Artículo Académico / Academic Paper
Recibido: 30-10-2020, Aprobado tras revisión: 11-01-2021
Forma sugerida de citación: Pico, H.; Pazmiño, I.; Ponce, E. (2021). “Análisis de los factores que intervienen en el envejecimiento
prematuro de las baterías de ion-litio mediante modelo teórico validado en laboratorio”. Revista Técnica “energía”. No. 17, Issue
II, Pp. 83-91
ISSN On-line: 2602-8492 - ISSN Impreso: 1390-5074
© 2021 Operador Nacional de Electricidad, CENACE
Analysis of the factors involved in the premature aging of lithium-ion
batteries using a theoretical model validated in the laboratory
Análisis de los factores que intervienen en el envejecimiento prematuro de las
baterías de ion-litio mediante modelo teórico validado en laboratorio
H.A. Pico
1
I.P. Pazmiño
2
E.B. Ponce
2
1
Corporación Nacional de Electricidad (CNEL EP) Unidad de Negocio Manabí, Manta, Ecuador
E-mail: hugo.pico@cnel.gob.ec
2
Universidad Laica Eloy Alfaro de Manabí (ULEAM), Manabí, Ecuador
E-mail: ivan.pazmino@uleam.edu.ec; bernardo.ponce@uleam.edu.ec
Abstract
This article presents a quantitative analysis of the
variables that affect the premature aging of lithium-
ion batteries.
For this purpose, first the validation of a theoretical
model developed in Matlab-Simulink is carried out
by comparing the behavior of its parameters of
interest with respect to a real system implemented in
the laboratory. For this, parameters such as the
characteristics of the cells and the environmental
conditions are considered in both cases.
Subsequently, once the simulation tool has been
validated, load and unload cycles are performed on
the model implemented in Matlab-Simulink. As part
of the process, tests are carried out considering
different temperatures, charge / discharge rates, and
different discharge depths, with the aim of
determining the impact of these parameters on the
useful life of lithium-ion batteries.
The final section of the document presents the results
of the experiment where, among other aspects, the
influence of ambient temperature on the
deterioration of lithium-ion batteries, as well as the
impact of a charge / discharge process of cells studied
with high levels of electrical current.
Index terms Lithium-ion batteries, simulations,
theoretical model, premature aging of cells.
Resumen
Este artículo presenta un análisis cuantitativo de las
variables que repercuten en el envejecimiento
prematuro de las baterías de ion-litio.
Para este cometido, primero se realiza la validación
de un modelo teórico desarrollado en Matlab-
Simulink mediante la comparación del
comportamiento de sus parámetros de interés
respecto a un sistema real implementado en
laboratorio. Para ello se consideran parámetros
como las características de las celdas y las
condiciones ambientales en ambos casos.
Posteriormente, una vez validada la herramienta de
simulación, se realizan ciclos de carga y descarga en
el modelo implementado en Matlab-Simulink. Como
parte del proceso se realizan pruebas considerando
diferentes temperaturas, tasas de carga/descarga, y
diferentes profundidades de descarga, esto con el
objetivo de determinar la repercusión de estos
parámetros en la vida útil de las baterías de ion-litio.
En la sección final del documento se presentan los
resultados del experimento donde se expone, entre
otros aspectos, la influencia de la temperatura
ambiente en el deterioro de las baterías de ion-litio,
así como, el impacto de un proceso de carga/descarga
de las celdas estudiadas con altos niveles de corriente
eléctrica.
Palabras clave Baterías de ion-litio, simulación
por computadora , modelo teórico, envejecimiento
prematuro de celdas.
83
Edición No. 17, Issue II, Enero 2021
1. INTRODUCCIÓN
El compromiso mundial de reducir
significativamente las emisiones de carbono en el corto
plazo ha propiciado el desarrollo de tecnologías
sustentables en términos ambientales, como los vehículos
eléctricos, por ejemplo. Para su desarrollo uno de los
elementos clave desde sus inicios han sido los sistemas
de almacenamiento de energía. En este sentido, una
variedad de baterías recargables ahora está disponible en
los mercados mundiales [1].
