Las baterías alguna vez fueron cosas pesadas e incómodas, que entregaban solo una pequeña cantidad de corriente para su tamaño y peso. Afortunadamente, con el tiempo, la tecnología ha mejorado y, en 2020, hemos sido bendecidos con baterías de polímero de litio de alta potencia que pueden proporcionar toda la energía que su proyecto móvil podría necesitar. Sin embargo, hay algunas consideraciones que uno debe tener en su uso, así que siga leyendo para obtener una introducción sobre cómo usar LiPos correctamente en su proyecto.
¡Tantos tipos!
Con la entrada al mercado de la primera batería comercial de iones de litio en 1991, los (casi) 30 años transcurridos desde entonces han experimentado un rápido desarrollo. Esto ha llevado a una proliferación de diferentes tecnologías y tipos de batería, según la construcción y los materiales utilizados. Para tratar sus baterías correctamente, es importante saber lo que tiene, por lo que prestar atención a esto es fundamental.
18650 celdas de iones de litio que se encuentran en la batería de una computadora portátil. Los paquetes como estos normalmente se sueldan por puntos con tiras de níquel.
Iones de litio o Li-ion generalmente se refiere a la tecnología general de las baterías de litio recargables, pero también se refiere específicamente a las celdas tradicionales construidas en cuerpos cilíndricos de metal. La venerable 18650 es una de esas celdas, pero existe una gran variedad de tamaños y tipos. Sus carcasas robustas hacen que estas celdas sean populares para uso en vehículos difíciles.
Polímero de litio o Li-Po se refiere a una batería de iones de litio que utiliza un electrolito de polímero en lugar de un electrolito líquido. Esto permite la construcción de celdas de bolsa con diferentes geometrías. Esta flexibilidad de diseño hace que las baterías de polímero de litio sean útiles en aplicaciones como teléfonos inteligentes y tabletas, donde se necesita una batería de alta capacidad y se desea un factor de forma plano. También se usan comúnmente en modelos de radiocontrol, donde su construcción liviana es una gran ventaja para los vehículos voladores.
Paquetes de bolsa de polímero de litio, diseñados para uso RC. El paquete superior es de tipo HV.
Litio-HV, o litio de alto voltaje son baterías de polímero de litio que usan un aditivo especial de silicio y grafeno en el terminal positivo, que resiste el daño a voltajes más altos. Cuando se cargan por encima de 4.2 V, la mayoría de las baterías de litio muestran una pérdida de capacidad significativa y una vida útil reducida. Sin embargo, al usar este aditivo, las celdas se pueden cargar a 4.35 V sin mostrar estos efectos negativos. Este voltaje adicional proporciona hasta un 10 % de ganancia en densidad de energía con respecto a las baterías de polímero de litio convencionales.
Litio-Hierro-Fosfato, o LiFePO4 Las baterías tienen una química de iones de litio alterada, que ofrece los beneficios de resistir más ciclos de carga/descarga, mientras pierde algo de densidad de energía en el intercambio. Funcionan idealmente entre 3.0 V y 3.65 V, en lugar del rango más típico de 3.0-4.2 V de una química estándar de iones de litio. Esto, combinado con una curva de voltaje de descarga muy plana, los convierte en reemplazos ideales para las baterías de plomo-ácido de 12 V en muchas aplicaciones, donde cuatro celdas sustituyen a las seis originales. Por lo general, son más estables, con tasas más bajas de autodescarga y pérdida de capacidad con el tiempo.
respetar los límites
Hágalo mal y los resultados pueden ser intensos.
Más que la mayoría de los tipos de baterías, las celdas de litio no toleran el maltrato. La descarga de celdas por debajo de su límite de bajo voltaje conduce a la formación de dendritas de cobre, que pueden reducir la capacidad de la celda o cortocircuitarlas por completo. La sobrecarga de las celdas provoca daños en el ánodo por el recubrimiento de litio fuera de la solución, lo que crea dendritas de litio, lo que a menudo provoca un cortocircuito o una fuga térmica total de la batería, lo que provoca la liberación de humo y llamas. Cada celda en un paquete también debe mantenerse al mismo voltaje que sus vecinas, para evitar que las celdas se dañen prematuramente.
Es importante no cargar las celdas de litio demasiado rápido. La temperatura ambiente también juega un papel importante en el rendimiento de la batería. A las baterías de litio no les gusta que las pongan por debajo del punto de congelación, especialmente cuando ya están completamente cargadas. por debajo de 0°C, la carga no es práctica, ya que el litio metálico puede electrochaparse en el electrodo negativo, causando daños importantes o incluso provocando un cortocircuito en la celda. Entre 0-5°C, la carga es posible, pero debe hacerse lentamente. También tenderán a producirse daños cuando las baterías se carguen a temperaturas superiores a 45 °C.
