Cómo calcular la resistencia interna de una celda de batería

Tabla de contenido

Introducción

El resistencia interna de una celda de batería es una medida de la resistencia al flujo de corriente dentro de la celda. Normalmente se expresa en unidades de ohmios (Ω).

Se puede considerar la resistencia interna como una medida de la «calidad» de una celda de batería. Una resistencia interna baja indica que la celda de la batería es capaz de entregar una corriente grande con una caída de voltaje mínima, mientras que una resistencia interna alta indica que la celda de la batería es menos capaz de entregar una corriente grande y experimenta una caída de voltaje mayor.

La resistencia interna puede verse afectada por varios factores, entre ellos: el tipo y composición de los electrodos, la temperatura de la celda y el estado de carga de la celda. También puede variar dependiendo de la tasa de descarga, y tasas de descarga más altas generalmente resultan en una mayor resistencia interna.

Medir la resistencia interna de una celda de batería puede resultar útil para determinar el rendimiento de la celda e identificar cualquier problema que pueda afectar su rendimiento.

Imagen: Celda de batería Molicel-P26A
Crédito: Molicel

Para celda de batería de iones de litio, la resistencia interna puede estar en el rango de unos pocos mΩ a unos cientos de mΩ, según el tipo y diseño de la celda. Por ejemplo, una celda de iones de litio de alto rendimiento diseñada para aplicaciones de descarga de alta velocidad puede tener una resistencia interna de alrededor de 50 mΩ, mientras que una celda de menor rendimiento diseñada para aplicaciones de descarga de baja velocidad puede tener una resistencia interna de alrededor de 200 mΩ. .

Para celda de batería de plomo-ácido, la resistencia interna puede estar en el rango de unos pocos cientos de mΩ a unos pocos miles de mΩ. Por ejemplo, una batería de plomo-ácido de ciclo profundo diseñada para su uso en un vehículo eléctrico puede tener una resistencia interna de alrededor de 500 mΩ, mientras que una batería de plomo-ácido de descarga de alta velocidad puede tener una resistencia interna de alrededor de 1000 mΩ.

Para celda de batería de hidruro metálico de níquel (NiMH), la resistencia interna puede estar en el rango de unos pocos cientos de mΩ a unos pocos miles de mΩ. Por ejemplo, una celda de batería de NiMH de alta capacidad diseñada para su uso en un vehículo eléctrico puede tener una resistencia interna de alrededor de 1000 mΩ, mientras que una batería de NiMH de descarga de alta velocidad puede tener una resistencia interna de alrededor de 2000 mΩ.

Es común que los fabricantes de celdas de batería proporcionen información sobre la resistencia interna de sus celdas en sus hojas de datos. Esta información puede resultar útil para diseñadores e ingenieros que seleccionan baterías para una aplicación particular, ya que puede ayudarles a comprender las características de rendimiento de la celda y cómo puede comportarse en diferentes condiciones.

La resistencia interna de una celda de batería generalmente se proporciona como un valor estático, que refleja la resistencia de la celda cuando se encuentra a una tasa de descarga relativamente baja (generalmente alrededor de 0,2 °C o menos). A tasas de descarga más altas, la resistencia interna de la celda puede ser mayor.

En algunos casos, la hoja de datos puede proporcionar información sobre la resistencia interna de la celda a diferentes velocidades de descarga, lo que puede resultar útil para comprender el rendimiento de la celda en una gama más amplia de condiciones.

Si el fabricante no proporciona la resistencia interna de la celda de la batería, como veremos en este artículo, utilizando las características de descarga de la celda de la batería, podemos calcular la resistencia interna de la celda de la batería, para un estado de carga específico. valor.

Tasa C de celda de batería

La tasa C de una celda de batería se refiere a la velocidad a la que se carga o descarga una batería. Se expresa como un múltiplo de la capacidad de la celda, donde una tasa C de 1C indica que la celda se está cargando o descargando a una tasa igual a su capacidad, una tasa C de 2C indica que se está cargando o descargando a una velocidad igual a su capacidad. el doble de su capacidad, y así sucesivamente.

Por ejemplo, si una celda de batería tiene una capacidad de 1000 mAh y se descarga a una velocidad de 2 C, se descarga a una velocidad de 2000 mA (2 x 1000 mA).

En la siguiente tabla puede encontrar una explicación detallada sobre las diferentes tasas C para una celda de batería con una capacidad de 3200 mAh.

