INTRODUCCIÓN
Antes
que todo, consideramos prudente ubicar al lector en que el presente trabajo
constituye parte del estudio de las baterías de iones de litio, que aportará la
preparación de un futuro proyecto vinculado con la seguridad contra incendio de
las motos eléctricas.
Una
fuente de energía portable se ha convertido en el salvavidas del mundo
tecnológico moderno. Las baterías de iones de litio son reconocidas por tener
una densidad alta de energía, y cuando no se está usando, retiene su carga por
un periodo de tiempo mayor en comparación con otros tipos de batería, además
las de iones de litio no necesitan descargarse completamente para ser recargadas.
Actualmente,
en nuestro país, hay una demanda creciente de tecnología de este tipo, la que ha
presentado varias fallas, provocando daños a las propiedad y accidentes
peligrosos para la vida.
En ese
sentido, la Empresa de Servicios Integrales de Seguridad (SEISA), posee en sus
diferentes unidades organizativa setenta motos eléctricas y quince triciclos de
carga.
En una
indagación sobre este referente se determinó la necesidad de: lograr que los
usuarios se apropien de conocimientos sobre el funcionamiento y normas de
seguridad, que contribuyan a un mejor manejo de las baterías de iones de litio.
A
partir de los elementos anteriormente abordados y de la problemática existente:
insuficiencias en el conocimiento sobre el funcionamiento de las baterías de
iones de litio en SEISA, que limita el manejo adecuado de las terminologías y
normas de seguridad.
Se
determinó como objetivo: realizar una sistematización sobre la estructura,
funcionamiento y principales causas de las fallas más comunes de las baterías
de iones de litio, que contribuyan a la aplicación de acciones preventivas para
evitar accidentes.
Primero
para lograr una mejor comprensión, explicaremos las partes de una batería de iones
de litio y su funcionamiento
MATERIALES Y MÉTODO
La
estructura básica de una batería de iones de litio incluye un electrodo
negativo, generalmente compuesto de carbono, llamado ánodo, además hay un
electrodo positivo de óxido de litio, llamado cátodo, y un electrolito que
contiene sal de litio. También posee un separador que evita el cortocircuito de
los terminales, pero es penetrable por los iones de litio que flotan libremente
entre los terminales en una solución llamada el electrolito, dando lugar a la
diferencia de potencial que produce la corriente, como se muestra en la
figura1.
Figura 1: Una celda de batería de iones de litio.
Para
comprender el funcionamiento de las baterías, así como los métodos y
herramientas utilizados para conocer su estado, es necesario manejar algunos
conceptos y la definición de estos. Más adelante definiremos los principales
conceptos relacionados con la batería, así como la información que se obtiene de
las hojas técnicas de los fabricantes.
•
Capacidad: es la cantidad de
corriente que puede suministrar una batería en un tiempo específico. Suele
medirse en Amperios-horas.
•
Ciclo: se define como el
proceso de descargar una batería que ha sido cargada completamente [2].
•
Degradación: se define como el
proceso en el que se disminuye la capacidad de almacenamiento de energía de la
batería [3].
•
Electrodo negativo: se define
como el lugar donde un elemento o componente químico se somete a una reacción electroquímica
de oxidación [4].
•
Electrodo positivo: se define
como el lugar donde un elemento o componente químico se somete a una reacción electroquímica
de reducción [4].
•
Electrolito: Es una solución
acuosa o no acuosa de sales, bases y ácidos que permite el flujo de electrones
[4].
•
Estado de carga (SOC): se define
como la energía que está disponible en la batería [5].
•
Estado de salud (SOH): se define
como el porcentaje de degradación sufrida por la batería [5].
•
Impedancia interna: se define
como la medida de oposición al paso de la corriente en un circuito cuando se
aplica un voltaje.
•
Proceso de carga: se define
como el proceso inverso donde la reacción de oxidación ocurre en el electrodo
positivo y la reacción de reducción ocurre en el electrodo negativo [1].
•
Proceso de descarga: se define
como el flujo de electrones desde el ánodo (reacción de oxidación) hasta el
cátodo (reacción de reducción) a través de una carga externa [1].
•
Profundidad de descarga (DoD):
se
define como el porcentaje de cuánta energía se ha usado.
•
Vida útil remanente: se define
como la capacidad máxima de energía remanente en la batería [6].
•
Voltaje nominal: se define
como el voltaje de operación del dispositivo o instrumento.
•
Voltaje de corte de descarga: se define
como el voltaje mínimo al cual puede llegar la batería durante el proceso de
descarga. Se utiliza como medida de protección para evitar daños irreversibles en
la batería.