Las celdas de ion-litio se consideran las mejores entre
todos los tipos de baterías debido a sus características y
rendimiento superiores. Los impactos ambientales
positivos asociados a su uso, principalmente su potencial
de reciclaje, ha influido en el interés de nuevas
investigaciones para mejorar las tecnologías inherentes a
su desarrollo [2].
Este tipo de baterías se han vuelto muy populares
debido principalmente a su significativa reducción de
precios y al peso ligero con alta densidad de potencia. Sin
embargo, la gestión de los procesos de carga y descarga,
la influencia de su temperatura de operación, y los
procesos de reciclaje y restauración aún no se han
resuelto satisfactoriamente. Es por ello que en este
trabajo se aborda una de las aristas de esta problemática,
centrándose en los factores asociados con el
envejecimiento de las celdas constitutivas de un sistema
de almacenamiento, lo cual está inherentemente
relacionado a la gestión de los procesos de carga y
descarga, y la influencia de su temperatura de operación
[3].
En este sentido resulta menester validar en laboratorio
un modelo desarrollado por el autor [4] en Matlab-
Simulink®, dado que el disponible actualmente en las
librerías de este software, no incorpora la dinámica
asociada a su envejecimiento. Esto se logrará a través de
la cuantificación y contraste de las variables de interés
empleando un sistema real implementado en laboratorio
a fin de ofrecer al estado del arte, la evidencia teórico -
práctica necesaria para el uso de dicho modelo en futuras
investigaciones.
2. FUNDAMENTOS
Una celda electroquímica es un dispositivo que
permite generar energía eléctrica mediante reacciones
químicas a través de dos electrodos denominados ánodo
y cátodo, los mismos que están inmersos en una
disolución conductora conocida como electrolito [5].
Las baterías según su reversibilidad en el proceso
electroquímico se clasifican en primarias y secundarias
[6].
Las primarias son las que usualmente se las conoce
como pilas “no recargables” y fue inventada por
Alessandro Volta en el año 1800, en cambio las baterías
secundarias son las conocidas como pilas “recargables”
y fue inventada por el físico francés Gastón Plante en
1859, cuando desarrolló el primer acumulador de plomo-
ácido [6].
En los últimos años la preocupación sobre el cambio
climático, ha obligado a los gobiernos a llevar adelante
estrategias para tratar de frenar la contaminación
producida por los gases de efecto invernadero, estas
acciones consisten en incrementar la generación de
energías limpias, así como incentivar la movilidad
eléctrica. [7].
Es por esta razón que las baterías hoy se presentan
como una posible solución para almacenar los excedentes
en la generación de energías renovables, para utilizarlos
en períodos de demanda máxima, así mismo se está
apostando al uso masivo en vehículos eléctricos, pero en
este último aun es necesario que se garantice mayor
autonomía de recorrido y durabilidad de las celdas
secundarias [8].
Existen diferentes investigaciones respecto al estudio
de baterías recargables, pero en la en la actualidad la de
mayor aplicación práctica es la de ion-litio, ya que
presenta características muy importantes comparadas con
otras tecnologías como se observa en la Fig. 1 y tabla 1.
Figura 1: Densidad de energía gravimétrica y volumétrica de
diferentes tipos de tecnología de baterías recargables [9]
De la Fig. 1, se puede apreciar que la batería de ion-
litio presenta menor volumen y peso, lo que la hace
atractiva para ciertas aplicaciones donde estas variables
son sensibles, como es en el caso de vehículos eléctricos,
teléfonos móviles entre otros.
Otra ventaja de las celdas de ion-litio, es que durante
el modo espera presenta una autodescarga muy baja, a
esto se suma el número de ciclos elevados y otras
características que se muestran en la Tabla 1, que permite
tener una idea del porqué esta la tecnología es la más
utilizada en la actualidad.
Se tiene que tener en cuenta que, para aplicaciones
como la tracción de vehículos eléctricos, las baterías de
ion-litio deben contar con un dispositivo electrónico de
gestión “Battery Management System” (BMS) que
controle las variables internas de las celdas referidas, esto
para evitar sobrecargas y temperaturas elevadas que
84
Pico et al. / Análisis de los factores que intervienen en el envejecimiento prematuro de las baterías de ion-litio
pueden repercutir en el envejecimiento prematuro de las
mismas [10], entiéndase como tal al deterioro irreversible
no compensable en el proceso de carga.
