Lander Lab #5: Baterías de polímero de litio

Kevin Hardy fundó Global Ocean Design después de una carrera en Scripps...

28 de diciembre de 2022

Una columna sobre Tecnologías, Estrategias y Uso de Ocean Landers

Las baterías de polímero de litio ofrecen una opción segura y robusta para la energía eléctrica portátil. A medida que hemos adquirido experiencia colectivamente, los parámetros de la aplicación se han refinado, definido y mejorado. Aunque omnipresente en la vida cotidiana, su aceptación no ha superado un pasado problemático. Los LiPo ahora han volado en naves espaciales tripuladas Space-X y están instalados en la Estación Espacial Internacional. La industria automotriz global está experimentando cambios dramáticos con nuevos desarrollos de baterías que siguen a las industrias de computadoras personales y teléfonos celulares. El Tesla Powerwall, que utiliza una pila de LiPos, permite que los hogares se desconecten de la red cuando se cae la red. Los sumergibles DSV ALVIN de WHOI, DSV DEEP SEA CHALLENGER de James Cameron y TRITON 36,000/2 (factor de limitación de DSV) de Triton Submarine funcionan con módulos de batería LiPo con compensación de presión. En 2019 y 2020, Japón lanzó dos nuevos submarinos diésel-eléctricos, Taigei, o "Gran ballena", y Toryu, o "Dragón luchador", equipados con baterías de iones de litio, lo que hace que los submarinos sean capaces de navegar sumergidos en silencio durante más tiempo.

Al igual que otros animales en el zoológico de San Diego, es importante reconocer que las baterías LiPo son simplemente diferentes a las baterías de plomo-ácido o alcalinas. Tienen sus propios comportamientos distintivos. Admito cierta aprensión cuando comencé a estudiar, luego a aprender haciendo con LiPos. Empecé con baterías LiPo dentro de una bolsa de carga a prueba de fuego, en un piso de concreto dentro de un pequeño búnker de bloques de hormigón a 6 pies de distancia de todo lo demás. Me mudé a una gran maceta de jardín de arcilla con una bandeja de drenaje de arcilla como tapa. Supervisé la temperatura y el voltaje. Leí todo lo que pude. Seguí pistas prometedoras. Era "Cómo entrenar a tu dragón" de DreamWorks. necesitaba saber La seguridad siguió siendo primordial, ya que comencé a familiarizarme con la tecnología que muchos otros ya estaban usando.

Ahora he usado LiPos durante varios años en una variedad de aplicaciones en el mar. Cuanto más aprenda, más éxitos tendrá y más posibilidades se le presentarán. Respeto su densidad de energía, pero también su voluntad de hacer un trabajo. Hay una gran cantidad de trabajo que describe los fundamentos de las células LiPo y su aplicación. Este artículo citará algunos de ellos.

En resumen, trate siempre a las LiPo con el respeto que se merecen. Es crucial mantenerse dentro de los parámetros operativos recomendados por la industria. Las terribles historias de los entusiastas de RC de fin de semana pueden atribuirse en parte a aquellos usuarios finales que se desvían de los límites prescritos para ganar unos minutos más de tiempo de vuelo, o que intentan obtener un vuelo más con una carga rápida por encima de la tasa máxima recomendada. A veces es una batería pésima que consiguieron a un precio barato. A veces no cuentan con los dispositivos adecuados para proteger y mantener las baterías como deberían.Algunos conceptos básicos sobre las baterías Li-ion y LiPo

Las baterías de iones de litio y de polímero de litio son celdas secundarias recargables con químicas similares. Se pueden utilizar para las mismas aplicaciones de alta potencia. Se distinguen por diferentes electrolitos y envases.

Las pilas de iones de litio y de polímero de litio son completamente diferentes de las pilas de litio primarias no recargables. Por un lado, los polímeros de litio utilizan un compuesto de litio intercalado para sus electrodos, no litio metálico, y por lo tanto son más estables. Tampoco son peligrosas si se exponen al agua. Las celdas de iones de litio usan un electrolito líquido y están encerradas en una carcasa cilíndrica de acero inoxidable. La conocida celda 18650 es un ejemplo.

