Fundamentos da celula
Fundamentos da celula
O vocabulario necessario antes de conseguir ler uma folha de dados.
Célula cilíndrica de íon-lítio com cerca de 18 mm de diâmetro e 65 mm de comprimento, o formato com mais ferramental padronizado do setor.
O nome é dimensional: 18 mm de diâmetro, 65 mm de comprimento, e o zero final indica a forma cilíndrica. Como suportes, fita de níquel, gabaritos de soldagem por ponto e ferramental de pack são padronizados em 18 mm, a 18650 continua sendo a escolha padrão quando o projeto não precisa do volume extra de uma 21700. Os modelos atuais vão de cerca de 2,000 a 3,500 mAh, e a corrente de descarga contínua vai de 8 A nas versões de energia a 36 A nas versões de potência.
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Veja também:
Célula 21700, Taxa C, Formato de célula
Célula cilíndrica de íon-lítio com cerca de 21 mm de diâmetro e 70 mm de comprimento, com aproximadamente 50% mais volume que uma 18650.
O volume extra em relação a uma 18650 é gasto em capacidade com corrente parecida ou em corrente com capacidade parecida. Na prática isso significa menos ramos em paralelo para uma dada capacidade de pack, menos soldas e um BMS mais simples. É também o único formato cilíndrico em que 5,000 mAh e 60 A de descarga contínua convivem hoje na mesma peça. O custo é térmico: as versões de alta corrente supõem que o pack mantém a célula abaixo de um corte de 80 °C na superfície.
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Veja também:
Célula 18650, Corte por temperatura, Formato de célula
A envoltória mecânica de uma célula — cilíndrica, prismática ou de bolsa —, que define a eficiência de empacotamento e o método de interligação.
Células cilíndricas são latas de aço com dimensões padronizadas e processos de soldagem consolidados. Células prismáticas são latas retangulares de alumínio ou aço que se encaixam com mais eficiência dentro de uma caixa. Células de bolsa são de filme laminado e dão a maior eficiência volumétrica, mas exigem compressão externa no pack. A escolha costuma vir da geometria do invólucro e do ferramental existente, não só do desempenho elétrico.
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Veja também:
Célula 18650, Célula 21700
Corrente de carga ou de descarga expressa como múltiplo da capacidade nominal da célula, para que células de tamanhos diferentes possam ser comparadas na mesma escala.
Uma célula de 3,000 mAh descarregada a 3 A opera a 1 C; a 30 A opera a 10 C. A mesma corrente é um regime bem diferente para uma célula de 5,000 mAh. Por isso a taxa C, e não o valor em ampères, é a grandeza que se compara entre formatos. Por isso também uma afirmação de vida útil em ciclos não diz nada sem a taxa C em que foi medida: um ciclo a 0.5 C e um ciclo a 3 C envelhecem a célula em ritmos muito diferentes.
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Veja também:
Capacidade, Vida útil em ciclos, Profundidade de descarga (DoD)
A carga que uma célula pode entregar entre seu limite de tensão de carga e seu corte de descarga, expressa em ampères-hora ou miliampères-hora.
As fichas técnicas normalmente trazem dois valores: uma capacidade típica e uma capacidade mínima. Projetar com a típica é projetar com um valor que o fabricante não garante. A capacidade também depende da taxa e da temperatura: uma célula especificada em 3,000 mAh a 0.2 C entrega mensuravelmente menos a 10 A, e menos ainda em baixa temperatura. O valor mínimo na taxa em que você realmente vai operar é o único dado de projeto seguro.
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Taxa C, Densidade energética
Energia armazenada por unidade de volume (Wh/L) ou por unidade de massa (Wh/kg), os valores que decidem o tamanho e o peso de um pack.
A densidade volumétrica limita quando o tamanho do invólucro é fixo; a densidade gravimétrica limita quando o pack precisa ser carregado ou levantado. Uma célula pode ser forte em uma e discreta na outra. A densidade energética também precisa ser lida contra a taxa de descarga: um valor dado a 0.2 C não descreve o que a célula entrega a 10 C, onde a queda de tensão retira energia útil antes de a capacidade se esgotar.
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Capacidade, Resistência interna
A oposição à passagem de corrente dentro da célula, medida como impedância em corrente alternada a uma frequência e um estado de carga declarados, ou como resistência em corrente contínua ao longo de um pulso de corrente.
