pack se lleva encima o se levanta. Una celda puede ser fuerte en una y discreta en la otra. La densidad energética debe leerse además contra la tasa de descarga: una cifra dada a 0.2 C no describe lo que la celda entrega a 10 C, donde la caída de tensión retira energía útil antes de agotar la capacidad.
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Véase también:
Capacidad, Resistencia interna
La oposición al paso de corriente dentro de la celda, medida como impedancia en alterna a una frecuencia y un estado de carga declarados, o como resistencia en continua a través de un pulso de corriente.
La impedancia determina la caída de tensión bajo carga y qué parte de la capacidad es utilizable antes de que el pack llegue a su tensión de corte. Es también el parámetro que más se desplaza con la edad: una celda que cumple con holgura una especificación de corriente cuando es nueva puede salirse de especificación a mitad de su vida. Las cifras en alterna y en continua no son intercambiables, y un valor en continua no significa nada sin la duración del pulso y el estado de carga con que se tomó.
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Véase también:
Estado de salud (SoH), Tasa C
La temperatura superficial de la celda a la que deja de ser válida una especificación de carga o descarga del fabricante, habitualmente 80 °C u 83 °C en celdas cilíndricas de alta potencia.
Una cifra de descarga continua es una afirmación condicional, no absoluta. Una especificación de 60 A que solo se sostiene mientras el pack mantiene la celda por debajo de 80 °C de temperatura superficial no se puede usar en una carcasa sellada y sin camino térmico. Cuando un fabricante declara una condición, va al lado de la cifra; quitarla para que una tabla comparativa quede ordenada es cómo se construyen packs sobre valores que no pueden alcanzar.
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Véase también:
Tasa C, Embalamiento térmico
Quimica
Quimica
De que esta hecha la celda y que implica esa eleccion.
Una química de cátodo de ion-litio con níquel, manganeso y cobalto, dominante en celdas cilíndricas de potencia y en la mayoría de packs de tracción.
Las proporciones varían: las formulaciones ricas en níquel suben la densidad energética, el manganeso aporta estabilidad térmica y el cobalto sostiene la capacidad de corriente y la vida útil en ciclos. La mayoría de las celdas cilíndricas de alta potencia, incluidas las familias Samsung INR, Molicel INR y LG INR, son NMC rico en níquel. Algunas variantes añaden silicio u óxido de silicio al ánodo de grafito para ganar capacidad, y de ahí la denominación NMC-Si.
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Véase también:
NCA (óxido de litio, níquel, cobalto y aluminio), LFP (fosfato de hierro y litio)
Una química de cátodo rica en níquel que usa aluminio como elemento estabilizador, asociada a alta densidad energética en celdas cilíndricas.
NCA es la química detrás de las familias cilíndricas Panasonic NCR y NCA. Entrega alta energía específica, y por eso aparece en celdas optimizadas para capacidad y no para corrientes de descarga extremas. Como en cualquier química rica en níquel, la celda depende de que el pack gestione bien las ventanas de tensión y temperatura, no de que la química sea indulgente.
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Véase también:
NMC (óxido de litio, níquel, manganeso y cobalto), LFP (fosfato de hierro y litio)
Una química de cátodo de ion-litio basada en fosfato de hierro, que cambia densidad energética por estabilidad térmica y larga vida útil en ciclos.
Las celdas LFP tienen una tensión nominal cercana a 3.2 V frente a unos 3.6 V de NMC y NCA, y menor densidad energética tanto en volumen como en masa. Lo que compran es un comportamiento térmico mucho más plano y seguro, y recuentos de ciclos que encajan con el almacenamiento estacionario. Por eso LFP domina el almacenamiento residencial y comercial, mientras las químicas ricas en níquel dominan la tracción y la energía portátil, donde el volumen y el peso limitan.
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Véase también:
NMC (óxido de litio, níquel, manganeso y cobalto), NCA (óxido de litio, níquel, cobalto y aluminio)
Diseno del pack
Diseno del pack
De la celda individual al pack ensamblado.
La electrónica que vigila las tensiones de celda, la corriente y la temperatura, y desconecta el pack de baterías cuando alguno de esos valores sale de la ventana del fabricante.
El BMS no es opcional en celdas industriales sin protección. Hace cumplir el límite de tensión de carga, el corte de descarga, los límites de corriente y la ventana de temperatura, y decide cuándo dejar de cargar porque un grupo de celdas está desequilibrado respecto al resto. La especificación importante no es la lista de funciones, sino si los umbrales corresponden a la celda realmente montada: un BMS configurado para otra química u otra ventana de tensión cortará antes de tiempo o no protegerá.