Las celdas de polímero de litio (LiPo) usan un electrolito gelificado y están selladas al vacío dentro de una bolsa de plástico suave. Esto se conoce como una "célula prismática". Hay varias químicas LiPo, pero la más común para los paquetes prismáticos es el óxido de cobalto de litio. La química se especifica en la MSDS para esa batería. Una pila de celdas prismáticas se puede unir usando una envoltura retráctil, para aplicaciones livianas, o dentro de una carcasa de plástico duro moldeado por inyección para brindar resistencia a la perforación.

En comparación con las pilas alcalinas, las LiPo tienen un peso más ligero, una mayor capacidad, una tasa de descarga más alta y se ven menos afectadas por las bajas temperaturas que se pueden encontrar en las profundidades. El ciclo de vida puede ser de 100 antes de que la capacidad de la batería se reduzca a ¾ de su capacidad original. Una configuración de LiPo se especifica por la cantidad de celdas prismáticas y cómo están conectadas, es decir, la cantidad de celdas en serie y en paralelo. Un "6S1P" significa que hay 6 celdas en serie y solo 1 pila, sin ninguna en paralelo. Prácticamente todas las baterías prismáticas están conectadas con todas las celdas en serie, por lo que la configuración se denomina simplemente "6S", con el "1P" entendido.

Acerca de los voltajes: el voltaje nominal de una batería es el número de celdas x 3,7 V/celda, el voltaje de punto medio de un paquete de baterías. Una batería 6S se describe como 6 celdas x 3,7 v/celda = 22,2 v, aunque una carga completa es de 25,2 v.

Las baterías LiPo tienen cuatro voltajes clave que debe conocer:

Figura 2. Estado de carga versus voltaje del paquete LiPo (Gráfico cortesía de Mark Forsyth, RCGroups.com)

Usando una esfera de poliamida de 10 ", hice una batería recargable de 22v/20Ah (440Wh nom) con flotabilidad positiva. Esa es una batería de automóvil que flota.

La calidad de LiPo varía entre las baterías de consumo y de grado comercial. Las baterías de grado comercial se fabrican prestando atención a la calidad en cada paso, incluida la selección de celdas que coincidan con las características de otras en una pila. Las baterías de grado de consumo se fabrican prestando atención al costo. La diferencia es como comprar baterías de Duracell versus Harbor Freight. Dos marcas comerciales que suelo usar son Gens Ace Tattu y Turnigy Graphene. Puede encontrar una lista de los principales fabricantes de LiPo en .

Figura 4. Una batería Gens Ace Tattu LiPo. Se muestran las características de la batería LiPo de voltaje, capacidad, configuración y clasificación de corriente máxima. Se puede encontrar más información básica sobre las baterías GensAce/Tattu LiPo en . (Crédito de la foto: Gens Ace)

Debido a que las celdas prismáticas están selladas al vacío en una bolsa de plástico suave, son tolerantes a la presión. No hay materiales comprimibles en el interior, por lo que la velocidad de la reacción química no se ve afectada por la presión. El circuito de protección BMS correspondiente también está hecho de componentes tolerantes a la presión (consulte la siguiente sección). He sumergido ambos en bolsas llenas de aceite mineral y los he probado a 18 000 psi. Aguantaron bien.

Colocar una batería LiPo compensada por presión fuera del casco significa que solo resta el peso del agua del presupuesto de flotabilidad, en lugar del peso del aire cuando está dentro del casco. Solo un SWAG, pero con la misma cantidad de flotabilidad, una embarcación puede transportar un 25% de potencia adicional. Para obtener más detalles sobre los LiPo, consulte Battery University ; "Una guía para comprender las baterías LiPo" ; y "El cuidado y la alimentación de los paquetes LiPo" .Sigue tu curiosidad y encontrarás otros.Circuito de protección LiPo

Aquí es donde discrepo de la práctica normal de RC.

Es muy importante equilibrar la carga de una batería LiPo. Esto se debe a que algunas celdas tienen una resistencia interna ligeramente más alta que otras, lo que permite que algunas se sobrecarguen, mientras que otras se subcarguen, si no se regulan. Encontrará una plétora de "cargadores de equilibrio" que funcionan bien. PERO, también es importante equilibrar la descarga para evitar que una celda se descargue más rápido que el resto por las mismas razones y que caiga demasiado bajo. Un corte de bajo voltaje no es suficiente, ya que mide el voltaje total del paquete. Una celda, escondida dentro del voltaje total de la batería, puede agotarse hasta el punto de arruinarse, llevándose consigo toda la batería. Cuando esa batería se coloque en un cargador de equilibrio la próxima vez, encontrará la que está defectuosa y cancelará la carga.