Tabla 1: Características de tecnologías de baterías recargables [9]
Tipo de Batería
Plomo-
ácido
Ni-Cd
Ni-MH
Li-ion
Densidad de
Energía (
Wh/kg)
30-50
45-80
60-120
110-160
Densidad de
Potencia
180
150
250-
1000
1800
Voltaje
Nominal (V)
2
1,25
1,25
3,6
Temperatura
de
funcionamiento
(°C)
60
(-20) -60
(-20)-60
(-20)-60
Ciclo de Vida
200-300
1500
300-500
500-1000
Eficiencia de
Carga (%)
79
-
-
100
Eficiencia
Energética (%)
70
60-90
75
80
Tolerancia de
Sobrecarga
Alta
Moderado
Baja
Muy Baja
Autodescarga
Baja
Moderado
Alta
Muy Baja
Estabilidad
Térmica
Menos
estable
Menos
estable
Menos
estable
Más
estable
Además, las celdas de ion-litio para alargar su vida
útil deben funcionar en ciertos rangos de tensión que será
indicado por el fabricante; por ejemplo, puede presentar
un límite máximo de funcionamiento de 4,2 V y un límite
mínimo de funcionamiento de 2,7 V; si opera fuera de los
limites sugeridos puede sufrir daños considerables. Para
el caso descrito la batería debería funcionar normalmente
en 3,7 V [11].
Así mismo es importante indicar que las baterías de
ion-litio presentan problemas que aceleran su
envejecimiento cuando son sometidas a desvíos bruscos
de temperaturas, ya sean estos muy frio o calientes.
Aunque hay que manifestar que las celdas de ión-litio
pueden trabajar a una temperatura critica de hasta 65 °C,
pero a temperaturas muy bajas (debajo de 0 °C), pueden
presentar bajo rendimiento producto de la desaceleración
de las reacciones químicas internas; además si se trata de
realizar la carga de las celdas de ion-litio a la fuerza a
temperaturas extremadamente bajas puede producirse un
cortocircuito interno, causado por una solidificación o
cristal metálico provocado por el litio que se deposita en
el ánodo [12].
Generalmente no se lleva a estas temperaturas
críticas, porque en tecnologías como los vehículos
eléctricos cuentan con elementos que permiten calentar o
enfriar las baterías.
En lo que corresponde a la velocidad de carga, las
celdas se pueden cargar según el requerimiento deseado,
esto es: en forma lenta o convencional (10 A); carga
semirápida (16 o 32 A); carga rápida con CA (43 kW en
30 minutos, al 80 % de la capacidad de la batería); y carga
rápida con CC (50 kW en unos 20-25 minutos, al 80 %
de la capacidad de la batería).
En este artículo se analizarán los factores principales
que repercuten en el envejecimiento prematuro de las
baterías de ion-litio, como son: Temperatura ambiente,
velocidad de carga-descarga, profundidad de descarga y
números de ciclos (1 ciclo se interpreta como el proceso
de carga y descarga) [13]. Estas variables se simularán a
través de un modelo teórico validado con ensayos de
laboratorio, y se estudiarán varios escenarios.
3. METODOLOGÍA
El trabajo consiste en validar un modelo teórico de
envejecimiento de baterías desarrollado en Matlab-
Simulink® por el autor [4], a través de datos obtenidos
de laboratorios a partir de ensayos realizados en la
instalación de ciclados de baterías existente en la
“Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales”
(ETSII), de la “Universidad Politécnica de Madrid”.
Una vez validado el modelo teórico en referencia, se
procederá a realizar varias simulaciones de situaciones,
que repercuten en el envejecimiento prematuro de las
baterías de ion-litio, considerando que el modelo permite
modificar varias variables, para analizar escenarios
teniendo en cuenta los números de ciclos, profundidad de
descarga, corriente de carga y descarga y temperatura
ambiente.
3.1. Modelo de una batería de ion-litio
El objetivo de analizar el modelo teórico de una
batería, es poder obtener a través de él, las características
externas y las variables de estado interna, con las que se
podrá desarrollar un modelo matemático que permitirá
estudiar el comportamiento de las celdas de ion-litio y los
factores que repercuten en su envejecimiento prematuro
[14].
