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Jul 09, 2023

Laboratorio Lander #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 las tecnologías, estrategias y uso de las baterías de polímero de litio Ocean Landers ofrece una forma segura

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

28 de diciembre de 2022

Una columna sobre las tecnologías, estrategias y uso de los vehículos de aterrizaje oceánicos

Las baterías de polímero de litio ofrecen una opción segura y robusta para energía eléctrica portátil. A medida que hemos adquirido experiencia colectivamente, los parámetros de la aplicación se han refinado, definido y mejorado. Aunque omnipresentes en la vida cotidiana, su aceptación no ha superado un pasado turbulento. Los LiPos ahora han volado en naves espaciales tripuladas Space-X y están instalados en la Estación Espacial Internacional. La industria automotriz mundial 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 ésta falla. Los sumergibles DSV ALVIN de WHOI, DSV DEEP SEA CHALLENGER de James Cameron y TRITON 36,000/2 (factor limitante DSV) de Triton Submarine funcionan con módulos de batería LiPo con presión compensada. En 2019 y 2020, Japón lanzó dos nuevos submarinos diésel-eléctricos, Taigei, o “Gran Ballena”, y Toryu, o “Fighting Dragon”, equipados con baterías de iones de litio, lo que hace que los submarinos sean capaces de navegar silenciosamente sumergidos durante más tiempo.

Al igual que otros animales en el Zoológico de San Diego, es importante reconocer que las LiPo son simplemente diferentes a las baterías de plomo-ácido o alcalinas. Tienen sus propios comportamientos distintivos. Admito que sentí cierta aprensión cuando comencé a estudiar y luego a aprender haciendo con LiPos. Comencé con baterías LiPo dentro de una bolsa de carga ignífuga, sobre un piso de concreto dentro de un pequeño búnker de bloques de cemento a 6 pies de distancia de todo lo demás. Me mudé a una gran maceta de arcilla para jardín 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 saberlo. La seguridad siguió siendo primordial, ya que comencé a familiarizarme con la tecnología que muchos otros ya estaban usando.

He utilizado LiPos durante varios años en una variedad de aplicaciones en el mar. Cuanto más aprende, más éxitos tendrá y más posibilidades se presentarán. Respeto su densidad de energía, pero también su voluntad de hacer un trabajo. Existe una gran cantidad de trabajos que describen 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 fundamental 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 realizar un vuelo más con una carga rápida por encima de la velocidad máxima recomendada. A veces es una batería pésima que consiguieron a un precio barato. En ocasiones no cuentan con los dispositivos adecuados para proteger y mantener las baterías como debe ser.Algunos conceptos básicos sobre 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 los polímeros 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 peligrosos si se exponen al agua. Las celdas de iones de litio utilizan 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) utilizan un electrolito gelificado y están selladas al vacío dentro de una bolsa de plástico suave. Esto se conoce como “célula prismática”. Existen varias químicas de LiPo, pero la más común para los paquetes prismáticos es el óxido de litio y cobalto. La química se especifica en la MSDS de esa batería. Se puede unir una pila de celdas prismáticas mediante una envoltura retráctil, para aplicaciones livianas, o dentro de una carcasa de plástico duro moldeado por inyección para brindar resistencia a las perforaciones.

En comparación con las pilas alcalinas, las LiPo tienen un peso más ligero, mayor capacidad, mayor tasa de descarga y se ven menos afectadas por las temperaturas frías, como las 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 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", entendiéndose por "1P".

Acerca de los voltajes: El voltaje nominal de una batería es el número de celdas x 3,7 V/celda, el voltaje del 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 debes 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 auto que flota.

La calidad de LiPo varía entre las baterías de consumo y las comerciales. Las baterías de calidad 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 consumo se fabrican prestando atención al costo. La diferencia es como comprar baterías de Duracell frente a Harbor Freight. Dos marcas comerciales que suelo utilizar son Gens Ace Tattu y Turnigy Graphene. Puede encontrar una lista de los principales fabricantes de LiPo en .

Figura 4. Una batería LiPo Gens Ace Tattu. Se muestran las características de voltaje, capacidad, configuración y clasificación de corriente máxima de la batería LiPo. Puede encontrar más información general 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). Los sumergí en bolsas llenas de aceite mineral y los probé a 18.000 psi. Aguantaron bien.

Colocar una batería LiPo con presión compensada fuera del casco significa que solo se 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 nave puede transportar un 25 % de energía adicional. Para obtener más detalles sobre los LiPo, consulte Battery University ; “Una guía para comprender las baterías LiPo” ; y “El cuidado y alimentación de las baterías LiPo” . Sigue tu curiosidad y encontrarás otras.Circuito de protección LiPo

Aquí es donde me aparto 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 mayor que otras, lo que permite que algunas se sobrecarguen, mientras que otras se sobrecarguen, si no se regulan. Encontrará una gran cantidad 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 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 del paquete de baterías, puede agotarse hasta el punto de arruinarse, llevándose consigo toda la batería. La próxima vez que coloques esa batería en un cargador equilibrado, encontrará la que está defectuosa y cancelará la carga.

