Baterías. “C” de Capacidad Real y Curva de descarga y no de Cuento

por | Jun 9, 2022 | Eficiencia energética | 0 Comentarios

En aquellas instalaciones/equipos en las que las baterías constituyen el único medio de almacenamiento energético es fundamental entender cual son los parámetros que las definen, con el fin de dimensionarlas con la suficiente capacidad de almacenamiento para el uso que le vayamos a dar. Además, si esas baterías son parte de un elemento portátil/portable, la variable peso/capacidad es también bastante significativa y se tiene que tener en cuenta a la hora de definir la capacidad necesaria.

Una batería de 1kWh = 10kg = 6,6km de autonomía para un vehículo eléctrico*

*Media de los estándares europeo y americano

El principio de funcionamiento de la batería se basa en la conversión de energía química en eléctrica y a diferencia de las pilas, éstas permiten reconvertirla nuevamente la energía química (una pila recargable se convierte en una batería). Pero en ningún caso poseen la capacidad de generar energía por si solas, de hecho, antes de salir de fabrica hay que cargarlas.

La capacidad de una batería se mide en Amperios por hora (Ah) y expresa la corriente continua que la batería puede suministrar en 1 hora de uso, manteniendo la tensión de suministro (“capacidad de trabajo”) en unas condiciones especificas a una temperatura dada.  

Si atendemos a la expresión del cálculo de la capacidad de una batería: C = a.t (en Ah)

Dónde “C” es la capacidad de la batería, “a” la intensidad (en amperios) y “t” en tiempo de funcionamiento (en horas), y aquí reside el fallo que muchas veces se comete…

Podríamos pensar que un grupo de baterías de 300 Ah podrían entregar 30 Amperios (A) durante 10 h, ó bien la mitad de corriente 15 A durante el doble de tiempo 20h, en base a mantener constante el producto de corriente expresado en A y el tiempo expresado en hora: 300 Ah

Pero… la realidad es que no

En la practica, la descarga de una batería no tiene un comportamiento lineal, tampoco ideal, no es posible obtener tantos amperios, aunque sea en poco tiempo como nosotros queremos, debido a que existe un fenómeno de saturación que hace que a medida que le pedimos a la batería grandes cantidades de corriente, la capacidad disminuya y no llegue a suministra el total (aunque fuera solo por 1h).

Para evitar esta confusión, los fabricantes de las baterías especifican el valor de la capacidad con un numero junto a la letra “CX” (tasa de carga o descarga), siendo esa X las horas nominales de descarga. Es decir, las horas que requiere la batería para poder entregar el total de energía que lleva almacenada sin perdidas.

Sigamos con el ejemplo de la batería de 300 Ah:

Si el fabricante nos entrega una batería de 300 Ah de “C30” de capacidad, significa que la capacidad de 300 Ah está cuantificada en una descarga de 30 horas (C30) y de aquí se deduce que la corriente nominal de descarga que la batería proporcionará en nuestra instalación será de: 10 A (300/30). En el caso de que el equipo conectado a la batería demande una corriente superior a 10 A la capacidad de la batería, la capacidad bajará… ¿cuánto?

Según la curva de descarga de la batería que nos facilita el fabricante

En estas tablas se observan las diferentes intensidades (A) y tensiones (V) que es capaz de suministrar la batería en un determinado tiempo la batería, a una determinada temperatura.

En todas ellas se constata que la potencia instantánea (P=V.I) que puede suministra una batería en un determinado momento, es distinta según la intensidad a la que estemos descargando.

Ilustración 1 curvas de descarga de baterías de litio ferro fosfato en condiciones ideales – KUANTICA HYBRID SOLAR TECHNOLOGIES

De ahí que muchos fabricantes de baterías definan varios parámetros según las corrientes de descarga (según la química de la batería). Y que hagan lo mismo los fabricantes de equipos de acumulación, pudiendo definir diferentes tipos de potencias en base al tiempo de uso, atendiendo a la curva de descarga de la batería que han integrado:

⦁ Descarga continua máxima / Potencia de salida continua (a intensidad nominal)
⦁ Descarga de ráfaga (hasta 5 segundos) / Potencia de arranque (5 segundos)
⦁ Carga continua máxima
⦁ Carga rápida

En ocasiones los fabricantes de las baterías especifican la tasa de carga/descarga precediendo a la letra C, “xC”. En este caso, se trata de una relación que toma como 1 h, las horas nominales de carga/descarga, o lo que es lo mismo: “xC1”. Pudiendo obtener las horas nominales de carga/descarga, dividiendo 1 entre el numero que precede a la C.

Ejemplos:

⦁ Corriente de carga máxima: 0,5C

El fabricante nos esta indicando que la batería requiere de 2 horas en el mejor de los casos para cargarse por completo.

⦁ Corriente de descarga estándar: 0,2C

El fabricante nos esta indicando que la batería requiere de 5 horas para poder entregar el total de la energía que lleva almacenada sin perdidas.

Por ultimo, existen descripciones de baterías o aplicaciones que marcan tasas de descarga/carga por encima de 1C (1 hora). Si tomáramos como ejemplo una batería de 100kWh, con una curva de descarga 2C, hipotéticamente sería capaz de entregar esos 100kWh en 30 minutos, por lo que la potencia instantánea capaz de entregar la batería seria de 200kW. Pero hay que tener en cuenta que esto no significa que la batería se pueda cargar o descargar completamente con esta potencia constante. Es sólo una relación de la potencia instantánea (en un momento dado) en relación con la capacidad de la batería.