Figura 2: Modelo simplificado de una batería de ion-litio [15]
En la Fig. 2, se presenta una simplificación del
modelo de una batería de ion-litio, en donde se observa:
Una tensión (U) que es controlada por una fuente de
tensión variable (E); la resistencia conectada en paralelo
(R
self
) que representa las pérdidas provocadas por la
autodescarga; la resistencia en serie (R
ohm
) que representa
85
Edición No. 17, Issue II, Enero 2021
la resistividad del material y contactos; esta última
resistencia no depende de la corriente, pero sí de la
temperatura, aumentando con la misma.
Así mismo se detalla la resistencia de polarización
(R
pol
) que se produce por la movilidad de los iones y la
conductividad del electrolito, R
pol
depende de la corriente
y temperatura, disminuyendo con las variables referidas.
Se debe considerar que las dos resistencias de
polarización mostradas en la Fig. 2 se incluyen para un
mejor ajuste del modelo, ya que la tensión de descarga en
su desarrollo dinámico se representa mejor con
constantes de tiempo diferentes, como son la rápida
(short S) y la lenta (long L). Finalmente, R
pol_L
, R
pol_S
,
C_S y C_L, representan la capacidad y respuesta
dinámica de la batería.
3.2. Ecuaciones del modelo teórico
Para la elaboración del modelo teórico en Matlab-
Simulink® se tomaron en consideración las siguientes
formulaciones, que sirvieron para calcular las variables
de las baterías que repercuten en los parámetros
eléctricos y térmicos de las celdas.
3.2.1 Modelo eléctrico
Para el diseño del modelo se tomaron en
consideración las siguientes formulaciones:
(1)
(2)
(3)
(4)
Donde i, E, E
0
representan la corriente de la batería, la
tensión en bornes de la celda y la tensión a circuito
abierto respectivamente; mientras que K es una constante
de la resistencia de polarización. Así mismo Q
MAX
es la
capacidad máxima de la batería, y la tensión exponencial
y capacidad exponencial vienen dadas por A y B,
finalmente el estado de carga se presenta por SoC.
3.2.2 Modelo térmico:
De igual forma para representar la generación de
calor en el modelo, se incluyeron las siguientes
ecuaciones:
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
Donde H y T son el calor generado y la temperatura de la
celda respectivamente.
Se puede considerar como dato aproximado, que la
temperatura interna (T) y la generación de calor de la
batería, es uniforme.
Las celdas se pueden conectar en serie o paralelo, eso
depende de lo que se requiera obtener de las baterías. El
modelo en referencia considera solo la conexión en serie
y se justifica debido a que es muy poco realista que se
conecten en paralelo según las aplicaciones actuales,
aunque se podría dar el caso.
Si el lector necesita mayor detalle del modelo teórico
para el envejeciendo de baterías, se recomienda consultar
[4], que se encuentra disponible en el repositorio de la
Biblioteca de la ETSII de la “Universidad Politécnica de
Madrid”.
3.3. Validación de modelo teórico, con ensayos de
laboratorio.
El modelo teórico para simulaciones de
envejecimiento de baterías de ion-litio, se validó con
ensayos de laboratorio considerando los datos de la tabla
2.
Tabla 2: Datos considerados para ensayos en laboratorios
I carga
(A)
I
descarga
(A)
Temperatu
ra
ambiente
(°C)
Descarga/
Carga(%)
Número de
ciclos
27,5
55
25
30/80
84
27,5
55
21
30/80
117
82,5
55
21
30/20
33
82,5
55
19
30/20
204
Total de ciclos
438
Según [3], los factores más importantes que influyen
en la degradación de las baterías son la temperatura
ambiente, velocidad de carga-descarga, profundidad de
descarga y números de ciclos.
En el ensayo realizado se consideró las corrientes de
cargas de 27,5 A y 82,5 A, manteniendo constante para
ambos casos la corriente de descarga a 55 A, la
temperatura ambiente descrita en la tabla 2, es la
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Pico et al. / Análisis de los factores que intervienen en el envejecimiento prematuro de las baterías de ion-litio
registrada en la ciudad de Madrid en los días que se
realizaron los ejercicios de ciclados, a las baterías de ion-
litio.