Las baterías de iones de litio, como se muestra en la Figura
2, ofrecen numerosas ventajas: tienen
una mayor densidad de energía, una mayor eficiencia y un ciclo de vida más
largo. Las baterías de plomo ácido permiten 1 500 ciclos de vida,
mientras que la tecnología de las baterías de litio ofrece una duración de
hasta 2 500 ciclos. Pero, la desventaja de las baterías de iones de litio es su riesgo potencial de
explosiones e incendios, que pueden suceder si se sobrecargan o se cargan muy rápido
con demasiada corriente. Debido a ese riesgo, debe existir un sistema de
circuitos para proteger contra cualquiera de estos eventos. El litio por sí
mismo puede reaccionar de manera explosiva cuando es expuesto al agua, de
manera que las baterías de iones de litio deben construirse de forma sólida
para resistir traumas mecánicos.
Figura 2: BMS de batería de iones de litio.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Las
baterías de litio pueden presentar diversos problemas que originan un
rendimiento menor o incluso, se conviertan en un peligro.
Diversos
son los factores que pueden alterar la condición de la batería. Desde caídas,
aplastamientos hasta uso inadecuado al someter a la batería a niveles de
corriente, voltaje y temperatura superiores a los establecidos en la hoja
técnica. Tres de las problemáticas más comunes presentadas por las baterías de
litio, que pueden causar cortocircuitos y explosiones, son la sobrecarga, la
fuga térmica y el crecimiento de dendritas de litio.
El
proceso de sobrecarga se relaciona con el flujo de corriente inyectado a la
celda aun cuando esta se encuentra en su máxima capacidad. El concepto de fuga
térmica se refiere al aumento de temperatura producido por un uso incorrecto; y
el crecimiento de dendritas de litio se refiere al proceso a través del cual se
perfora el separador y se conectan los electrodos de la batería. Revisando la
literatura relacionada con el tema, diversos han sido los mecanismos
desarrollados para abordar esas problemáticas; por ejemplo, en los vehículos eléctricos
se propone un circuito eléctrico de protección para evitar sobrecargas de
voltaje. Además, presentan un sistema para evitar la fuga térmica, que es
propensa a la formación de dendritas de litio, provocando la reducción de la
vida útil.
Sistema de Gestión de Batería
(BMS)
El Sistema de Gestión de Baterías, que se muestra en la Figura 3, es un
grupo de dispositivos electrónicos que controla y administra todos los aspectos
del rendimiento de una batería. El BMS es una herramienta que permite obtener
información del estado de la batería al monitorear la corriente y el voltaje de
entrada y salida, la temperatura, la impedancia, la pérdida de capacidad, el
sistema de control de carga y descarga, el control de gestión de energía.
Además, el BMS es el encargado de diagnosticar fallas, así como de estimar parámetros
como el Estado de Carga (SOC), Estado de Salud (SOH) [7].
Figura 3: BMS
de batería de litio para motocicleta eléctrica.
¿Cuáles son las fallas
comunes de BMS? Sus causas.
BMS
es un accesorio importante del paquete de baterías de iones de litio; tiene
muchas funciones, el sistema de gestión de baterías de iones de litio BMS es
una garantía sólida de operación de batería segura, de modo que la batería, en
gran medida, mantiene un proceso de carga y descarga segura y controlada.
Mejora el ciclo de vida útil de la batería en su uso real. Además, es importante
destacar que las baterías de iones de litio son más propensas al fracaso. Los diez
casos de fallas comunes y sus causas, son los siguientes:
1. Todo el sistema no funciona
después de que está alimentado.
Las razones comunes son la
fuente de alimentación anormal, el cortocircuito o la rotura en el arnés de
cableado, y sin salida de voltaje del conversor Digital-Digital (DC-DC). Los
pasos son:
a)
Verifique
si la fuente de alimentación externa al sistema de administración es normal y
si puede alcanzar el voltaje mínimo de trabajo requerido por el sistema de administración.
b)
Véase
si la fuente de alimentación externa tiene una configuración de corriente
limitada, lo que resulta en una fuente de alimentación insuficiente al sistema
de administración.
c)
Compruebe
si hay un cortocircuito o un circuito roto en el arnés de cableado del sistema
de gestión.
d)
Si
la fuente de alimentación externa y el arnés de cableado son normales,
verifique si el DC-DC del sistema tiene salida de voltaje y reemplace el módulo
DC-DC incorrecto si existe alguna anomalía.
2. BMS no se puede comunicar con
ECU (Unidad de Control de Energía) que recibe la información de diferentes
sensores para controlar parámetros del motor como la combustión, el carburante,
las revoluciones o las emisiones.
Las razones comunes son que
el módulo de control maestro (BMU) no funciona y la línea de señal de lata se
desconecta. Los pasos son.
a)
Compruebe
si la fuente de alimentación 12V / 24V de la BMU es normal.
b) Compruebe si la línea de
transmisión y el conector de la transmisión de la señal pueden ser normales, y
observe si se puede recibir el paquete de datos.
