Híbridos y Eléctricos

COMPORTAMIENTO DE CARGA BATERÍAS LFP

¿Por qué Tesla recomienda cargar las baterías LFP al 100 %? La clave está en el voltaje

Gracias al bajo voltaje al que trabajan en comparación con otras químicas ternarias, las baterías LFP ofrecen un mejor comportamiento durante la recarga aumentando significativamente el ciclo de vida.

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El comportamiento de las celdas de batería LFP durante la carga en comparación con otras químicas explica la razón por la que Tesla recomienda cargar estas baterías al 100 % de manera habitual.

La web pushevs.com ha publicado un pequeño estudio en el que muestra las razones por las que las baterías LFP (litio ferrofosfato, LiFePO4) ofrecen un mejor comportamiento durante la recarga que otras químicas de baterías ternarias. La clave que explica por qué las baterías LFP ofrecen una vida útil muy superior está en el voltaje al que trabajan, entre 3,2 y 3,65 voltios, inferior al que se emplea en las baterías NCM.

Las baterías LFP han comenzado a recibir atención por parte de la industria del automóvil desde que Tesla decidió implementarlas en el Model 3 de Autonomía estándar que fabrica en Shanghái. Utilizan fosfato como material para el cátodo y un electrodo de carbón grafítico como ánodo. Tienen largos ciclos de vida, buena estabilidad térmica y trabajan bien en el sentido electromecánico. Su mayor inconveniente está en su baja energía específica, que se traduce en una reducción de la densidad de energía respecto a otras tipologías. A cambio su coste es menor, puesto que no precisan de cobalto, un material caro y complicado de conseguir.

El voltaje de carga y las distintas químicas de batería

Las celdas LFP funcionan a voltajes nominales de 3,2 voltios por lo que la conexión de cuatro celdas dará como resultado una batería de 12,8 voltios. Por eso, hasta ahora, la química LFP era la mejor para reemplazar las baterías de ciclo profundo de plomo-ácido en diversas aplicaciones. Precisamente, ha sido su baja densidad energética la que ha limitado su empleo en vehículos de gran tamaño, ya que su coste es significativamente inferior y son más seguras. Esta situación ha llevado a que sea el mercado chino el primero que ha adoptado esta tecnología, razón por la que el 95 % de las baterías LFP se fabrica allí.

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Tabla comparativa de las diferentes químicas de baterías según Tesla.

Según el análisis comparativo realizado por pushevs.com en relación con las condiciones de trabajo de cada una de las químicas se advierte un patrón de comportamiento que relaciona los ciclos de carga y descarga que soporta cada química de baterías y el voltaje de trabajo.

Las celdas con ánodo LTO y (titanato de litio) cátodo LMO (óxido de litio y manganeso) NCM (níquel, óxido de cobalto y manganeso) funcionan a una tensión nominal de 2,3 voltios y a una tensión máxima de 2,9 voltios. Como resultado de estos bajos voltajes de funcionamiento pueden soportar hasta 100.000 ciclos de vida (carga y descarga)

Como decíamos, las celdas con ánodo de grafito y cátodo LFP trabajan a una tensión nominal de 3,2 voltios y máxima de 3,65 voltios. Con estos voltajes, también bajos, se logran alcanzar hasta 12.000 ciclos de vida.

Sin embargo, las celdas con ánodo de grafito y cátodo NCM (níquel, óxido de cobalto y manganeso) o NCA (níquel, cobalto, óxido de aluminio) son las que trabajan a tensiones más elevadas, siendo la nominal 3,7 voltios y la máxima 4,2 voltios. En estas condiciones no es de esperar que se puedan lograr más de 4.000 ciclos de carga y descarga.

El electrolito líquido que se sitúa entre los dos electrodos de una batería, por el que viajan los iones de litio, es químicamente más estable si el voltaje de trabajo es más bajo. En parte, por esa razón las celdas de batería LTO que funcionan a 2,3 voltios y las LFP, a 3,2 voltios, ofrecen un ciclo de vida mucho mejor que las celdas de batería NCM o NCA que alcanzan los 3,7 voltios.

