¿Qué es una batería de Li-Ion o de ión de litio?
Una batería de iones de litio (Li-Ion) es un tipo de batería recargable comúnmente utilizada en dispositivos electrónicos portátiles, como teléfonos móviles, computadoras portátiles, cámaras digitales, bicicletas eléctricas, herramientas de mano y dispositivos de almacenamiento de energía, entre otros.
Estas baterías funcionan mediante un proceso electroquímico en el que los iones de litio se desplazan entre un electrodo negativo de grafito y un electrodo positivo de óxido de metal de litio durante la carga y la descarga. Este movimiento de iones de litio es lo que genera la corriente eléctrica utilizada para alimentar los dispositivos.
Las células de ión de litio tiene un voltaje nominal de alrededor de 3.7 voltios. Sin embargo, durante la carga y la descarga, el voltaje real puede variar desde alrededor de 4.2 voltios en carga completa hasta alrededor de 3.0 voltios en descarga completa, dependiendo de la química exacta de la batería y de las especificaciones del fabricante.
Las baterías de iones de litio son populares debido a su alta densidad de energía, lo que significa que pueden almacenar grandes cantidades de energía en un tamaño relativamente pequeño y liviano en comparación con otros tipos de baterías recargables. Además, tienen una tasa de autodescarga baja en comparación con otras tecnologías de baterías recargables, lo que significa que pueden retener su carga durante períodos prolongados cuando no se utilizan.
Sin embargo, las baterías de iones de litio también tienen algunas limitaciones, como su sensibilidad a la sobrecarga y a la descarga completa, lo que puede reducir su vida útil si no se manejan correctamente. También pueden ser propensas a la inflamación o incluso a la explosión si se dañan físicamente o se utilizan de manera incorrecta. Además, otro de los problemas que surgen cuando se construyen packs de baterías formadas por los elementos individuales es el desequilbrio de las celdas.
¿Qué es el desequilibrio de las celdas de una batería de ión de litio?
El desequilibrio de las celdas de una batería de iones de litio se refiere a disparidades en el estado de carga o descarga entre las diferentes celdas individuales que componen la batería. Este desequilibrio puede surgir debido a una variedad de factores, incluidos:
- Variaciones de fabricación: Las celdas individuales de una batería de iones de litio pueden tener ligeras diferencias en términos de capacidad, resistencia interna u otras características debido a variaciones en el proceso de fabricación.
- Condiciones de uso desiguales: Las celdas individuales pueden experimentar condiciones de carga y descarga diferentes debido a factores como la temperatura ambiente, la corriente de carga y descarga aplicada, la frecuencia de uso y el nivel de estrés mecánico.
El desequilibrio de las celdas puede tener varios efectos negativos, entre ellos:
- Reducción de la capacidad efectiva: Si algunas celdas alcanzan su voltaje máximo antes que otras durante la carga, la carga completa de la batería se detendrá antes de que todas las celdas estén completamente cargadas, lo que resultará en una capacidad efectiva reducida de la batería.
- Daño permanente: Si algunas celdas se descargan por debajo de su voltaje mínimo durante la descarga, pueden sufrir daños permanentes, como la formación de dendritas o la pérdida de capacidad, lo que puede reducir la vida útil de la batería y afectar su rendimiento a largo plazo.
- Inestabilidad operativa: El desequilibrio de las celdas puede provocar una operación inestable de la batería, lo que podría resultar en una distribución desigual de la corriente durante la carga y la descarga, aumento de la temperatura y riesgo de fallos o situaciones peligrosas, como el sobrecalentamiento o la inflamación.
Para abordar estos problemas, el sistema de gestión de la batería o BMS (battery management system), supervisa y controla activamente el estado de carga y descarga de cada celda individual, equilibrando las celdas para garantizar un rendimiento óptimo y seguro de la batería en su conjunto. Esto implica redistribuir la carga entre las celdas durante la carga y la descarga para mantenerlas todas dentro de rangos seguros y uniformes de voltaje y capacidad.
¿Qué es y para que sirve el BMS de una batería?