La solución es un BMS: Sistema de administración de batería, una placa diseñada para proteger cada celda de su paquete LiPo manteniéndola dentro de regiones operativas seguras. Además de una función de equilibrio de carga/descarga, un BMS cuenta con protección contra sobrecarga (corte de alto voltaje), protección contra sobrecarga (corte de bajo voltaje), protección contra cortocircuitos (desconectar la carga) y protección contra sobrecorriente (20 A seleccionable). , 30A, 40A). Los mejores diseños de BMS consumen menos de 200 uA. Figura 5. Un "Sistema de administración de batería" (BMS) de un circuito protector de LiPo protege las celdas individuales en un paquete de LiPo durante la carga y la descarga. Se muestra una batería LiPo 5S. (Crédito de la foto: Expertos en módulos de potencia QSKJ)

Otra gran ventaja del BMS es que se pueden conectar varias baterías idénticas, cada una con su propio BMS, de positivo a positivo, de negativo a negativo, en lo que se denomina un "bus de voltaje". La disposición en paralelo proporciona el voltaje de salida nominal de la batería, al mismo tiempo que suma la capacidad de amperios por hora. El BMS también brinda la capacidad de recargar la batería desde un solo puerto de alimentación sin abrir la carcasa. Si se dispone de un segundo paquete de baterías para un módulo de aterrizaje desplegado, se puede cargar lentamente, lo que extenderá la vida útil de las celdas.

Mire de cerca los componentes SMT utilizados en el ensamblaje de la placa BMS. Es muy probable que todos sean tolerantes a la presión. Buenas noticias, esto significa que un LiPo compensado por presión puede tener su BMS de sidecar durante el viaje.

Seguridad: Una esfera de poliamida se sella al vacío. En el improbable caso de que se genere gas, la esfera simplemente se desmoronará. Si se sumerge, el agua salada descargará la batería, pero no reaccionará con el polímero. Si usa una esfera de vidrio de Nautilus Marine Service (Vitrovex): Retire la tapa del puerto de purga autosellante. La válvula de retención mantendrá el vacío interior, pero saltará si hay una sobrepresión interna. Asegúrese de volver a colocar la tapa del puerto de purga cuando haya terminado. Si está en un cilindro, una medida de seguridad para la desgasificación es quitar los tornillos que sujetan la tapa del extremo a la carcasa. Un vacío interno mantendrá la tapa del extremo colocada y la sobrepresión interna la expulsará. Si está equipado con un puerto de purga autosellante, retire la tapa. La válvula de retención interna mantendrá el vacío interior, pero saldrá si hay sobrepresión interna. Asegúrese de volver a colocar la tapa del puerto de purga cuando haya terminado. Alternativamente, se podría usar una válvula de alivio de presión (PRV), como las fabricadas por Deep Sea Power & Light o Prevco. Se debe colocar una PRV en el fondo de una caja de presión, similar a una escotilla de entrada a un hábitat submarino. Cuando una PRV está abierta, está abierta directamente al mar. Las PRV tienen una presión de apertura y resellado, momento en el que el agua puede gotear si la PRV apunta hacia arriba. Otro recordatorio para los ingenieros es tener cuidado con la corrosión de materiales diferentes entre la PRV y la tapa del extremo. Hablaremos más sobre las viviendas en una edición posterior.

Cargadores Dado que cada batería tiene su propio BMS para equilibrar la carga de las celdas individuales, se necesita un cargador desequilibrado inteligente diseñado para LiPos. Estos son notables porque no tienen el puerto del conector del enchufe de balance LiPo. Figura 6. Un cargador LiPo inteligente no balanceado. La entrada universal permite su uso en cualquier país o nave de oportunidad. (Ilustración cortesía de AA Portable Power Corp.)