A impedância determina a queda de tensão sob carga e quanto da capacidade é utilizável antes de o pack atingir sua tensão de corte. É também o parâmetro que mais se desloca com a idade: uma célula que cumpre com folga uma especificação de corrente quando nova pode sair da especificação no meio da vida. Valores em corrente alternada e em corrente contínua não são intercambiáveis, e um valor em corrente contínua não significa nada sem a duração do pulso e o estado de carga em que foi medido.
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Estado de saúde (SoH), Taxa C
A temperatura de superfície da célula em que uma especificação de carga ou descarga do fabricante deixa de valer, normalmente 80 °C ou 83 °C em células cilíndricas de alta potência.
Um valor de descarga contínua é uma afirmação condicional, não absoluta. Uma especificação de 60 A que só se sustenta enquanto o pack mantém a célula abaixo de 80 °C na superfície não pode ser usada em um invólucro fechado e sem caminho térmico. Quando o fabricante declara uma condição, ela pertence ao lado do número; retirá-la para deixar uma tabela comparativa arrumada é como se constroem packs sobre valores que eles não alcançam.
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Taxa C, Fuga térmica
Quimica
Quimica
Do que a celula e feita e o que essa escolha implica.
Uma química de catodo de íon-lítio com níquel, manganês e cobalto, dominante em células cilíndricas de potência e na maioria dos packs de tração.
As proporções variam: formulações ricas em níquel elevam a densidade energética, o manganês contribui para a estabilidade térmica e o cobalto sustenta a capacidade de corrente e a vida útil em ciclos. A maioria das células cilíndricas de alta potência, incluindo as famílias Samsung INR, Molicel INR e LG INR, é NMC rico em níquel. Algumas variantes adicionam silício ou óxido de silício ao anodo de grafite para ganhar capacidade, e daí a designação NMC-Si.
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NCA (óxido de lítio, níquel, cobalto e alumínio), LFP (fosfato de ferro e lítio)
Uma química de catodo rica em níquel que usa alumínio como elemento estabilizador, associada a alta densidade energética em células cilíndricas.
NCA é a química por trás das famílias cilíndricas Panasonic NCR e NCA. Entrega alta energia específica, e por isso aparece em células otimizadas para capacidade e não para correntes de descarga extremas. Como em qualquer química rica em níquel, a célula depende de o pack gerenciar bem as janelas de tensão e temperatura, não de a química ser tolerante.
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NMC (óxido de lítio, níquel, manganês e cobalto), LFP (fosfato de ferro e lítio)
Uma química de catodo de íon-lítio à base de fosfato de ferro, que troca densidade energética por estabilidade térmica e longa vida útil em ciclos.
Células LFP têm tensão nominal próxima de 3.2 V contra cerca de 3.6 V de NMC e NCA, e densidade energética menor tanto em volume quanto em massa. O que elas compram é um comportamento térmico bem mais plano e seguro, e contagens de ciclos que combinam com armazenamento estacionário. Por isso a LFP domina o armazenamento residencial e comercial, enquanto as químicas ricas em níquel dominam tração e energia portátil, onde volume e peso limitam.
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NMC (óxido de lítio, níquel, manganês e cobalto), NCA (óxido de lítio, níquel, cobalto e alumínio)
Projeto do pack
Projeto do pack
Da celula individual ao pack montado.
A eletrônica que monitora tensões de célula, corrente e temperatura e desconecta o pack quando algum desses valores sai da janela do fabricante.
Um BMS não é opcional em células industriais sem proteção. Ele aplica o limite de tensão de carga, o corte de descarga, os limites de corrente e a janela de temperatura, e decide quando parar de carregar porque um grupo de células está desequilibrado em relação ao resto. A especificação importante não é a lista de funções, mas se os limiares correspondem à célula realmente instalada: um BMS configurado para outra química ou outra janela de tensão vai cortar cedo demais ou não vai proteger.
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Balanceamento de células, Profundidade de descarga (DoD)
Igualar o estado de carga de células ligadas em série, seja dissipando o excesso de carga das células mais altas, seja movendo carga entre elas.
