A continuación, una contribución de Claudius Jehle,director general (CEO) de volytica diagnostics GmbH (https://www.volytica.com). Su artículo original se encuentra en https://www.sustainable-bus.com/news/charging-batteries-battery-cycle-4/

En nuestro último artículo de la serie Battery Cycle, aprendimos que podemos imaginarnos las baterías como si fueran decantadores de vino abultados llenos de cerveza espumosa, lo que ayuda en gran medida a entender los problemas cotidianos de estimación del SOC (estado de carga), los problemas de balanceo y las interrupciones repentinas. Pero esta analogía también ayuda a entender las cuestiones típicas de la recarga de baterías, que abordaremos en el cuarto artículo de la serie Battery Cycle.

Será el escenario donde se explique -entre otras muchas cosas- cómo y por qué duplicar la potencia de carga no puede reducir el tiempo de carga a la mitad, al menos si se pretende cargar a tope.

Recarga de baterías, Estado de Carga

La peculiar "forma de cristal"* de las baterías de iones de litio, siendo las más problemáticas las LFP y las LTO, pone en apuros a cualquier sistema electrónico o software encargado de relacionar la altura de llenado (tensión) con el contenido de llenado (SOC). El componente de espuma** en la altura de llenado hace que incluso la propia medición de esta altura sea una tarea compleja, especialmente en situaciones dinámicas. Es evidente que la determinación del SOC es una tarea compleja.

Pero veamos más de cerca la espuma: puede ayudar a explicar muchas cosas. Empecemos con sistemas de recarga en las dependencias de vehículos con baterías bastante grandes (150-350 kWh) destinados a realizar una ruta durante todo el día sin recargas o con pocas recargas. Normalmente, se quiere que la batería esté al 100% por la mañana y que acabe con alguna reserva al final del día.

Recarga nocturna: ¿una opción acertada?

Pero cargar una batería al 100% antes de que empiece el día no es tan sencillo como podría pensarse. La estación de carga primero "negocia" el próximo proceso de carga con el vehículo a través de una especie de protocolo de comunicación específico, que implica un acuerdo sobre, en primer lugar, la potencia de carga prevista que el cargador es capaz de dar, pero también que la batería es capaz de recibir. Aquí nos limitamos a la parte de la batería, porque se podrían escribir infinitos artículos sobre esta delicada y frágil parte de la comunicación.

El cargador comienza ahora a suministrar la corriente acordada en un flujo constante, esta fase se denomina por tanto fase de corriente constante o simplemente fase CC. A medida que el "cristal" se llena constantemente, también aumenta la altura de llenado. La altura del líquido no espumoso aumenta en función de la forma del cristal, es decir, lentamente en las zonas "voluminosas" y más rápidamente en las zonas estrechas. Y en la parte superior, el flujo de la corriente agita la espuma, cuanto más alta sea la corriente, más espuma. Una vez que la altura total de llenado se aproxima a la parte superior del vaso, es decir, que la tensión de la batería alcanza el máximo absoluto admisible, el cargador y la batería empiezan a renegociar rápidamente un nuevo perfil de corriente que cambia suavemente y que mantiene la altura total de llenado justo en la parte superior: la fase de tensión constante o CV. Lo que ocurre en esencia es que la reducción gradual de la corriente permite que la parte espumosa disminuya, mientras que la parte líquida puede seguir subiendo. Este proceso en total se llama carga CC-CV.

Supongamos que se deja de cargar por completo cuando la tensión llega por primera vez a la cima: la espuma se asienta y, de forma un tanto sorprendente, se encuentra el vaso lleno sólo al 85% después de unos 10 a 30 minutos. Por tanto, es exactamente igual que servir una cerveza: La cerveza (CC) fluye hasta que la espuma llega al borde, luego se reduce el flujo de cerveza, manteniendo la altura total constante (CV), sólo cambiando la relación líquido-espuma.

¿Cuáles son las consecuencias? Observe los resultados de la simulación en el diagrama: una consecuencia directa es que duplicar la potencia de carga no puede reducir el tiempo de carga a la mitad, al menos si se pretende cargar a tope. De hecho, la parte CC se acelera, pero tampoco por el factor 2, ya que la espuma sube mucho más rápido, por lo que la parte CV se acentúa aún más. En el ejemplo, ni siquiera se alcanza la parte de CV después de ~900 segundos (¡pero vendría después!), pero al duplicar la potencia, se alcanza el CV después de ~570 segundos, reduciendo el consumo de energía en un 24%. Al triplicar la potencia, obviamente el sistema entra en CV inmediatamente (no se observa CC), ¡lo que resulta en un consumo de energía inferior al doble!

¿Aprendizaje? Carga rápida: ¡El triple de potencia de carga no reduce el tiempo de carga (completa) por 3!

Es sencillo, pero puede ocurrir que la parte de CV lleve el mismo tiempo que la parte de CC. Así que conseguir el primer 80% puede llevar tanto tiempo como conseguir el último 20%.

