25 mayo 2010

Sobre la vida útil y la fiabilidad de las baterías

La fotografía del fuego en ordenadores portátiles y aeronaves nos ha enseñado que las células de energía de ión litio pueden ser dispositivos incendiarios. Se basan en una química altamente reactiva bajo ciertas circunstancias y pueden originar fugas térmicas y serios daños físicos en consecuencia. Esto puede ser particularmente peligroso con las baterías de tracción de gran formato.

Desde que se introdujeron por primera vez, mucho trabajo se ha hecho para mejorar la seguridad de las baterías de litio, tanto por la adopción de química de células más seguras como por un mejor control del proceso de fabricación de células, además de electrónica de protección externa incorporada en los packs de baterías. Pero aunque la seguridad de las células puede haber mejorado, incluso si nunca están expuestas al fuego, los packs de baterías de ión litio pueden ser bombas de tiempo financieras por su elevado coste.

Debido a que en baterías de tracción pueden costar tanto como el vehículo en el que se instalan el cliente espera que duren al menos la vida útil del vehículo. Ésto es típicamente ocho a diez años y desgraciadamente es más tiempo del que ha pasado desde que la tecnología de lítio de alta potencia se comercializa en el mundo. Para cumplir con las expectativas del cliente, los fabricantes se han visto obligados a hacer predicciones sobre el rendimiento de la batería para periodos que exceden su experiencia. Sin datos concretos sobre el rendimiento de la célula actual, predicciones sobre el rendimiento futuro y la vida útil de la batería es probable que sean inexactos.

Problemas prácticos en la estimación de la vida útil de las baterías

Determinar la vida útil de las baterías no está exento de dificultades. Los datos de rendimiento no están generalmente disponibles es costoso generarlos ya que deben ensayarse muchas baterías. Además, el periodo de ensayo requerido para verificar las predicciones es a menudo mayor que el tiempo necesario para tomar decisiones comerciales. Los tiempos de carga - descarga para baterías de alta capacidad son muy largos y deben usarse ensayos del ciclo de vida acelerados para determinar la vida útil de las baterías y mchos resultados son engañosos ya que la vida de las baterías depende de la temperatura, niveles de descarga y las condiciones de ensayo usados para acelerar la ocurrencia de fallo que probablemente introduzca nuevos modos de fallo representativos.
Predicciones de fallos
La forma más común de medir la vida de una batería o una célula es la vida del ciclo. Se define como el número de ciclos completados antes de que la capacidad caiga a menos del 80 % de la capacidad que tiene cuando es nueva. Es importante que las condiciones de ensayo especifiquen la profundidad de descarga para el ciclo de ensayo ya que la vida del ciclo de la batería se incrementa exponencialmente cuando la profundidad de descarga se reduce. Las hojas de especificaciones del fabricante típicamente muestran una serie de medidas de capacidad de la célula a lo largo del tiempo indicando una reducción bastante lineal de la capacidad con la edad o número de ciclos completados. La vida útil se especifica como el tiempo en el que la línea de capacidad cruza la marca del 80 % (10 años en el ejemplo de la figura).
Ya que la edad de la célula es razonablemente lineal durante el periodo de medición, suele intentarse extrapolar el rendimiento a largo plazo a partir conclusiones a corto plazo evitando así largos programas de ensayo. La degradación en el rendimiento con la edad implica que los fallos de agotamiento se deben a un mecanismo de envejecimiento simple a menos que los ensayos continúen hasta que las muestras del ensayo han fallado. El diagrama que ilustra este artículo muestra que basar las garantías de rendimiento en una única característica de la línea de edad puede ser muy peligrosa ya que en el objetivo de la vida útil la mitad de las células habrían fallado.
Modos de fallo
Otros dispositivos como los condensadores o las lámparas incandescentes están sometidas a modos de fallo consistentes y para los cuales hay muchos datos disponibles. Lamentablemente las baterías no son dispositivos simples y varios mecanismos de fallo pueden existir simultáneamente.
Pueden producirse accidentes como consecuencia de cortocircuitos resultantes de materiales contaminados, problemas de tolerancia mecánicas, rebabas, dentritas y recubrimientos de litio. Puede también ser debido a los circuitos abiertos causados por soldaduras rotas, conexiones perdidas, o grietas. Los fallos externos tales como fallos de BMS pueden causar fallos en las células a las que se supone protegen.
Los defectos latentes en los componentes usados en la construcción de la batería pueden causar fallos prematuros, o una serie de fallos aleatorios.
Los fallos por agotamiento se deben al deterioro gradual de la célula que puede ser causado por la descomposición o pérdida de agentes químicos activos causando una reducción en la capacidad de la célula. Estos fallos pueden acabar resultando en una condición fatal, tal como un cortocircuito, o pueden simplemente causar que la céllula quede fuera de tolerancia.
Los fallos por agotamiento pueden ocurrir durante un corto periodo de tiempo o extenderse en un largo periodo y cada tipo de fallo tiene una distribución característica. Mejorando la fiabilidad de las baterías
La fiabilidad de un sistema de baterías puede mejorarse adoptando una serie de principios de operación que minimicen las tensiones de la batería.
  • La política más obvia es usar siempre las células más fiables.
  • En general, los diseños con voltajes más bajos son más fiables que los de voltajes más altos. A nivel de célula, las células que operan ligeramente por debajo de sus niveles especificados máximos reducen las tensiones de las células y pueden incrementar la vida útil de la célula A nivel de sisema, la fiabilidad puede incrementarse disminuyendo el voltaje del sistema pero manteniento la potencia del sistema incrementando la corriente correspondiente.
  • Otra forma de incrementar la vida del ciclo es reduciendo las tensiones en las células especificando células con una capacidad ligeramente más alta de lo absolutamente neceario.
  • En vez de grandes células, usar cordones en paralelo de células más pequeñas. Las células más pequeñas tienen a tener menos tensiones y por lo tanto un nivel de fallo menor. Ya que se almacena menos energía en células más pequeñas, la energía liberada en caso de fallo catastrófico de una célula individual será menor. El fallo de una célula individual en configuración en paralelo no causará el fallo de toda la batería por lo que continuará funcionando a una potencia inferior.
Bibliografía: Battery reliability. Electropaedia
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