CajaCorriente de descargaTiempo de descarga (descarga completa)
0.2C0,2 · 3200 mAh = 640 mA3200 mAh / 640 mA = 5 horas
0,5ºC0,5 · 3200 mAh = 1600 mA3200 mAh / 1600 mA = 2 horas
1C1 · 3200 mAh = 3200 mA3200 mAh / 3200 mA = 1 hora
2C2 · 3200 mAh = 6400 mA3200 mAh / 6400 mA = 0,5 horas

La tasa C de una celda de batería puede ser un factor importante en su rendimiento y vida útil. En general, tasas de C más altas pueden dar como resultado tiempos de carga y descarga más rápidos, pero también pueden conducir a una reducción en la vida útil general de la celda debido al aumento de la tensión en los electrodos y otros componentes.

Es importante tener en cuenta que la tasa C de una celda de batería puede variar según el diseño y la química de la celda, así como la temperatura y el estado de carga de la celda. Algunas células pueden mantener tasas de C más altas sin una degradación significativa, mientras que otras pueden ser más sensibles a tasas de C altas.

Característica de descarga de la celda de la batería

La característica de descarga de una celda de batería se refiere a la forma en que el voltaje y la capacidad de la celda cambian a medida que se descarga. La característica de descarga de una celda puede ser un factor importante en su desempeño y puede variar según el tipo de celda, su diseño y química, y las condiciones bajo las cuales se descarga.

En general, el voltaje de una celda de batería disminuye a medida que se descarga, y la velocidad a la que disminuye el voltaje puede depender de la carga que se coloca sobre la celda y del estado de carga de la misma. Por ejemplo, una celda que se descarga a una velocidad alta (es decir, una tasa C alta) puede experimentar una caída de voltaje más rápida que una celda que se descarga a una velocidad baja.

Característica de descarga Panasonic NCR18650B

Imagen: Característica de descarga Panasonic NCR18650B
Crédito: Panasonic

La capacidad de una celda de batería también disminuye a medida que se descarga, y la velocidad a la que disminuye la capacidad puede depender del diseño y la química de la celda, así como de la velocidad de descarga y la temperatura. La capacidad de una celda generalmente se mide en miliamperios-hora (mAh) y representa la cantidad de energía que la celda puede entregar durante un período de tiempo determinado.

Consideremos, por ejemplo, una batería de iones de litio con una capacidad de 1000 mAh. Si la celda se descarga a una velocidad de 1 C (es decir, 1000 mA), se descargará completamente en aproximadamente una hora. Si la tasa de descarga aumenta a 2 °C (es decir, 2000 mA), la celda se descargará completamente en aproximadamente media hora.

Modelo de circuito de resistencia interna de celda de batería

El modelo de circuito de celda de batería es un modelo matemático que representa el comportamiento de una celda de batería en un circuito eléctrico. Se basa en la resistencia interna de la célula R.i [mΩ]voltaje de circuito abierto E [V]y voltaje terminal U [V].

Circuito eléctrico equivalente a batería

Imagen: Circuito eléctrico equivalente a batería

El resistencia interna de una celda de batería Ri [mΩ] Es una medida de la resistencia de la celda al flujo de corriente. Es causada por varios factores, como el material del electrodo de la celda, el grosor de los electrodos y la conductividad iónica del electrolito. La resistencia interna de una celda puede afectar su rendimiento y eficiencia y, por lo general, es mayor a densidades de corriente más altas y temperaturas más bajas.

El Abra el circuito de voltaje mi [V] de una celda de batería es el voltaje de la celda cuando no está conectada a ninguna carga externa. Representa el potencial electroquímico de la celda y está influenciado por varios factores, como el estado de carga, la temperatura y la edad de la celda.

El voltaje terminal Ud. [V] de una celda de batería es el voltaje medido en los terminales de la celda cuando está conectada a una carga externa. Es igual al voltaje del circuito abierto menos la caída de voltaje causada por la resistencia interna de la celda y la carga externa.

U = E – I·Ri (eq. 1)

El corriente eléctrica I [A] es la corriente que pasa a través de la resistencia interna cuando hay una carga conectada a la celda de la batería.

El modelo de circuito de celda de batería se puede utilizar para predecir el voltaje, la corriente y el estado de la celda. cargar bajo diferentes condiciones, como diferentes corrientes de carga y temperaturas. Puede resultar útil para aplicaciones como sistemas de gestión de baterías, donde se desea una representación rápida y precisa del comportamiento de la celda.