La realidad es que trabajar con potencias instantáneas por encima de la capacidad de la batería (100kWh), es algo desaconsejado por todos los fabricantes de baterías (ejemplo las baterías de los vehículos eléctricos distinguen entre batería total y batería útil, siendo esta segunda menor). Dimensionando siempre con un margen del 50% o 100% adicional para una mayor longevidad de la batería. Con una tasa de descarga continua máxima recomendada 1C o C1 (baterías por ejemplo de la familia NCA (LiNiCoAlO2)) aun pudiendo ser mucho más alta si no le importa perder parte de su vida útil (ciclos de carga y descarga). Los valores altos de C representan una mayor potencia, una carga y descarga más rápidas y más estrés en la batería.


ENG

In that facilities/equipment in which batteries are the only means of energy storage, it is essential to understand the parameters that define them, in order to size them with sufficient storage capacity for the use that we are going to give them. Furthermore, if these batteries are part of a portable/portable element, the weight/capacity variable is also quite significant and must be considered when defining the necessary capacity.

A 1kWh Battery = 10kg = 6.6km of autonomy for an electric vehicle*

*Average of European and American standards

The operating principle of the battery is based on the conversion of chemical energy into electricity and unlike batteries, they allow the chemical energy to be reconverted again (a rechargeable battery becomes a battery). But in no case do they have the capacity to generate energy by themselves, in fact, before leaving the factory they have to be charged.

The capacity of a battery is measured in Amps per hour (Ah) and expresses the continuous current that the battery can supply in 1 hour of use, maintaining the supply voltage (“working capacity”) under specific conditions at a given temperature.

If we attend to the expression of the calculation of the capacity of a battery: C = a.t (in Ah)

Where «C» is the battery capacity, «a» the intensity (in amps) and «t» in operating time (in hours), and here lies the mistake that is often made…

We could think that a group of 300 Ah batteries could deliver 30 Amps (A) for 10 hours, or half the current 15 A for twice the time 20 hours, based on keeping the product of current expressed in A constant and the time expressed in hours: 300 Ah.

But… the reality is not

In practice, the discharge of a battery does not have a linear behavior, nor is it ideal, it is not possible to obtain as many amps, even in a short time as we want, because there is a saturation phenomenon that causes that as we ask to the battery large amounts of current, the capacity decreases and does not supply the total (even if only for 1h).

To avoid this confusion, battery manufacturers specify the value of the capacity with a number next to the letter “CX” (rate of charge or discharge), that X being the nominal hours of discharge. That is, the hours that the battery requires to be able to deliver the total energy that it has stored without loss.

Let’s continue with the example of the 300 Ah battery:

If the manufacturer gives us a 300 Ah battery with a “C30” capacity, it means that the 300 Ah capacity is quantified in a 30-hour discharge (C30) and from this it follows that the nominal discharge current that the battery will provide in our installation it will be: 10 A (300/30). In the event that the equipment connected to the battery demands a current greater than 10 A of the battery capacity, the capacity will drop… how much?

According to the battery discharge curve provided by the manufacturer

These tables show the different currents (A) and voltages (V) that the battery is capable of supplying in a given time, at a given temperature.

In all of them it is verified that the instantaneous power (P=V.I) that a battery can supply at a given moment is different depending on the intensity at which we are discharging.

Illustration 1 discharge curves of lithium ferrophosphate batteries under ideal conditions – KUANTICA HYBRID SOLAR TECHNOLOGIES

Hence, many battery manufacturers define various parameters based on discharge currents (based on battery chemistry). And that the manufacturers of storage equipment do the same, being able to define different types of power based on the time of use, considering the battery discharge curve that they have integrated:

• Maximum Continuous Discharge / Continuous Power Output (at rated current)
• Burst Discharge (up to 5 seconds) / Cranking Power (5 seconds)
• Maximum continuous load
• Fast charge

Sometimes battery manufacturers specify the charge/discharge rate preceding the letter C, “xC”. In this case, it is a relation that takes as 1 h, the nominal charge/discharge hours, or what is the same: “xC1”. Being able to obtain the nominal hours of charge/discharge, dividing 1 by the number that precedes the C.

Examples:

  • Maximum charging current: 0.5C

The manufacturer is indicating that the battery requires 2 hours in the best case to fully charge.

  • Standard discharge current: 0.2C

The manufacturer is telling us that the battery requires 5 hours to be able to deliver the total energy it has stored without loss.

Lastly, there are descriptions of batteries or applications that mark discharge/charge rates above 1C (1 hour). If we take as an example a 100kWh battery, with a 2C discharge curve, hypothetically it would be able to deliver those 100kWh in 30 minutes, so the instantaneous power capable of delivering the battery would be 200kW. But keep in mind that this does not mean that the battery can be fully charged or discharged with this constant power. It is just a ratio of the instantaneous power (at a given moment) in relation to the capacity of the battery.

The reality is that working with instantaneous powers above the battery capacity (100kWh) is something discouraged by all battery manufacturers (for example, electric vehicle batteries distinguish between total battery and useful battery, the latter being less). Always sizing with a margin of 50% or 100% additional for greater battery longevity. With a recommended maximum continuous discharge rate 1C or C1 (batteries for example from the NCA family (LiNiCoAlO2)) although it can be much higher if you don’t mind losing part of its useful life (charge and discharge cycles). High values ​​of C represent higher power, faster charging and discharging, and more stress on the battery.

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