Cuando la carga de la batería es mayor y por lo tanto el voltaje es más alto el electrolito líquido comienza a corroer lentamente los electrodos de las celdas. Por esta razón, todavía no están disponibles celdas de batería que empleen espinela en el cátodo, un mineral formado por manganeso y aluminio que podría trabajar a 5 voltios, pero que requiere de nuevos electrolitos y la mejora de los recubrimientos de los electrodos para evitar la corrosión.

Esta es la razón por la que es conveniente mantener las baterías en un SoC (estado de carga o porcentaje de carga) lo más bajo posible, ya que funcionará a voltajes más pequeños y se alargará su ciclo de vida.

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Tesla Model 3 con baterías LFP fabricado en Shanghái.

Tesla y la recarga de las baterías LFP

Según explica pushevs, en este punto es conveniente aclarar la recomendación que Tesla hace a los clientes que adquieran uno de sus coches eléctricos con baterías LFP. En el manual del vehículo se advierte que es conveniente cargar completamente la batería de forma regular, sin preocuparse, como en el caso de otras químicas, de alcanzar el 100 %, a menos que sea realmente necesario: “Si su vehículo está equipado con una batería LFP, Tesla recomienda que mantenga el límite de carga al 100 %, incluso para el uso diario, y que también cargue completamente al 100 % al menos una vez por semana. Si el Model 3 ha estado estacionado durante más de una semana, Tesla recomienda conducir como lo haría normalmente y cargarlo al 100 % lo antes posible”.

Esta recomendación, aunque pueda parecer engañosa, no significa que las baterías LFP sean inmunes a la degradación asociada a las carga frecuentes completas. La razón por la que Tesla hace esta advertencia a los propietarios de un Model 3 sí puede resultar algo confusa. El objetivo de que la carga alcance el 100 % es poder estimar de la manera más precisa posible la capacidad restante en la batería. De este trabajo se encarga el BMS (Battery Management System) que es el sistema que vigila y controla los parámetros de la recarga de cada una de las celdas de su interior.

En comparación con otras químicas la curva de carga y descarga de las baterías LFP es extremadamente plana. El voltaje aumenta cuando la batería está prácticamente llena y cae cuando está casi vacía, mientras que en los puntos intermedios se mantiene muy estable. En estas circunstancias el BMS tiene complicado establecer exactamente el porcentaje de batería restante (SoC) en los puntos intermedios. El resultado sería que el sistema puede indicar una capacidad restante del 20 % y al poco tiempo reducirla a un 5 %, como fruto de un error de cálculo propiciado por esta circunstancia.

Sin embargo, cara al servicio al cliente, para Tesla es más importante tener un dato fiable de la capacidad de batería restante a que se produzca una mayor degradación de la batería que, por otro lado, ofrece un ciclo de vida muy grande y tardará en dar la cara. El propietario del coche eléctrico observará antes el error de la indicación del SoC que la degradación, lo que provocaría un mayor número de reclamaciones. Tesla sabe que incluso cargando completamente las baterías LFP de manera habitual su voltaje promedio seguirá siendo más bajo que el de las baterías NCM o NCA funcionando a media carga.

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Curvas de carga y descarga de las baterías según la química del cátodo. Las celdas LFP presentan una curva prácticamente plana hasta alcanzar los porcentajes más altos de carga.

Como conclusión, para aquellos que quieran mantener sus batería de litio en buen estado, lo mejor es que las recargas se realicen en la horquilla del 20 al 70 %. Por otro lado, si se quiere mantener una información fiable sobre el SoC de la batería lo mejor es llevarla al 100 % con cierta frecuencia. Un término medio entre estas dos estrategias puede ser, quizás, el compromiso más adecuado. De manera general, las recargas de una batería LFP se pueden hacer sin alcanzar los límites y, por ejemplo, una vez a la semana, cargar al 100 %, evitando, eso sí, sin dejar la batería así un tiempo prolongado. También es aconsejable observar el comportamiento del medidor de porcentaje d para comprobar si ofrece informaciones confusas con caídas importantes de capacidad en pocos minutos.

Este artículo está basado en el publicado anteriormente por pushevs.com

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