Un cargador LiPo desequilibrado inteligente brinda protección contra bajo voltaje LiPo, de modo que si el voltaje de la batería LiPo es <15.12V, el cargador no cargará la batería ya que es probable que una o más celdas estén dañadas. También ofrece un segundo nivel de protección al BMS para protección contra cortocircuitos de salida, protección contra sobrecalentamiento, protección contra sobrevoltaje y protección contra polaridad inversa. El cargador LiPo inteligente desequilibrado proporciona un ciclo de carga de corriente constante/voltaje constante. Figura 7. Un cargador LiPo inteligente desequilibrado proporciona corriente constante (CC) inicialmente, luego cambia a voltaje constante (CV) para completar la carga. (Ilustración cortesía de Witold Maranda, PhD, Universidad Tecnológica de Lodz, Polonia)Instrumentos importantes para tener

1. DVM, por supuesto, luego se pone interesante.

2. El medidor LiPo ESR (resistencia en serie equivalente) Mark II.

Fácilmente la siguiente herramienta de diagnóstico de LiPo más importante para tener en la caja de herramientas.

La resistencia interna (IR) es el mejor indicador del estado de la batería. IR se mide en miliohmios (mΩ). Cuanto menor sea la resistencia, menor será la restricción del flujo de corriente. La alta resistencia hace que la batería se caliente y el voltaje del terminal caiga bajo carga. El medidor LiPo ESR (resistencia en serie equivalente) Mark II es el mejor medidor del mercado para juzgar la calidad de los paquetes de baterías de litio. Figura 8. El medidor ESR (resistencia en serie equivalente) Mark II. (Foto cortesía de Progressive RC)

El medidor ESR proporciona la resistencia interna de las celdas individuales cuando se retiran de la batería, o una medición integrada de todo el paquete, incluido el BMS. El BMS agrega una compensación fija al IR de la batería. El ESR proporciona una lectura directa de la resistencia interna y la corriente máxima que el paquete puede entregar en el momento en que se realiza la medición. Figura 9. La resistencia interna (ARRIBA) y la corriente máxima (ABAJO) se pueden medir y registrar para una batería nueva. Estas fotos muestran una medición del estado de la batería completa con BMS. Si la carga estimada es inferior a 40 A, esta batería está bien. No es necesario conectar los enchufes de equilibrio de la batería LiPo para hacer una evaluación general, aunque se supone que el BMS está haciendo su trabajo de equilibrar cada celda. Si el valor IR neto aumenta con respecto a la medición inicial con el tiempo, es posible que sea necesario reemplazar la batería. (Fotografías de Kevin Hardy)

El fabricante recomienda que las mediciones se realicen a la misma temperatura. ($150, Progresivo RC)

3. El analizador de batería computarizado V Pro (CBA V Pro)

Definitivamente me quedaría con este también. Se utiliza para probar la capacidad de la batería y para descargarla de manera precisa y automática a un voltaje específico para almacenamiento o envío. Figura 10. El analizador de batería computarizado V Pro (Fotografía cortesía de West Mountain Radio)

Los voltajes de almacenamiento y envío se obtienen cargando primero la batería y luego descargándola al voltaje especificado usando el analizador de batería CBA V Pro. Especifique el voltaje final y el CBA se detendrá automáticamente cuando alcance ese voltaje.

El CBA (Computer Battery Analyzer) V también puede determinar la capacidad real de la batería a diferentes tasas de descarga. También puede probar la función de corte por bajo voltaje (LVCO) del BMS. Figura 11. El CBA proporciona una curva de descarga real y la capacidad de su batería. Aquí, la línea horizontal verde a 18,00 v es el límite preestablecido para cerrar la descarga de la batería 6S (3,0 v/celda). En cambio, el corte de bajo voltaje (LVCO) de BMS se activó a 19,20 V (3,2 V/celda). (Foto por Kevin Hardy)

Para probar la capacidad de una batería a temperatura fría, colóquela en un refrigerador y conecte los cables al CBA V. Un termómetro interior/exterior proporcionará la temperatura. ($229, de West Mountain Radio )4. Un medidor de celda 5 en 1 para probar el voltaje de la celda: Figura 12. El medidor de celda 5 en 1 Tenergy (Fotografía cortesía de Tenergy Power)

Este medidor mide el voltaje de las celdas individuales y el voltaje total de la batería a través del enchufe de equilibrio. El medidor de celda 5 en 1 Tenergy puede mostrar la capacidad restante estimada en función del voltaje de terminal descargado para paquetes de baterías LiPo. Use este medidor para verificar rápidamente si su batería requiere carga antes de su uso. También puede mostrar el voltaje de cada celda individual, lo que confirma la condición de equilibrio.