Células em série veem a mesma corrente, mas se separam porque não são idênticas. Sem balanceamento, o pack fica limitado pelo seu grupo mais fraco: o BMS precisa cortar a carga quando a célula mais alta está cheia e cortar a descarga quando a mais baixa está vazia, então a capacidade útil encolhe para a da célula mais estreita em vez da média. O balanceamento passivo dissipa energia das células altas; o ativo a desloca, ao custo de mais hardware.
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Veja também:
BMS (sistema de gerenciamento de bateria), Estado de carga (SoC)
A forma de ligar as células para alcançar a tensão necessária (série, escrita S) e a capacidade ou capacidade de corrente (paralelo, escrita P).
Um pack 4S2P tem quatro grupos em série com duas células em cada grupo: a tensão nominal é quatro vezes a da célula, a capacidade é o dobro da capacidade de uma célula e a capacidade de corrente é aproximadamente dobrada. Ramos em série precisam de balanceamento; grupos em paralelo precisam de células pareadas em capacidade, impedância e estado de carga. A configuração costuma ser definida pela tensão da carga e pela autonomia exigida, e ela determina o número de canais do BMS.
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Veja também:
Balanceamento de células, BMS (sistema de gerenciamento de bateria)
Unir as células às barras condutoras por soldagem por resistência ou soldagem a laser em vez de estanho, que é o método aceito para montar células cilíndricas.
Soldar diretamente na lata da célula coloca calor em um componente selado que não foi projetado para recebê-lo, e a junta é difícil de repetir em volume de produção. A soldagem por resistência e a soldagem a laser fazem a união em milissegundos com zona afetada pelo calor controlada. A solda também é um componente elétrico: uma junta ruim adiciona resistência, gera aquecimento local e é uma das causas mais comuns de um pack que passa no teste e falha em campo.
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Veja também:
Configuração em série e em paralelo, Resistência interna
Vida util e envelhecimento
Vida util e envelhecimento
Como as celulas envelhecem e quais numeros descrevem isso honestamente.
O número de ciclos de carga e descarga que uma célula completa antes de sua capacidade cair abaixo de uma fração declarada do valor original, normalmente 80%.
Um valor de vida útil em ciclos só é comparável a outro quando taxa de carga, taxa de descarga, profundidade de descarga e temperatura coincidem. É o número mais mal usado na compra de baterias: uma afirmação medida a 0.5 C e 20% de profundidade de descarga não é comparável com outra medida a 1 C e 90%. Peça a condição de ensaio antes de comparar propostas e trate qualquer valor sem condição como marketing.
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Profundidade de descarga (DoD), Taxa C
A fração da capacidade de uma célula retirada durante uma descarga, expressa em porcentagem.
Profundidade de descarga e vida útil em ciclos são inversas: ciclos rasos custam muito menos envelhecimento por ciclo do que os profundos. Um pack ciclado a 20% de DoD completa muito mais ciclos que o mesmo pack a 90%, e por isso as condições de garantia de armazenamento são escritas contra uma DoD declarada. Isso também significa que ciclos sozinhos não são uma unidade comparável de vida da bateria; a energia total movimentada ao longo da vida chega mais perto.
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Vida útil em ciclos, Estado de carga (SoC)
A carga restante em uma célula em um dado momento, expressa como porcentagem de sua capacidade útil atual.
O SoC é uma medida relativa, então depende da capacidade contra a qual é medido, e esse valor cai conforme a célula envelhece. Ele também não é medido diretamente: é estimado a partir de tensão, integração de corrente e temperatura, com a estimativa derivando entre referências de carga completa. A capacidade de potência de pico varia muito com o SoC, e por isso os valores de potência de células de alta descarga são dados a um SoC declarado.
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Profundidade de descarga (DoD), Estado de saúde (SoH)
A condição atual de uma célula expressa como porcentagem de sua capacidade original, normalmente a capacidade e às vezes a resistência.
O SoH é o número que decide se um pack ainda serve para sua aplicação. Um SoH baseado em capacidade mostra quanta energia a célula retém; um baseado em resistência mostra quão bem ela ainda entrega corrente. Uma célula pode passar em um teste de capacidade e falhar em uma aplicação de potência porque sua impedância cresceu. Por isso o aumento de impedância ao longo dos ciclos importa tanto quanto a contagem de ciclos.
Verbete completo: Estado de saúde (SoH) no projeto de packs →
Veja também:
Resistência interna, Vida útil em ciclos
O envelhecimento que ocorre com o tempo e não com o uso, impulsionado principalmente pela temperatura e pelo estado de carga durante o armazenamento.