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Véase también:
Equilibrado de celdas, Profundidad de descarga (DoD)
Igualar el estado de carga de las celdas conectadas en serie, ya sea disipando el exceso de carga de las celdas más altas o moviendo carga entre ellas.
Las celdas en serie ven la misma corriente, pero se separan porque no son idénticas. Sin equilibrado, el pack queda limitado por su grupo más débil: el BMS debe cortar la carga cuando la celda más alta está llena y cortar la descarga cuando la más baja está vacía, así que la capacidad útil se reduce a la de la celda más estrecha en lugar de a la media. El equilibrado pasivo disipa energía de las celdas altas; el activo la mueve, a cambio de más hardware.
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Véase también:
BMS (sistema de gestión de batería), Estado de carga (SoC)
La forma de conectar las celdas para alcanzar la tensión requerida (serie, escrita S) y la capacidad o capacidad de corriente necesarias (paralelo, escrita P).
Un pack 4S2P tiene cuatro grupos en serie con dos celdas en cada grupo: la tensión nominal es cuatro veces la de la celda, la capacidad es el doble de la de una celda y la capacidad de corriente se duplica aproximadamente. Las ramas en serie necesitan equilibrado; los grupos en paralelo necesitan celdas igualadas en capacidad, impedancia y estado de carga. La configuración suele quedar fijada por la tensión de carga y la autonomía requerida, y determina el número de canales del BMS.
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Véase también:
Equilibrado de celdas, BMS (sistema de gestión de batería)
Unir las celdas a las barras colectoras mediante soldadura por resistencia o soldadura láser en lugar de estaño, que es el método aceptado para montar celdas cilíndricas.
Soldar directamente sobre la lata de la celda introduce calor en un componente sellado que no se diseñó para recibirlo, y la unión es difícil de repetir en volumen de producción. La soldadura por resistencia y la láser hacen la unión en milisegundos con una zona afectada térmicamente controlada. La soldadura es también un componente eléctrico: una unión pobre añade resistencia, produce calentamiento local y es una de las causas más frecuentes de un pack que pasa la prueba y falla en campo.
Entrada completa: Soldadura de interconexiones en el diseño de packs →
Véase también:
Configuración en serie y en paralelo, Resistencia interna
Vida util y envejecimiento
Vida util y envejecimiento
Como envejecen las celdas y que cifras lo describen con honestidad.
El número de ciclos de carga y descarga que completa una celda antes de que su capacidad caiga por debajo de una fracción declarada de su valor original, normalmente el 80%.
Una cifra de vida útil en ciclos solo es comparable con otra cuando coinciden la tasa de carga, la tasa de descarga, la profundidad de descarga y la temperatura. Es el número más mal usado en la compra de baterías: una afirmación medida a 0.5 C y 20% de profundidad de descarga no es comparable con otra medida a 1 C y 90%. Pida la condición de ensayo antes de comparar ofertas y trate cualquier cifra sin condición como marketing.
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Véase también:
Profundidad de descarga (DoD), Tasa C
La fracción de la capacidad de una celda que se retira durante una descarga, expresada en porcentaje.
La profundidad de descarga y la vida útil en ciclos son inversas: los ciclos superficiales cuestan mucho menos envejecimiento por ciclo que los profundos. Un pack ciclado al 20% de DoD completará muchos más ciclos que el mismo pack ciclado al 90%, y por eso las condiciones de garantía de los sistemas de almacenamiento se escriben contra una DoD declarada. También implica que los ciclos por sí solos no son una unidad comparable de vida de la batería; la energía total circulada a lo largo de la vida se acerca más.
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Véase también:
Vida útil en ciclos, Estado de carga (SoC)
La carga restante en una celda en un momento dado, expresada como porcentaje de su capacidad útil actual.
El SoC es una medida relativa, así que depende de la capacidad contra la que se mide, y esa cifra baja a medida que la celda envejece. Tampoco es medible de forma directa: se estima a partir de la tensión, la integración de corriente y la temperatura, y la estimación deriva entre referencias de carga completa. La capacidad de potencia punta varía mucho con el SoC, y por eso las cifras de potencia de las celdas de alta descarga se dan a un SoC declarado.
Entrada completa: Estado de carga (SoC) en el diseño de packs →
Véase también:
Profundidad de descarga (DoD), Estado de salud (SoH)
La condición actual de una celda expresada como porcentaje de su capacidad original, normalmente la capacidad y a veces la resistencia.
El SoH es la cifra que decide si un pack sigue sirviendo para su aplicación. Un SoH basado en capacidad recoge cuánta energía retiene la celda; uno basado en resistencia recoge qué tan bien puede entregar corriente todavía. Una celda puede pasar una prueba de capacidad y fallar en una aplicación de potencia porque su impedancia ha crecido. Por eso el aumento de impedancia a lo largo de los ciclos importa tanto como el recuento de ciclos.