Se deja constancia que aunque las combinaciones
mostradas en la tabla 2 no son todas las posibles, se
tomaron de referencia para realizar el estudio expuesto en
este documento.
Una vez realizado los ensayos en el laboratorio, se
procedió a realizar las simulaciones en el modelo teórico
de Matlab-Simulink® tomando de base los datos de la
tabla 2 y las características de las baterías de ion-litio
existente (15 celdas concedas en serie, cada una con una
capacidad de 55 Ah) en la “Escuela Técnica Superior de
Ingenieros Industriales” (ETSII), de la Universidad
Politécnica de Madrid, las cuales se muestran en la Fig.
3.
Figura 3: Celdas de ion-litio, ensayadas
Realizando las simulaciones y ensayos respectivos se
obtuvieron los resultados mostrados en la Fig. 4.
Figura 4: Datos ensayados en laboratorio Vs Datos simulados en
Matlab-Simulink®(modelo)
De la Fig. 4, se puede apreciar que el modelo teórico
logro envejecer las baterías de ion-litio en un 4,28 %, que
comparados con los datos de ensayos en laboratorio (4,3
%), presenta una diferencia de apenas 0,02%.
De los resultados mostrados en la Fig. 3, se puede
determinar que el modelo teórico es una herramienta muy
útil para simular los parámetros que repercuten en el
envejecimiento prematuro de las baterías de ion-litio.
Se menciona que el modelo se diseñó estimando que
cuando la carga completa de la batería solo llegue hasta
el 80 % de su capacidad (envejecimiento 20 %), la
simulación se detenga. En la práctica significaría realizar
el cambio de batería por terminación de vida útil.
Es importe aclarar que los 438 ciclos de carga-
descarga a los que se sometieron las baterías ensayadas y
mostrados en la tabla 2, se tomó como una muestra
referencial para determinar el envejecimiento de las
celdas en laboratorio y proceder a la validación descrita
en la Fig. 4.
3.4. Escenarios considerados para el análisis
Una vez validado el modelo teórico con datos de
ensayos en laboratorio, se procederá a simular tres
escenarios que repercuten de forma directa en el
envejecimiento prematuro de las baterías de ion-litio
como son: La profundidad de descarga y las tasas de
carga; así mismo se analizará la repercusión de someter a
las celdas de ion-litio a cargas y descargas rápidas, y por
último se simulará el efecto de la temperatura en el
envejecimiento de las baterías, tomando como ejemplo
las registradas en las principales ciudades del Ecuador.
4. RESULTADOS DE LOS ESCENARIOS
SIMULADOS.
4.1. Primer escenario
En este escenario se analizaron 2 casos: el primero
consiste en simular el envejecimiento prematuro de las
baterías considerando diferentes profundidades de
descargas (DoD), cuyos resultados se muestran en la Fig.
5.
Figura 5: Profundidades de descarga, considerando distintos
límites de carga y descarga de las celdas de ion-litio
En la Fig. 5, se representa tres curvas en la que se
simuló la carga de la batería hasta un 100 % (curva
celeste), 90 % (curva naranja) y 80 % (curva gris). Todas
las curvas fueron sometidas a profundidades de descargas
diferentes, si se toma de ejemplo la curva naranja, se
puede deducir que cuando la batería fue sometida a una
carga del 90% y se descargó hasta el 80 % (profundidad
de descarga 10 %) de su capacidad, pudo lograr 3408
1.39
2.21
2.61
4.28
1.6
2.6
2.85
4.3
0
1
2
3
4
5
0 80 160 240 320 400 480
Envejecimiento (%)
Ciclos
Datos Modelo Datos Laboratorio
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Ciclos
Profundidad de descarga %
Carga hasta 100 % Carga hasta 90 % Carga hasta 80 %
87
Edición No. 17, Issue II, Enero 2021
ciclos; en cambio cuando se cargó al 90% y se descargó
al 20 % (profundidad de descarga 70 %) de su capacidad,
se obtuvieron 662 ciclos.
