Características climáticas de la batería en condiciones extremas

En condiciones extremas, una de las cosas más importantes que hay que tener es una fuente de energía fiable. Si quiere saber qué batería es la mejor para su situación, primero debe saber cómo les afecta el frío. Las baterías son muy sensibles a los cambios frecuentes de temperatura y a determinadas condiciones meteorológicas, y esto afecta a su vida útil, por lo que es importante diseñar sistemas eficaces de gestión térmica de las baterías para mejorar la disipación del calor y cumplir requisitos como una alta potencia, velocidades de carga rápidas y un rendimiento mejorado. Estos rápidos cambios de las baterías deben controlarse y gestionarse cuidadosamente para evitar problemas de seguridad y térmicos. En conclusión, la gestión térmica en un vehículo eléctrico es importante para prolongar la vida útil de la batería en condiciones climáticas extremas.

‍Uso de pilas de litio en climas fríos:

Cuando las temperaturas descienden por debajo del punto de congelación, la vida al margen de la red puede resultar traicionera.

Las baterías de plomo-ácido suelen tener un índice de rendimiento inferior al de sus homólogas de litio. Esto hace que las baterías de litio sean la mejor fuente de energía para cualquiera que desee explorar lugares donde las temperaturas descienden hasta condiciones gélidas. El daño que sufre la batería cuando se carga a temperaturas más frías es proporcional a la velocidad de carga. Cargar a un ritmo mucho más lento puede reducir el daño, pero rara vez es una solución práctica. Las temperaturas por debajo de 0 °C reducirán tanto la eficiencia como la capacidad útil de las baterías de litio, pero seguirán funcionando con muy poca pérdida, proporcionando entre el 95 y el 98% de su capacidad.

Cuando la temperatura oscila entre 0°C y -10°C, las pilas no pueden cargarse a más de 1C. Cuando la temperatura oscila entre -10°C y -20°C, las baterías no pueden cargarse a más de 0,05C. Aproximadamente a -30°C, la capacidad Ah de la batería desciende al 50%. A temperaturas de congelación (por debajo de -30°C), la capacidad se reduce en un 20%. Estas velocidades de carga aumentarán definitivamente la duración de la carga y complicarán todo el proceso. Cuando se carga a temperaturas por encima del punto de congelación, los iones de litio del interior de la batería son absorbidos como en una esponja por el grafito poroso que constituye el ánodo, el terminal negativo de la batería.

Sin embargo, por debajo del punto de congelación, los iones de litio no son captados eficazmente por el ánodo. En su lugar, muchos iones de litio cubren la superficie del ánodo, un proceso denominado recubrimiento de litio, lo que significa que hay menos litio disponible para provocar el flujo de electricidad y la capacidad de la batería disminuye. La carga por debajo del punto de congelación a una velocidad inadecuada también hace que la batería pierda estabilidad mecánica y sea más propensa a fallos repentinos. A menos que su BMS se comunique con su cargador, y el cargador tenga la capacidad de reaccionar a los datos proporcionados, esto puede ser difícil de hacer. Si carga por debajo de temperaturas de congelación, debe asegurarse de que la corriente de carga es del 5-10% de la capacidad de la batería.

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Amplias variaciones de temperatura

La tensión de carga de la batería también cambia con la temperatura. Variará de unos 2,74 voltios por celda a -40 °C a 2,3 voltios por celda a 50 °C. Esta es la razón por la que debe tener compensación de temperatura en su cargador de baterías o control de carga si sus baterías están al aire libre y/o sujetas a grandes variaciones de temperatura.

We have seeing the growing demand for low-temperature (<–40°C) battery from specific field, such as high-altitude aircrafts, polar expedition, some military equipment and so on.

Mientras tanto, la frecuente aparición de condiciones meteorológicas extremas, como el reciente vórtice polar que barrió la mitad del hemisferio norte, suscitó muchas preocupaciones sobre la reducción de la autonomía de los paquetes de baterías, así como la reducción de la durabilidad de la batería en muchos otros aparatos electrónicos o herramientas eléctricas, y también promueve el aumento de los requisitos sobre el rendimiento de la batería a temperaturas ultrabajas. El origen del deterioro del rendimiento electroquímico a baja temperatura es el siguiente:

1. el electrolito se vuelve más viscoso o incluso se congela, lo que empeora la movilidad de los iones y la humectabilidad del electrodo
2. la transferencia de carga dentro del electrodo se hace mucho más difícil debido a la resistencia intrínseca de los límites de los granos y a la lenta difusión de los iones metálicos en la red orgánica.
3. la interfaz del electrolito sólido (SEI) se vuelve menos permeable a los iones metálicos
4. la reacción de deposición del metal se vuelve muy problemática. Estos factores conducen colectivamente al desvanecimiento de la cinética y los impactos entrelazados hacen que el problema sea más difícil de resolver

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Estudio de caso:

Para probar nuestro modelo utilizando el análisis térmico para baterías que funcionan en condiciones climáticas severas como -40°C, se han realizado los siguientes pasos y se muestran los resultados:

1. Establecer los parámetros de prueba:
   - Definir los aspectos específicos del rendimiento térmico, teniendo en cuenta la temperatura extremadamente baja (-40°C), hemos identificado los límites críticos de temperatura o criterios de rendimiento que deben cumplir las baterías en estas condiciones climáticas severas.
2. Modelado computacional:
   - Utilizando un software de análisis térmico capaz de simular el comportamiento térmico de la batería en condiciones de frío extremo, se crea un modelo virtual detallado del sistema de baterías, considerando su geometría, materiales y componentes internos, y se asegura que el modelo representa con precisión las características físicas de las baterías.
   - Se definen las condiciones de contorno, incluyendo la temperatura ambiente fijada en-40°C, los índices de generación de calor, la conductividad térmica y las capacidades caloríficas específicas de los materiales implicados, y se realizan las simulaciones.

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3. Pruebas experimentales (método opcional):
   - Considerar la realización de pruebas experimentales en instalaciones de cámara fría para validar los resultados obtenidos del modelado computacional utilizando termopares u otros dispositivos de medición de la temperatura para controlar la temperatura de la batería durante las pruebas y evaluar su rendimiento, capacidad y estabilidad
   - Comparar los resultados experimentales con los resultados de la simulación para validar la precisión del modelo computacional.