Los OEM y los fabricantes distinguen entre el SOC que se comunica (a menudo el "SOC del cliente") y el "real", calculado internamente. El SOC del cliente está adaptado para, por ejemplo, mostrar el 100% cuando el real es sólo del ~90%. Sin entrar en demasiados detalles, hay buenas razones para hacer esto: (a) para tener algunas reservas (para acomodar los errores de estimación conocidos, véase el artículo anterior), (b) para salvar la batería (los SOC demasiado altos/bajos suelen ser perjudiciales para la salud) y (c) para emular un comportamiento aparentemente uniforme a lo largo de toda la vida útil desbloqueando las reservas durante la misma. Así que, considerando (c), si no se observa este comportamiento de carga ahora, bien podría observarse más adelante - ¡tenga en cuenta que el tiempo de carga del vehículo podría aumentar en el futuro!

Recarga de baterías: ¿Qué hay con la carga de oportunidad?

Con la carga de oportunidad, hay otros retos. Normalmente no se carga al 100% (sólo por la mañana, ver arriba), sino que se recarga repetidamente una batería más pequeña (50-150kWh). La espuma nunca llega a los bordes, por lo que no hay fase de CV persistente, sólo CC. Pero para acelerar aún más las pausas de carga, la potencia de carga suele ser muy alta. Así que, aunque no hay ninguna parte de CV que pueda "ahogar" la carga rápida, los altos pulsos pueden dar lugar a picos de tensión inducidos por la resistencia (aquí la analogía del vaso y el líquido falla un poco - quizá piense en el vino espumoso: lo vierte, la espuma sube muy rápidamente y decae en prácticamente sólo unos segundos). A medida que la resistencia aumenta debido a la degradación, estos picos también aumentan. Mensaje para llevar: La carga por oportunidad tiene características beneficiosas, al menos en cuanto al tiempo de carga, pero puede sufrir aumentos de tiempo de carga inducidos por la degradación.

Por último: la carga inductiva...

Una anotación sobre la carga inductiva, aunque no tiene nada que ver con la tecnología de las baterías. Es una idea fabulosa, ya que prácticamente no habría que hacer esfuerzos de posicionamiento y se podría incluso cargar mientras se conduce. Pero como siempre, la física entra en juego. La relación entre la energía que llega al vehículo y la que se pierde debido a las peculiares ineficiencias de la inducción, es decir, la que se convierte en calentamiento del entorno, depende principalmente de 2 factores (a) la distancia entre el receptor y el emisor y (b) la frecuencia del campo de inducción electromagnética alterna.

Para que la carga inductiva no resulte insoportable desde el punto de vista económico, hay que (a) reducir la distancia entre emisor y receptor a sólo milímetros y/o (b) aumentar la frecuencia y, por tanto, el tamaño de la bobina y el peso. Lo ideal sería tener una bobina de cobre de varios cientos de kilos suspendida de forma flexible (también) a milímetros del emisor. Sin embargo, estos requisitos, que compiten entre sí, han demostrado en repetidas ocasiones ser inviables desde el punto de vista económico. ¡Una lástima!

Recarga de baterías, mensajes para llevar a casa 👇

• A menudo, el SOC del usuario es un poco diferente del SOC real, lo que implica algunas reservas.
• En las aplicaciones de carga en depósitos o en cualquier otro lugar, donde una batería se carga al 100% (realmente al 100%), se emplea alguna forma de carga CC-CV.
• El peculiar patrón de CC-CV lleva al extraño comportamiento de que duplicar o triplicar la potencia de carga no reduce el tiempo a la mitad/por tres.
• ¡Aumentar la potencia de carga en X no reduce necesariamente el tiempo de carga en X!
• La carga de oportunidad es mayoritariamente CC y, portanto, no es susceptible de este patrón, pero es susceptible de aumentar las resistencias debido a la degradación.
• La carga inductiva (que no es una tercera opción, sólo una tecnología, por lo que podría haber carga de oportunidad inductiva) estaría bien, pero es tecnológicamente muy difícil.

Animamos a todo el mundo a discutir abiertamente las opciones y las implicaciones de las diferentes filosofías de carga con sus socios OEM. Es muy útil pedir la máxima transparencia en las señales básicas de la batería y el cargador e incluso información periódica sobre la degradación, ya que ahora ya sabemos cómo afecta la degradación a todos los aspectos de una batería.

* es decir, las características de OCV, véase Battery Cycle #3

** Es decir, el sobrepotencial/tensiones dinámicas

*** Simulación (LFP, SOC 0=50%, 30°C env) resultados de: Bunzel, A.; Morawietz, L.; Ufert, M.: Technologische und ökonomische Bewertung der Elektrifizierung von ÖPNV-Busflotten im Werkstatt- und Betriebshofbereich. Fachtagung "Werkstatt- und Betriebshofkonzepte für Elektrobusse", Dresden, 11.-12.10.2018.

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