Uma célula que nunca é ciclada também envelhece. O armazenamento em alta temperatura e alto estado de carga acelera o processo; o armazenamento fresco em SoC moderado o desacelera. Em armazenamento estacionário e aplicações de backup, onde o pack pode passar a maior parte da vida perto da carga completa, o envelhecimento em calendário pode dominar sobre o envelhecimento por ciclos. Por isso as condições de garantia de armazenamento fixam tanto uma contagem de ciclos quanto um prazo de calendário.
Verbete completo: Envelhecimento em calendário no projeto de packs →
Veja também:
Estado de carga (SoC), Vida útil em ciclos
Seguranca e conformidade
Seguranca e conformidade
Transporte, seguranca e o que os documentos realmente cobrem.
O regime de ensaios de transporte que células e baterias de lítio precisam passar antes de poderem ser movimentadas por ar ou por mar, com oito ensaios que incluem altitude, térmico, vibração, impacto e curto-circuito externo.
UN38.3 trata de transporte, não de segurança do produto em uso. O que um comprador normalmente recebe é o resumo de ensaio e não o relatório completo de laboratório, e esse resumo é o documento que a transportadora ou o agente de carga vai pedir. Ele é específico por modelo, então um resumo que cobre um modelo não cobre um modelo irmão acrescentado depois à linha.
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Veja também:
IEC 62133, MSDS / SDS
A norma internacional de segurança para células e baterias secundárias de lítio portáteis e seladas, cuja parte 2 cobre os sistemas de lítio.
IEC 62133 é a referência para aplicações portáteis: dispositivos, ferramentas, instrumentos. Quando o uso final é industrial ou estacionário em vez de portátil, a norma aplicável normalmente é a IEC 62619. Ambas têm escopo por modelo: o certificado lista o que cobre, e a verificação consiste em saber se o modelo comprado aparece nessa lista.
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Veja também:
IEC 62619, UN38.3
A norma internacional de segurança para células e baterias secundárias de lítio usadas em aplicações industriais, incluindo armazenamento estacionário de energia.
Se o pack vai para um sistema de armazenamento de energia, um UPS ou um equipamento industrial fixo, a norma aplicável costuma ser a IEC 62619 e não a IEC 62133. Ela aborda os modos de falha relevantes em instalações estacionárias grandes, incluindo a propagação térmica entre células. Como em qualquer certificado, o que importa é a lista de cobertura, não a existência do certificado.
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Veja também:
IEC 62133, Fuga térmica
A norma norte-americana que cobre células de lítio, enquanto a UL 2054 cobre os packs de baterias montados a partir delas.
O reconhecimento é emitido sob um número de processo que lista os modelos cobertos. A pergunta útil, portanto, não é se o fornecedor tem um certificado UL, mas se o modelo específico que você está comprando aparece nesse processo. Um fornecedor com processo UL não é a mesma afirmação que uma célula listada nele.
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Veja também:
IEC 62133, UN38.3
Um processo de aquecimento interno autossustentado em que uma célula gera calor mais rápido do que consegue dissipar, levando a alívio de pressão, incêndio ou propagação para as células vizinhas.
A fuga térmica é disparada por curto-circuito interno, sobrecarga, dano mecânico ou calor externo, e uma vez iniciada não para ao cortar a corrente. A resposta de projeto é em camadas: evitar os gatilhos com um BMS configurado corretamente, evitar a propagação com barreiras térmicas ou espaçamento entre células e administrar as consequências com caminhos de alívio e projeto do invólucro. A escolha da química conta aqui, e é parte do motivo de a LFP ser preferida em armazenamento estacionário.
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Veja também:
BMS (sistema de gerenciamento de bateria), IEC 62619
A ficha de dados de segurança que descreve os perigos químicos de uma célula, os requisitos de manuseio e a resposta a fogo, vazamento ou exposição.
A SDS viaja com o embarque e é o documento que um armazém, uma transportadora e o corpo de bombeiros vão pedir. Ela precisa corresponder à configuração real de envio: células, baterias e baterias instaladas em equipamentos são classificadas de forma diferente e a documentação difere em consequência. Uma SDS que descreve outra configuração é pior que nenhuma, porque manda o atendente para o procedimento errado.
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Veja também:
UN38.3, Fuga térmica
