¿Cómo calcular el tiempo de uso de la batería?


Si la batería fuera una fuente de energía perfecta y se comportara de manera lineal, los tiempos de carga y descarga se podrían calcular de acuerdo con las corrientes de flujo de entrada y salida. Lo que se carga debe estar disponible como salida en la misma proporción; una carga de 1 hora a 5A debe entregar una descarga de 1 hora a 5A, o una descarga de 5 horas a 1A. Esto no es posible debido a las pérdidas intrínsecas y la eficiencia que es siempre inferior al 100%. Las pérdidas aumentan a medida que aumenta la carga, ya que las altas corrientes de descarga hacen que la batería sea menos eficiente.

 

Ley peukert

La Ley Peukert expresa el factor de eficiencia de una batería en la descarga. W. Peukert, un científico alemán (1855–1932), era consciente de que la capacidad disponible de una batería disminuye al aumentar la velocidad de descarga y diseñó una fórmula para calcular las pérdidas en números. La ley se aplica principalmente al plomo ácido y ayuda a estimar el tiempo de uso bajo diferentes descargas de consumo.

La Ley Peukert tiene en cuenta la resistencia interna y la tasa de recuperación de una batería. Un valor cercano a uno (1) indica una batería de buen rendimiento con una buena eficiencia y una pérdida mínima; un número más alto refleja una batería menos eficiente. La ley de Peukert es exponencial; Las lecturas para el ácido-plomo están entre 1.3 y 1.5 y aumentan con la edad. La temperatura también afecta a las lecturas. La siguiente figura ilustra la capacidad disponible en función de los amperios dibujados con diferentes clasificaciones de Peukert.

Como ejemplo, una batería de plomo-ácido de 120Ah que se descarga a 15A debería durar 8 horas (120Ah dividido por 15A). La ineficiencia causada por el efecto Peukert reduce el tiempo de descarga. Para calcular la duración real de la descarga, divida el tiempo con el exponente de Peukert que en el ejemplo es 1.3. Dividir el tiempo de descarga en 1.3 reduce la duración de 8h a 6.15h:

Capacidad disponible de una batería de plomo-ácido en los números de Peukert de 1.08–1.50. Un valor cercano a 1 tiene las pérdidas más pequeñas; Los números más altos entregan capacidades más bajas. Los valores de Peukert cambian con la edad y la temperatura del tipo de batería:

AGM: 1.05–1.15
Gel: 1.10–1.25
Inundado: 1.20–1.60

La batería de plomo-ácido prefiere cargas intermitentes a una descarga pesada continua. Los períodos de descanso permiten que la batería recomponga la reacción química y evite el agotamiento. Esta es la razón por la que el plomo-ácido se desempeña bien en una aplicación de arranque con cargas de peaks breves de 300A y mucho tiempo para recargarse en medio. Todas las baterías requieren recuperación, y la mayoría de los otros sistemas tienen una reacción electroquímica más rápida que el plomo-ácido.

 

Ragone Plot

Las baterías a base de litio y níquel son evaluadas comúnmente por el gráfico Ragone. Llamado así por David V. Ragone, el gráfico Ragone analiza la capacidad de la batería en watts-hora (Wh) y la potencia de descarga en Watts (W). La gran ventaja de la trama Ragone sobre la Ley Peukert es la capacidad de leer el tiempo de ejecución en minutos y horas presentados en las líneas diagonales en el gráfico Ragone:

En la figura anterior se comparan cuatro sistemas de iones de litio para determinar la potencia de descarga y la energía en función del tiempo. No todas las curvas están completamente dibujadas.

El A123 APR18650M1 es una celda de energía con fosfato de litio y hierro (LiFePO4) con una potencia nominal de 1,100 mAh, que ofrece una corriente de descarga continua de 30A. Las Sony US18650VT y Sanyo UR18650W son celdas de energía de iones de litio a base de manganeso de 1,500 mAh cada una, lo que brinda una descarga continua de 20A. El Sanyo UR18650F es una celda de energía de 2,600mAh para un descarga de 5A moderada. Esta celda proporciona la energía de descarga más alta pero tiene la potencia de descarga más baja.

La Figura anterior ilustra la gráfica Ragone de cuatro sistemas de iones de litio que utilizan 18650 células. El eje horizontal muestra la energía en watts-hora (Wh) y el eje vertical es la potencia en watts (W). Las líneas diagonales a lo largo del campo revelan el tiempo durante el cual las celdas de la batería pueden entregar energía en determinadas condiciones de carga. La escala es logarítmica para permitir una amplia selección de tamaños de batería. La composición química de la batería que se muestra en la tabla incluye fosfato de litio y hierro (LFP), óxido de litio y manganeso (OVM) y cobalto de níquel manganeso (NMC).

La celda de energía Sanyo UR18650F [4] tiene la mayor energía específica. La celda de potencia Sanyo UR18650W [3], en comparación, tiene una energía específica más baja, pero puede suministrar una corriente de 20A. El A123 [1] en LFP tiene la energía específica más baja, pero ofrece la capacidad de potencia más alta al entregar 30A de corriente continua. La energía específica define la capacidad de la batería en peso (Wh / kg); La densidad de energía se da en volumen (Wh / l).

El gráfico Ragone ayuda en la selección del sistema óptimo de iones de litio para satisfacer la potencia de descarga y al mismo tiempo retiene el tiempo de ejecución requerido.

Un ingeniero debe tener en cuenta que la instantánea Ragone tomada por los fabricantes de baterías representa una nueva celda, una condición que es temporal. Al calcular la energía y las necesidades de energía, los ingenieros deben tener en cuenta el desgaste de la batería causado por el ciclo y el envejecimiento. Los sistemas que funcionan con baterías aún deben funcionar con una batería que eventualmente caerá al 70 u 80 por ciento de su capacidad. Otra consideración es la baja temperatura ya que una batería pierde momentáneamente la energía cuando está fría. La gráfica Ragone no tiene en cuenta estas condiciones de rendimiento disminuidas.

El ingeniero debe desarrollar un banco de baterías que sea duradero y que no se estrese durante el uso regular. Apurar los límites de carga y capacidad hasta el límite acorta la vida útil de la batería. Si se necesitan corrientes de alta descarga repetitivas, el banco debe hacerse más grande y con la elección correcta de las celdas.

 

Raül Serrano

Responsable Departamento Técnico
[email protected]
+56 2320 26495

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Fuente: batteryuniversity.com

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