Un Sistema de Gestión de Batería (BMS, por sus siglas en inglés) es un componente crucial en las baterías de iones de litio y se utiliza para monitorear y controlar varios aspectos de su funcionamiento. Algunas de las funciones principales de un BMS en este tipo de baterías son:
- Protección contra sobrecarga: El BMS monitorea la tensión de cada celda de la batería y evita que la batería se cargue por encima de su voltaje máximo seguro. Esto es esencial para prevenir daños en las celdas y para garantizar la seguridad durante la carga.
- Protección contra descarga excesiva: El BMS también supervisa la tensión de las celdas durante la descarga y evita que la batería se descargue por debajo de un nivel seguro. Descargar una batería de iones de litio por debajo de cierto nivel puede dañar permanentemente las celdas y reducir su vida útil.
- Equilibrio de celdas: Las diferencias en la capacidad o el estado de carga entre las celdas individuales pueden surgir debido a variaciones de fabricación o condiciones de uso desiguales. El BMS controla la carga y descarga de cada celda para mantener todas las celdas equilibradas en términos de voltaje y capacidad.
- Monitorización de temperatura: Las baterías de iones de litio pueden volverse inestables y peligrosas si se calientan demasiado durante la carga o la descarga. El BMS supervisa la temperatura de la batería y, en caso de que se detecte un aumento de temperatura anormal, puede tomar medidas para reducir la corriente o interrumpir la carga para evitar daños.
- Protección contra cortocircuitos y sobrecorriente: El BMS puede detectar condiciones de cortocircuito o corrientes anormalmente altas y desconectar la batería para prevenir daños o riesgos de seguridad.
En resumen, el BMS es esencial para garantizar un rendimiento seguro y eficiente de las baterías de iones de litio al monitorear y controlar factores como la carga, la descarga, el equilibrio de celdas y la temperatura.
¿Qué tipos de BMS para batería de ión de litio existen?
Existen varios tipos de sistemas de gestión de baterías (BMS) para baterías de iones de litio, y la elección del tipo de BMS depende de diversos factores, como el tamaño y la complejidad del sistema de baterías, las necesidades de monitorización y control, y el nivel de integración deseado. Algunos de los tipos comunes de BMS incluyen:
- BMS integrado en la batería: En este diseño, el BMS está integrado directamente en la batería y se encarga de supervisar y controlar el estado de cada celda individual. Este tipo de BMS es común en baterías de iones de litio de menor escala, como las utilizadas en dispositivos electrónicos portátiles. Este es el tipo de BMS que generalmente encontramos en este apartado de nuestra página web.
- BMS independiente: En este enfoque, el BMS es una unidad separada que se conecta a la batería y se encarga de supervisar y controlar el estado de la batería en su conjunto. Este tipo de BMS se utiliza en sistemas de baterías de mayor escala, como los utilizados en vehículos eléctricos o sistemas de almacenamiento de energía estacionarios.
- BMS distribuido: En este diseño, cada módulo de la batería tiene su propio BMS que supervisa y controla el estado de ese módulo específico. Estos BMS pueden comunicarse entre sí para coordinar operaciones y compartir información sobre el estado de la batería en su conjunto.
¿Como se conectan las baterías de ión de litio para realizar packs de batería?
En cuanto a la conexión de las baterías de iones de litio para formar paquetes o packs de baterías, hay varios enfoques comunes:
- Configuración en serie: En esta configuración, las celdas individuales se conectan en serie, lo que significa que el terminal positivo de una celda se conecta al terminal negativo de la siguiente celda. Esto aumenta el voltaje total del pack mientras mantiene la capacidad de la batería igual a la de una sola celda.
- Configuración en paralelo: En esta configuración, las celdas individuales se conectan en paralelo, lo que significa que los terminales positivos de todas las celdas se conectan entre sí, al igual que los terminales negativos. Esto aumenta la capacidad total del pack mientras mantiene el voltaje igual al de una sola celda.