Trabajar fuera de estos parámetros provocará rápidamente que la batería se agote en el mejor de los casos, o un incendio y una explosión en el peor de los casos. También tienden a hincharse, desgasificarse y, en general, se vuelven indecorosos para tratar. En la superficie, esto puede parecer mucho con lo que lidiar. Afortunadamente, el complejo de batería y electrónica ha trabajado duro para resolver estos problemas. Con el hardware y las precauciones adecuadas, es posible utilizar baterías de litio de forma segura y eficaz. Pero cualquiera que trabaje con estos productos químicos debe familiarizarse con los peligros. Bob Baddeley publicado un gran artículo sobre la seguridad de Li-Ion en noviembre.
Cuidado de la batería
Para aplicaciones que funcionan con celdas o paquetes desnudos, como cuando se usan baterías LiPo en modelos RC, simplemente usar un cargador listo para litio es suficiente. Los cables de equilibrio deben conectarse durante la carga, especialmente cuando la batería se ha descargado por completo durante el uso. Asegurarse de que se use un cargador inteligente con los límites de voltaje correctos (particularmente cuando se usa LiFePO4 y paquetes HV) se asegurará de que aproveche al máximo sus baterías. Asegúrese de tener algún método para detener la descarga de las baterías cuando el voltaje sea bajo, ya sea mediante una luz de advertencia, un zumbador o un apagado automático.
Módulos como estos son excelentes para integrar una batería de litio en sus prototipos.
Si está produciendo un dispositivo que necesita una batería integrada permanentemente, los circuitos de carga y protección son justo lo que necesita. Existen módulos y circuitos integrados listos para usar para eliminar las molestias de administrar una batería de iones de litio. Hay una amplia variedad disponible, desde aquellos que actúan como un simple corte de bajo voltaje hasta soluciones completas de carga y protección. Empresas como Adafruit venden módulos que son un excelente punto de partida para aquellos ansiosos por integrar una solución ordenada de carga y batería sin tener que girar los PCB ellos mismos. Sin embargo, dado que estos diseños son de código abierto, será fácil integrar el diseño del circuito en su propia PCB en el futuro.
Un sistema de administración de batería para un paquete de 12 celdas, capaz de entregar hasta 60A.
Para aplicaciones más grandes con paquetes de baterías personalizados, un sistema de administración de baterías es una buena opción. Básicamente, un BMS no es muy diferente de un IC de protección de batería o similar, simplemente está diseñado para aplicaciones más grandes. Un BMS generalmente se usa en paquetes de 10 celdas y más, se usa en aplicaciones de transporte como bicicletas eléctricas y otros vehículos. El BMS se suelda directamente al paquete de baterías, incluida una conexión a cada celda individual. Su finalidad es mantener el equilibrio de las celdas, limitando la corriente máxima de descarga por motivos de seguridad y, por supuesto, controlando el proceso de recarga. Los constructores de paquetes experimentados a menudo integran un BMS dentro de la carcasa o cubierta de la batería, dejando simplemente un puerto de descarga y un puerto de carga accesibles. Esto permite que el usuario final coloque fácilmente una batería en un vehículo de proyecto sin tener que preocuparse por manejar la protección por sí mismo.
Si su aplicación es particularmente crítica y necesita soportar condiciones ambientales extremas, querrá controlar la temperatura de la batería. Vigilar las temperaturas de las celdas, particularmente durante el proceso de carga, es una excelente manera de proteger su batería contra daños. Los chips de protección de alta funcionalidad y los sistemas de administración de baterías cuentan con disposiciones para monitorear las temperaturas de los paquetes a fin de lograrlo. En este nivel, probablemente construirá paquetes personalizados, lo que le permitirá instalar termopares en ubicaciones precisas durante la construcción. Para las instalaciones de alta potencia, la gestión de la temperatura es obligatoria, ya que prácticamente todas las bicicletas eléctricas y los automóviles eléctricos contienen hardware para monitorear las temperaturas de la batería y controlar los sistemas en consecuencia.
En resumen
Las baterías de iones de litio pueden morder, pero si se usan correctamente, ofrecen un gran rendimiento y son lo suficientemente seguras para la mayoría de las aplicaciones. La clave es usar el hardware correcto, para asegurarse de evitar cruzar los límites de voltaje y temperatura que pueden provocar un desastre. Con suerte, esta guía le será útil cuando busque integrar la energía de litio en sus propios proyectos. Y, en el improbable caso de que tenga un divertido percance con la batería, asegúrese de hacer un diagnóstico y golpea la línea de consejos. ¡Feliz piratería!
Fuente: https://hackaday.com/2020/06/11/a-beginners-guide-to-lithium-rechargeable-batteries/