Entrada completa: Estado de salud (SoH) en el diseño de packs →
Véase también:
Resistencia interna, Vida útil en ciclos
El envejecimiento que ocurre con el tiempo y no con el uso, impulsado sobre todo por la temperatura y el estado de carga durante el almacenamiento.
Una celda que nunca se cicla también envejece. El almacenamiento a alta temperatura y alto estado de carga lo acelera; el almacenamiento fresco a SoC moderado lo frena. En almacenamiento estacionario y aplicaciones de respaldo, donde el pack puede pasar la mayor parte de su vida cerca de plena carga, el envejecimiento en calendario puede dominar sobre el envejecimiento por ciclos. Por eso las condiciones de garantía de los sistemas de almacenamiento fijan tanto un recuento de ciclos como un plazo de calendario.
Entrada completa: Envejecimiento en calendario en el diseño de packs →
Véase también:
Estado de carga (SoC), Vida útil en ciclos
Seguridad y cumplimiento
Seguridad y cumplimiento
Transporte, seguridad y que cubren realmente los documentos.
El régimen de ensayos de transporte que las celdas y baterías de litio deben superar antes de poder moverse por aire o por mar, con ocho ensayos que incluyen altitud, térmico, vibración, impacto y cortocircuito externo.
UN38.3 trata del transporte, no de la seguridad del producto en uso. Lo que un comprador recibe normalmente es el resumen de ensayo y no el informe completo de laboratorio, y ese resumen es el documento que pedirá un transportista o un transitario. Es específico de modelo, así que un resumen que cubre un modelo no cubre un modelo hermano añadido después a la gama.
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Véase también:
IEC 62133, MSDS / SDS
La norma internacional de seguridad para celdas y baterías secundarias de litio portátiles y selladas, cuya parte 2 cubre los sistemas de litio.
IEC 62133 es la referencia para aplicaciones portátiles: dispositivos, herramientas, instrumentos. Cuando el uso final es industrial o estacionario en lugar de portátil, lo normal es que la norma aplicable sea IEC 62619. Ambas tienen alcance por modelo: el certificado enumera lo que cubre, y la comprobación consiste en si el modelo que se compra aparece en esa lista.
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Véase también:
IEC 62619, UN38.3
La norma internacional de seguridad para celdas y baterías secundarias de litio usadas en aplicaciones industriales, incluido el almacenamiento estacionario de energía.
Si el pack va a un sistema de almacenamiento de energía, a un UPS o a un equipo industrial fijo, lo habitual es que la norma aplicable sea IEC 62619 y no IEC 62133. Aborda los modos de fallo relevantes en instalaciones estacionarias grandes, incluida la propagación térmica entre celdas. Como en cualquier certificado, lo que importa es la lista de cobertura, no la existencia del certificado.
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Véase también:
IEC 62133, Embalamiento térmico
La norma norteamericana que cubre las celdas de litio, mientras que UL 2054 cubre los packs de baterías montados con ellas.
El reconocimiento se emite bajo un número de expediente que enumera los modelos cubiertos. La pregunta útil no es si un proveedor tiene un certificado UL, sino si el modelo concreto que se compra aparece en ese expediente. Un proveedor con expediente UL no es la misma afirmación que una celda incluida en él.
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Véase también:
IEC 62133, UN38.3
Un proceso de calentamiento interno autosostenido en el que una celda genera calor más rápido de lo que puede disiparlo, hasta llegar a venteo, incendio o propagación a las celdas contiguas.
El embalamiento térmico se dispara por cortocircuito interno, sobrecarga, daño mecánico o calor externo, y una vez iniciado no se detiene cortando la corriente. La respuesta de diseño es por capas: evitar los disparadores con un BMS bien configurado, evitar la propagación con barreras térmicas o separación entre celdas, y gestionar las consecuencias con vías de venteo y diseño del alojamiento. La elección de química cuenta aquí, y es parte de por qué se prefiere LFP en almacenamiento estacionario.
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Véase también:
BMS (sistema de gestión de batería), IEC 62619
La ficha de datos de seguridad que describe los peligros químicos de una celda, sus requisitos de manipulación y la respuesta ante fuego, fuga o exposición.
La SDS viaja con el envío y es lo que pedirán un almacén, un transportista y un servicio de bomberos. Tiene que coincidir con la configuración real de envío: celdas, baterías y baterías instaladas en equipos se clasifican de forma distinta y la documentación difiere en consecuencia. Una SDS que describe otra configuración es peor que ninguna, porque envía al interviniente al procedimiento equivocado.
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Véase también:
UN38.3, Embalamiento térmico