El ensayo realizado permite deducir que, si la batería
se carga a un límite menor de su capacidad máxima, esta
proporcionaría un número mayor de ciclos y esto se
traduce en una vida útil más prolongada.
Es de indicar que para este caso 1, se simuló tomando
como constantes los datos de la temperatura (25 °C), la
tasa de carga (1C=55 A) y la tasa de descarga (1C=55 A).
En lo que corresponde al caso 2, se realizará un
barrido de tasas de carga, en donde se considerará en la
simulación, la temperatura constante (25°C) y la tasa de
descarga (1C= 55 A).
En la tabla 3 se muestran los datos de las diferentes
tasas de carga simuladas, con su equivalencia en
amperios.
Tabla 3: Tasas de carga a simular en el caso 2, escenario 1
Tasa de carga
Equivalencia en
corriente (A)
0,2 C
11
0,5 C
27,5
1 C
55
1,5 C
82,5
2 C
110
5 C
275
10 C
550
15 C
825
Los datos mostrados en la tabla 3 se simularán
realizando ciclos de Carga/ descarga al 80/20(DoD 60 %)
y de 80/30 (DoD al 50 %), cuyos resultados se muestran
en la Fig. 6.
Figura 6: Barrido de carga a diferentes “C”
Las curvas descritas en la Fig. 6 muestran que,
realizando la carga/descarga de las baterías de ion-litio al
80/30 porciento, las celdas presentan un mayor número
de ciclos, lo que equivale a un menor envejecimiento
comparada con la curva celeste, que representa una
carga/descarga de 80/20 por ciento.
4.2. Segundo escenario
En este escenario simulará el envejeciendo de las
celdas recargables de ion-litio, sometiendo a las baterías
a cargas y descarga rápidas, es importante mencionar que
este caso se puede presentar en las baterías que se
incorporen a las redes eléctricas, en donde serán
sometidas a cargas muy rápidas y descargas de igual
magnitud.
Las baterías en las redes eléctricas proporcionarán
una mejor integración con las energías limpias
renovables, ya que permitirá realizar el control de tensión
y frecuencia, así como como una gestión de carga y
demanda eficiente.
Según se manifestó en el punto 2 de este documento,
la corriente de carga semirápida está entre los 16 y 32
amperios, de ahí en adelante se podría considerar
corrientes superiores a las mencionada, como las
utilizadas para realizar cargas rápidas a las baterías
recargables.
Para este escenario se considera como constante la
temperatura (25°C), la profundidad de descarga (50%) y
se simularán los datos mostrados en la tabla 4.
Tabla 4: Tasas de carga y descarga a simular en el escenario 2
Tasa de
carga
Equivalencia
en corriente de
la tasa de
carga (A)
Tasa de
descarga
Equivalencia
en corriente de
la tasa de
descarga (A)
0,5 C
27,5
8 C
440 A
0,5 C
27,5
10 C
550 A
0,5 C
27,5
12 C
660 A
0,5 C
27,5
15 C
825 A
1 C
55
8 C
440 A
1 C
55
10 C
550 A
1 C
55
12 C
660 A
1 C
55
15 C
825 A
2 C
110
8 C
440 A
2 C
110
10 C
550 A
2C
110
12 C
660 A
2C
110
15 C
825 A
Realizando las simulaciones con los datos descritos
en la tabla 4, se tienen los resultados mostrados en la Fig.
7.
De la Fig. 7 se deduce que cuando las baterías de ion-
litio son sometidas a cargas y descargas rápidas (curva
0.2C
0.5C
1C
1.5C
2C
5C
10C
15C
0.2C
0.5C
1C
1.5C
2C
5C
10C
15C
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
Tasa de carga
Ciclos
Descarga/carga (20/80) (%) Descarga/Carga (30/80) (%)
88
Pico et al. / Análisis de los factores que intervienen en el envejecimiento prematuro de las baterías de ion-litio
naranja), las pilas secundarias simuladas (55 Ah) tendrían
una vida útil de menos de 100 ciclos. En cambio, si se
realiza la recarga con pocos amperios (curva gris) y se
descarga con mayor cantidad de corriente (8C -15 C),
puede desacelerarse el envejecimiento prematuro de
celdas de ion-litio.