Para los paquetes de baterías LiPo y Li-ion, este medidor de celda mostrará la resistencia interna de cada celda individual, proporcionando una evaluación rápida del estado de la batería. Usaría este medidor como un control contra la ESR, pero confiaría en la ESR como un mejor instrumento para esta importante tarea. ($19, en Tenergy Power)

UNOLS en seguridad LiPo a bordo

Se pueden encontrar cuatro documentos del Sistema Nacional de Laboratorios Oceanográficos de la Universidad (UNOLS), WHOI y USN en https://www.unols.org/documents/batteries.

La Institución Scripps de Oceanografía tiene un documento similar en https://scripps.ucsd.edu/sites/scripps.ucsd.edu/files/basic-page-ships/field_attachment/2015/SIO.ShipboardLithiumBatteryGuidelines.Nov-2014.pdfEnvío:

Se aplican restricciones IATA ONU 38.3. Buen consejo: no modifique las baterías LiPo de ninguna manera, y el documento de certificación de prueba UN 38.3 que el fabricante usó para enviárselas aún se aplica. Están obligados a darle una copia si la solicita. FedEx y UPS publican sus pautas basadas en las reglas de la IATA. Si envía los LiPo dentro de una carcasa, están calificados para ser transportados bajo UN3481, que es menos restrictivo. Esto se debe a que la carcasa protege la batería de pinchazos accidentales. Para obtener más información sobre las reglas de IATA, consulte Battery University y busque "BU-704a: Envío de baterías de litio por aire". Si encuentra que el envío de IATA es demasiado restrictivo, no se preocupe: ¡usted diseñó baterías sin modificar en su paquete de baterías! Extraiga las baterías y envíe las carcasas vacías. Solicite un nuevo juego de LiPos para que se le entregue a su agente en el puerto extranjero de operación. Abra y vuelva a montar el paquete de baterías allí.

Firmas comerciales que ofrecen baterías LiPo subacuáticas:

Conclusión:

No he intentado cargar LiPos bajo presión, como se podría hacer con una red de cable a tierra, pero sospecho que funcionarán normalmente.

Espero que esto haya sido útil y explore las cosas geniales que LiPos puede hacer por usted.Otros recursos, Libros

"Baterías en un mundo portátil", Isidor Buchmann, 2016, (ISBN 978-0-9682118-4-7)

"Baterías de litio de bricolaje", Micah Toll, 2017, 978-0-9899067-0-8)Futuro

IEEE Spectrum (octubre de 2022) informó sobre el prototipo sedán Vision EQXX de Mercedes-Benz. Tendrá un "ánodo de batería con alto contenido de silicona... que puede exprimir más el alcance de las baterías, se espera que se popularice durante la próxima década". La tecnología marina a menudo se beneficia de tecnologías cruzadas cuyo desarrollo fue pagado por mercados más grandes. En una década, ¿quién sabe?Charla de otra tienda

Make Magazine, Vol 83, que acaba de salir, presenta la "Guía de placas 2022", incluye su Make anual: Guía de placas que compara 79 de los mejores microcontroladores, computadoras de placa única y FPGA, con énfasis en aquellos que realmente puede obtener. en.Agradecimientos

Gracias a Douglas Alden, ingeniero de I+D 5, y al Dr. Paterno Castillo, Instituto de Oceanografía de Scripps, por involucrar a la comunidad de Scripps en general en una conversación sobre baterías de litio a través del Foro técnico de Scripps en el campus. Gracias también a Chad Collett y Brent Lackey, SubC Imaging (Clarenville, NL, Canadá), por su interés y conversación continua sobre el diseño submarino de LiPo. El autor reconoce su gratitud al Dr. Peter Worcester, Instituto de Geofísica y Física Planetaria (IGPP) en Scripps, reconociendo su insaciable curiosidad, aliento, confianza en su equipo y disposición para probar nuevas formas de avanzar en su ciencia.Comentarios del lector

Sus comentarios y experiencias compartidas son siempre bienvenidos. Envíe sus pensamientos, historias y fotos a: Kevin Hardy <[email protected]>. ¡Puede que se encuentren impresos!