3.
La
comunicación interna de BMS es inestable.
Las
razones comunes son la línea de comunicación suelta, la alineación puede no estar
estandarizada, la dirección BSU se ha repetido.
4.
Los
datos del módulo de recogida son 0.
Las
razones comunes son la desconexión de la línea de recolección del módulo y
daños en este.
5.
La diferencia de temperatura de la batería es
demasiado grande.
Las
razones comunes son un tapón de ventilador de enfriamiento suelto, falla del
ventilador de refrigeración, daño de la sonda de temperatura.
6.
No
puede usar la carga del cargador.
Puede
ser el cargador y la comunicación BMS no es normal, puede usar un cargador de
reemplazo o BMS para confirmar si es la falla de BMS o el cargador.
7.
Fenómeno
anormal de SOC.
SOC
cambia mucho durante la operación del sistema, o salta repetidamente entre
varios valores. Durante la carga y descarga del sistema, SOC tiene una gran
desviación; SOC sigue mostrando valores fijos sin cambios. Las posibles causas
son la calibración incorrecta del muestreo de corriente, el desajuste entre el
tipo de sensor de corriente y el programa host, y la batería no se carga y se
descarga profundamente durante mucho tiempo.
8.
Error
de datos de corriente de la batería.
Causas posibles: Línea de señal de salida
suelta (Enchufe). Daños del sensor de hall. Daño del módulo de adquisición. Pasos
de solución de problemas.
a) Desenchufe el sensor de la
línea la salida.
b) Compruebe si la fuente de
alimentación del sensor Hall es normal y la salida de la señal es normal.
c) Reemplace el módulo de
adquisición.
9.
La temperatura de la batería es demasiado alta
o demasiado baja.
Causas posibles: Enchufe de
ventilador de enfriamiento suelto, falla del ventilador de refrigeración, daño
de la sonda de temperatura. Pasos de solución de problemas.
a) Desenchufe el cable del tapón
del ventilador nuevamente.
b) Energice el ventilador y
compruebe si el ventilador es normal.
c) Compruebe si la temperatura
real de la batería es demasiado alta o demasiado baja.
d) Mida la resistencia interna
de la sonda de temperatura.
10. Falla de monitoreo de aislamiento.
Si
el sistema de celdas de alimentación está deformado o tiene fugas, se producirá
una falla de aislamiento. Si no se detecta la BMS, esto puede llevar a una
descarga eléctrica. Por lo tanto, los sistemas BMS tienen los requisitos más altos
para monitorear los sensores. Evitar la falla del sistema de monitoreo puede
mejorar considerablemente la seguridad de la batería de alimentación.
CONCLUSIONES
En
este trabajo se abordaron los conceptos fundamentales relacionados con las
baterías de litio, hemos visto su estructura y funcionamiento. Además, los problemas
presentados y cuáles son las fallas más comunes, y sus causas. Conocer los conceptos
contribuye a entender con mayor claridad el funcionamiento de las baterías de
litio, así como las problemáticas que presentan.
El manejo y
entendimiento de los conceptos permite evaluar de forma correcta el tipo de
batería de litio a utilizar según el caso y prevenir accidentes.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] D. Linden and T. B. Reddy, [3rd edition] Handbook_Of_Batteries.pdf...
[2] A. Pérez, V.
Quintero, H. Rozas, F. Jaramillo, R. Moreno, and M. Orchard. 2017. “Modelling the Degradation Process of Lithium-Ion Batteries When
Operating at Erratic State-of-Charge Swing Ranges,” in International Conference
on Control, Decision and Information Technologies.
[3] A. Perez et al. 2018.
“Characterization of the Degradation Process of Lithium-ion Batteries when
Discharged at Different Current Rates,” Proc. Inst. Mech. Eng. Part I J.
Syst. Control Eng., vol. 232, pp. 1075–1089 doi: 10.1177/ToBeAssigned.
[4] Gianfranco Pistoia. 2005.
“Chapter 1 - Basic Battery Concepts,” Batter. Portable
Devices, pp. 1–15 doi: http://dx.doi.org/10.1016/B978-044451672-5/50001-6.
[5] D. A. Pola et al. 2015. “Particle-filtering-based discharge time prognosis for
lithium-ion batteries with a statistical characterization of use profiles,” IEEE
Trans. Reliab., vol. 64, no. 2, pp. 710–720., doi: 10.1109/TR.2014.2385069.
[6] “Determinando el estado de salud de las baterías de manera
rápida y precisa | Revista Española de Electrónica.” [Online].
Available:
https://www.redeweb.com/articulos/determinandoel-estado-de-salud-de-las-baterias-de-manera-rapiday-precisa/.
[Accessed: 26-Feb-2020].
[7] https://revistas.utp.ac.pa/