Figura 7: Carga y descargas rápidas de baterías de ion-litio
4.3. Tercer escenario
Otro factor que intervienen en el envejecimiento
prematuro de las baterías de ion-litio, es la temperatura.
Para analizar este escenario se tomará como referencia la
temperatura media anual registradas en el año 2015 en 6
ciudades del Ecuador, como se muestra en la tabla 5.
Tabla 5: Temperatura de las principales ciudades del Ecuador,
por región.
Ciudad
Región
Altitud
(msnm)
Temperatura
media anual
en °C (2015)
Esmeralda
Litoral o
Costa
15
27,3
Guayaquil
Litoral o
Costa
4,02
27,7
Quito
Interandina o
Sierra
2850
16,9
Cuenca
Interandina o
Sierra
2560
16,3
Lago Agrio
Oriente
300
26
Puyo
Oriente
950
22,3
En la Fig. 8 se muestran los resultados obtenidos
realizando la simulación utilizando el modelo teórico
validado. Hay que considerar que para el análisis se
mantuvieron constantes la corriente carga (11 A), la
corriente de descarga (55 A) y la profundidad de descarga
(50 % de la capacidad máxima de la batería).
De la Fig. 8 se analiza que entre más elevada sea la
temperatura, las baterías ion-litio presentan una menor
cantidad de ciclos, lo que significa que a temperaturas
elevadas (calientes) las celdas presentan envejecimiento
prematuro.
Así mismo se observó en la Fig. 8, que en la ciudad
del Puyo de la región Oriental del Ecuador, las celdas
presentarían mejores prestaciones, esto asumiendo que
las pilas secundarias analizadas no cuentan con
climatización, cuya importancia queda en manifiesto en
este estudio.
Figura 8: Envejecimiento de las baterías de ion-litio en función de
la temperatura, caso Ecuador
Es importante aclarar que partiendo de los parámetros
de las baterías simuladas y descritas en [11], su rango de
funcionamiento esta dentro de los -20 a 60 °C, siendo la
temperatura ideal de operación alrededor de los 23 °C, lo
que explica los resultados mostrados en la Fig. 8.
Pero como se mencionó anteriormente, las baterías de
ion-litio también presentan problemas cuando son
sometidas a temperaturas extremas como se observa en
la Fig. 9.
Figura 9: Envejecimiento de las baterías de ion-litio en función de
la temperatura, considerando casos extremos
De la Fig. 9 se deduce que las baterías de ion-litio
cuando son sometidas a temperaturas bajas o elevadas,
disminuyen su vida útil considerablemente.
Aunque es verdad que las temperaturas simuladas en
las Fig. 8 y 9, pueden ser contrarrestadas con los sistemas
de calentamiento y enfriamiento antes mencionados,
existe el inconveniente que cuando se someten las celdas
de ion-litio a temperaturas muy bajas, se produce una
disminución en el rendimiento de las pilas secundarias.
En el caso de los vehículos eléctricos tienen que utilizar
mayor cantidad de energía para calentar la cabina, lo que
le resta autonomía.
8C
10C
12C
15C
8C
10C
12C
15C
8C
10C
12C
15C
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 100 200 300 400 500 600
Tasa de descarga
Ciclos
Tasa de carga "1 C" Tasa de carga "2 C" Tasa de carga "0.5 C"
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
Guayaquil
(27.7 °C)
Esmeraldas
(27.3 °C)
Lago Agrio
(26 °C)
Puyo
(22.3 °C)
Quito
(16.9 °C)
Cuenca
(16.3 °C)
953
1032
1360
3153
3024
2660
Ciclos
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Extrema alta
(50 °C)
Extrema alta
(40 °C)
Extrema baja
(-2 °C)
Extrema baja
(0 °C)
Alta (35
°C)
Baja (10 °C)
77
174
188
222
302
744
Ciclos
89
Edición No. 17, Issue II, Enero 2021
De igual forma se demostró en la Fig. 8 y 9, que
cuando las baterías de ion-litio trabajan a temperaturas
muy elevadas se aceleran el envejecimiento prematuro de
las mismas. Hay que indicar que las celdas estudiadas
deben ser capaz de soportar fallas del sistema térmico,
por lo que el diseñador debe garantizar la seguridad
necesaria, si el control térmico no es efectivo, en ese caso
bebe actuar el dispositivo de control de gestión de batería
(BMS).