Cálculo de resistencia interna

Si tenemos las características de descarga de una celda de batería, para diferentes valores de tasa C, podemos calcular la resistencia interna de la celda de batería en un estado de carga específico (SoC) [1].

Como ejemplo, vamos a utilizar la celda de batería de iones de litio Panasonic NCR18650B que tiene una capacidad nominal de 3200 mA y las características de descarga como se muestran en la imagen a continuación. [2].

Cálculo de resistencia interna Panasonic NCR18650B

Imagen: Cálculo de resistencia interna Panasonic NCR18650B

Nuestro objetivo es calcular la resistencia interna de la celda en aproximadamente un 47 % del estado de carga (SoC).

Paso 1. Calcule la capacidad de descarga de la celda de la batería para un 47 % de SoC. Dado que la capacidad nominal de la celda de la batería es de 3200 mA, lo que corresponde al 100 % de SoC, con un 47 % de SoC, la capacidad de la celda de la batería sería:

0,47 · 3200 = 1504 mAh ≅ 1500 mAh

Paso 2. Lea los voltajes de los terminales para 2 curvas de descarga seleccionadas con la capacidad de descarga calculada de 1500 mAh. Vamos a seleccionar las curvas de descarga de 0,2C y 2C, para las cuales podemos leer en la imagen de arriba los voltajes de los terminales:

Ud.1 = 3,64689V
Ud.2 = 3,24647V

Paso 3. Calcule la corriente a través de la resistencia interna para ambas curvas de descarga:

I1 = 3200 · 0,2 = 640 mA = 0,64 A
I2 = 3200 · 2 = 6400 mA = 6,4A

Etapa 4. Aplique la ecuación (1) para el modelo de circuito equivalente para las curvas de descarga de 0,2 C y 2 C y resuelva para Ri [Ω].

3,64689 = E – 0,64 · Ri
3,24647 = E – 6,4 · Ri

Restando la segunda ecuación de la primera ecuación obtenemos:

0,40042 = Ri · (6,4 – 0,64)

lo que da la resistencia interna:

Ri = 0,06952 Ω = 69,52 mΩ

Conclusión: La resistencia interna de la celda de la batería es de aproximadamente 69,52 mΩ con un estado de carga del 47 %.

Cálculo de voltaje de circuito abierto

El cálculo de la tensión de circuito abierto E. [V] Es bastante sencillo, ahora que conocemos el valor de la resistencia interna de la celda de la batería.

Usando los valores U1 e I1 para la curva de descarga de 0,2C, podemos escribir la ecuación (1) como:

3,64689 = E – 0,64 · 0,06952

Resolviendo para E, se obtiene el valor del voltaje terminal:

mi = 3,64689 + 0,0444928 = 3,6913828 V

cuando la celda de la batería se descarga con 640 mA al 47 % del estado de carga.

Cálculo de pérdida de energía

Teniendo la resistencia interna de la celda de la batería, podemos calcular la pérdida de potencia Ppérdida [W] para una corriente específica como:

Ppérdida = I2 ·Ri (eq. 2)

Por ejemplo, al 47 % de SoC, si la corriente de salida es de 5 A, la pérdida de energía de la celda de la batería sería:

Ppérdida = 52 · 0,06952 = 1,738W

Conclusiones

La resistencia interna de una celda de batería puede tener un impacto significativo en el rendimiento de un paquete de baterías completo en un vehículo eléctrico (EV). Cuando la resistencia interna de una celda de batería es alta, puede provocar una disminución en la capacidad general del paquete de batería, así como una disminución en la eficiencia del paquete. Esto se debe a que la resistencia interna de una celda de batería crea una caída de voltaje dentro de la celda, lo que puede causar que la celda se caliente y disminuya su rendimiento.

Además, la resistencia interna de una celda de batería también puede afectar la velocidad a la que la celda puede cargarse y descargarse, lo que puede afectar el rendimiento general del paquete de batería. Por ejemplo, si la resistencia interna de una celda de batería es alta, es posible que se tarde más en cargar el paquete y que éste no pueda descargarse tan rápido como se desea.

Por otro lado, un paquete de baterías con baja resistencia interna en sus celdas generalmente tendrá un mejor rendimiento, ya que podrá cargarse y descargarse de manera más rápida y eficiente.

Referencias

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