- Cuando conectas dos baterías de iones de litio en paralelo, no necesariamente están equilibradas entre sí en términos de voltaje y capacidad. La conexión en paralelo simplemente significa que los terminales positivos de ambas baterías están conectados entre sí, al igual que los terminales negativos. Esto aumenta la capacidad total del sistema de baterías mientras mantiene el mismo voltaje.
- Sin embargo, el equilibrio entre las baterías individuales en un sistema en paralelo no está garantizado automáticamente. Las diferencias en la capacidad, el estado de carga entre las baterías individuales y el envejecimiento diferente, pueden resultar en un desequilibrio de carga y descarga, lo que puede llevar a una distribución desigual de la corriente y afectar el rendimiento general del sistema.
- Combinación en serie y paralelo: Esta es una combinación de las configuraciones en serie y en paralelo, donde se conectan grupos de celdas en serie y luego estos grupos se conectan en paralelo entre sí. Este enfoque se utiliza para aumentar tanto el voltaje como la capacidad total del pack.
En cualquier configuración, es importante tener en cuenta la necesidad de un equilibrio adecuado entre las celdas para evitar desequilibrios de voltaje y capacidad, lo que puede ser gestionado mediante el BMS correspondiente.
Existen una nomenclatura estándar para identificar los montajes de las células individuales para formar conjuntos de baterías más grandes usando la letra S y la letra P. La letra S se usa para determinar la conexión en serie, mientras que la letra P nos indica una conexión en paralelo.
- 2S Li-Ion: Significa que hay dos celdas individuales conectadas en serie. Este formato aumenta el voltaje total del paquete de baerías, manteniendo la capacidad igual
- 3S Li-Ion: Indica que hay tres celdas individuales conectadas en serie. Esto aumenta el voltaje total del paquete de baterías a aproximadamente tres veces el voltaje de una sola celda, manteniendo la capacidad igual.
- 4S Li-Ion: Significa que hay cuatro celdas individuales conectadas en serie. Esto aumenta el voltaje total del paquete de baterías a aproximadamente cuatro veces el voltaje de una sola celda, manteniendo la capacidad igual.
- 5S Li-Ion: Significa que hay cinco celdas individuales conectadas en serie. Esto aumenta el voltaje total del paquete de baterías a aproximadamente cinco veces el voltaje de una sola celda, manteniendo la capacidad igual.
- Y así sucesivamente: La letra "S" seguida de un número indica la cantidad de celdas conectadas en serie en el paquete de baterías. Cuantas más celdas estén conectadas en serie, mayor será el voltaje total del paquete de baterías.
Estas notaciones son importantes para entender rápidamente el voltaje nominal del paquete de baterías y son utilizadas ampliamente en la industria para describir las especificaciones de las baterías de iones de litio y sus aplicaciones.
Ejemplo: Batería de ión de litio 4S2P
La notación "4S2P" se refiere a la configuración de una batería de iones de litio donde las celdas individuales están conectadas tanto en serie (S) como en paralelo (P).
"4S" indica que hay cuatro celdas individuales conectadas en serie. Cuando las celdas están conectadas en serie, el voltaje total del paquete de baterías es la suma de los voltajes de cada celda. Por lo tanto, si cada celda individual tiene un voltaje nominal de alrededor de 3.7 voltios, entonces un paquete de baterías "4S" tendría un voltaje nominal total de alrededor de 14.8 voltios (3.7V/celda * 4 celdas).
"2P" indica que hay dos grupos de celdas conectadas en paralelo. Cada grupo de celdas en paralelo proporciona la misma capacidad que una sola celda. Esto se hace para aumentar la capacidad total del paquete de baterías mientras se mantiene el mismo voltaje.
En resumen, en una configuración "4S2P", tienes cuatro celdas de iones de litio conectadas en serie, lo que proporciona un voltaje total de alrededor de 14.8 voltios, y dos de estos grupos de celdas están conectados en paralelo para aumentar la capacidad del paquete de baterías.
Para confeccionar los distintos paquetes de baterías se emplea lámina de niquel que se suelda usando una estación de soldadura de puntos