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
En el presente estudio como resultado de las
simulaciones realizadas a través del modelo teórico de
Matlab-Simulink®, se demostró que las tasas de carga y
descarga afecta de forma directa al envejecimiento
prematuro de las baterías de ion-litio, por lo que se
recomienda que, para alargar la vida útil de las celdas, se
las cargue y descargue utilizando pocos amperios (carga
lenta); de acuerdo a lo mostrado en la Fig. 6, al comparar
las curvas sometidas a DoD del 60 y 50 %, se demuestra
que cuando mayor sea la profundidad de descarga de las
celdas, las baterías ejecutan un número menor de ciclos,
por lo que conveniente trabajar según el caso estudiando
a un DoD del 50 %.
Se demostró que cuando las pilas secundarias de ion-
litio son sometida a cargas y descargas rápidas, reducen
drásticamente su vida útil. Se recomienda que, de ser el
caso, se haga una mezcla en el funcionamiento; esto es,
si se cargan las celdas con pocos amperios (carga lenta)
se realice la descarga con muchos amperios; esta
actividad lograría que las baterías soporten el doble de
ciclos, que si se cargaran o descargaran con elevadas
corrientes.
En el análisis realizado se confirmó que cuando las
baterías de ion-litio, funcionan por debajo de los 0 °C,
sus ciclos de vida disminuyen considerablemente, al
igual que cuando se trabaja con temperaturas
extremadamente altas.
Las celdas de Ion-Litio, para alargar su vida útil
deben evitar los ciclos de carga/descarga a temperaturas
muy elevadas o muy bajas.
Para concluir, se pone en relevancia en este articulo
la importancia de un dispositivo electrónico que regule la
climatización en las celdas estudiadas, para de esta
manera evitar la disminución de los ciclos de vida de las
baterías de ion-litio, cuando trabajan a temperaturas
diferentes a la nominal de fabricación.
AGRADECIMIENTOS
El autor Hugo Pico Mera expresa su agradecimiento a la
Secretaría de Educación Superior, Ciencia, Tecnología e
Innovación (SENESCYT) de la República del Ecuador,
cuya financiación (Contrato Nº: CZ04-000673-2018) ha
hecho posible su formación de postgrado, cuyos
resultados parciales se documentan en el presente trabajo.
El autor Iván Pazmiño Ordóñez expresa su
agradecimiento a la Secretaría de Educación Superior,
Ciencia, Tecnología e Innovación (SENESCYT) de la
República del Ecuador, cuya financiación (Contrato Nº:
CZ02-000683-2018) ha hecho posible su formación de
postgrado, cuyos resultados parciales se documentan en
el presente trabajo
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Hugo A. Pico Mera.- Nació en
Manabí en 1990. Recibió su título
de Ingeniero Eléctrico de la
Universidad Técnica de Manabí en
2013. Master Universitario en
Ingeniería Eléctrica por la
Universidad Politécnica de Madrid
en 2019. Ha desempeñado cargos
como Profesional de Gestión de Proyectos y Líder de
Planificación en la Corporación Nacional de Electricidad
(CNEL EP) Unidad de Negocio Manabí. En la actualidad
se desempeña como Profesional de Planificación
Técnica-Económica en CNEL EP.
Ivan P. Pazmiño Ordoñez.–
Ingeniero Eléctrico, Escuela
Politécnica Nacional, 2015. M.Sc.
Ingeniería Eléctrica, Universidad
Politécnica de Madrid, 2019.
Actualmente se desempeña como
Docente en la Carrera de
Ingeniería Eléctrica en la
Universidad Laica Eloy Alfaro de Manabí.
Edwin B. Ponce Minaya.–
Ingeniero Eléctrico, Universidad
Laica Eloy Alfaro de Manabí
(ULEAM), 1993. M.Sc. Gestión
Ambiental, ULEAM, 2014, Master
en Administración de Empresas
MBA, ULEAM, 1999.
Actualmente se desempeña como
Director y Docente de la Carrera de Ingeniería Eléctrica
en la Universidad Laica Eloy Alfaro de Manabí, Ecuador.
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