La solución es un BMS: Sistema de gestión 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 sobredescarga (corte de bajo voltaje), protección contra cortocircuitos (desconecta la carga) y protección contra sobrecorriente (20A seleccionable). , 30A, 40A). Los mejores diseños de BMS consumen menos de 200 uA. Figura 5. Un circuito protector de LiPo “Sistema de administración de batería” (BMS) protege las celdas individuales en un paquete de LiPo durante la carga y 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 unir varias baterías idénticas, cada una con su propio BMS, de positivo a positivo y de negativo a negativo, en lo que se llama un "bus de voltaje". La disposición en paralelo proporciona el voltaje de salida nominal de la batería, al tiempo que suma la capacidad en amperios-hora. El BMS también ofrece la posibilidad de recargar la batería desde un único 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 prolongará la vida útil de las celdas.

Observe 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 con presión compensada puede llevar su sidecar BMS 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 utiliza 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 saldrá si hay una sobrepresión interna. Asegúrese de reemplazar 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 y la sobrepresión interna la empujará hacia afuera. 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 reemplazar la tapa del puerto de purga cuando haya terminado. Alternativamente, se podría utilizar una válvula de alivio de presión (PRV), como las fabricadas por Deep Sea Power & Light o Prevco. Se debe colocar un PRV en el fondo de una caja de presión, similar a una trampilla de entrada a un hábitat submarino. Cuando un PRV está abierto, está abierto directamente al mar. Las PRV tienen una presión de agrietamiento y de resellado, momento en el cual el agua puede entrar 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 Viviendas en una edición posterior.

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

Un cargador LiPo inteligente desequilibrado proporciona protección contra bajo voltaje de LiPo, de modo que si el voltaje de la batería LiPo es <15,12 V, 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 sobretemperatura, protección contra sobretensión y protección contra polaridad inversa. El cargador LiPo inteligente desequilibrado proporciona un ciclo de carga de corriente/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 que se deben tener

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

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

Fácilmente la siguiente herramienta de diagnóstico de LiPo más importante que debe tener en su caja de herramientas.

La resistencia interna (IR) es el mejor predictor del estado de la batería. El 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 que 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. Medidor Mark II de ESR (resistencia en serie equivalente). (Foto cortesía de RC Progresista)

El medidor ESR proporciona la resistencia interna de celdas individuales cuando se retiran de la pila de baterías, 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 llena con BMS. Si la carga estimada es inferior a 40 A, esta batería está bien. No es necesario conectarse a los enchufes de equilibrio de la batería LiPo para realizar 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. (Fotos de Kevin Hardy)

El fabricante aconseja realizar las mediciones a la misma temperatura. ($150, RC progresivo)

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

Definitivamente compraría este también. Se utiliza para probar la capacidad de la batería y para descargarla de forma precisa y automática a un voltaje específico para su almacenamiento o envío. Figura 10. Analizador computarizado de baterías 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 utilizando el analizador de batería CBA V Pro. Especifique el voltaje final y el CBA se detendrá automáticamente cuando alcance ese voltaje.

El CBA (Analizador de batería de computadora) V también puede determinar la capacidad real de la batería a diferentes velocidades de descarga. También puede probar la función de corte de 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 cortar la descarga de la batería 6S (3,0 v/celda). En cambio, el corte de bajo voltaje (LVCO) del BMS se activó a 19,20 V (3,2 V/celda). (Foto de 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. 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 celdas 5 en 1 Tenergy puede mostrar la capacidad restante estimada en función del voltaje del terminal descargado para los paquetes de baterías LiPo. Utilice este medidor para comprobar rápidamente si es necesario cargar la batería antes de usarla. También puede mostrar el voltaje de cada celda individual, confirmando la condición de equilibrio.

Para 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 control de la ESR, pero confiaría en la ESR como un mejor instrumento para esta importante tarea. ($ 19, en Tenergy Power)

UNOLS sobre la seguridad de LiPo a bordo

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

El Instituto 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 utilizó 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 LiPos dentro de una carcasa, están calificados para ser transportados según 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 la IATA, consulte Battery University y busque “BU-704a: Envío de baterías de litio por aire”. Si considera que el envío de la IATA es demasiado restrictivo, no se preocupe: ¡usted diseñó baterías no modificadas en su paquete de baterías! Saque las baterías y envíe las carcasas vacías. Solicite un nuevo juego de LiPos para que se lo entreguen a su agente en el puerto de operación extranjero. Abra y vuelva a montar la batería allí.

Empresas comerciales que ofrecen baterías LiPo subacuáticas:

Conclusión:

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

Espero que esto haya sido útil y explores las cosas interesantes que LiPos puede hacer por ti.Otros recursos, Libros

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

“Baterías de litio para bricolaje”, Micah Toll, 2017, 978-0-9899067-0-8)Futuro

IEEE Spectrum (octubre de 2022) informó sobre el prototipo del sedán Vision EQXX de Mercedes-Benz. Tendrá un "ánodo de batería con alto contenido de silicona... que puede exprimir más alcance de las baterías, y se espera que se popularice ampliamente durante la próxima década". La tecnología marina a menudo se beneficia de tecnologías cruzadas cuyo desarrollo fue financiado por mercados más grandes. Dentro de una década, ¿quién sabe?Otra charla de 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 microcontroladores, computadoras de placa única y FPGA más populares, con énfasis en aquellos que realmente puede conseguir. en.Agradecimientos

Gracias a Douglas Alden, Ingeniero de Investigación y Desarrollo 5, y al Dr. Paterno Castillo, Instituto de Oceanografía Scripps, por involucrar a la comunidad 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 de LiPo submarino. El autor agradece al Dr. Peter Worcester, Instituto de Geofísica y Física Planetaria (IGPP) de Scripps, su insaciable curiosidad, aliento, confianza en su equipo y voluntad de probar nuevas formas de avanzar en su ciencia.Comentarios del lector

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