Cómo la temperatura afecta la capacidad, la resistencia interna y la tensión
Índice
LiFePO4-Baterías son una de las tecnologías de batería líderes de nuestra época, y su rendimiento está estrechamente ligado a la temperatura. Ya sea en motores marinos, autocaravanas o sistemas solares, la temperatura influye en su capacidad, su resistencia interna y su tensión de múltiples maneras.
Hoy analizamos en detalle el comportamiento frente a la temperatura de tres muestras de Baterías de fosfato de hierro y litio y extraemos recomendaciones prácticas para un funcionamiento óptimo.
1. Influencia de la temperatura en la capacidad de la batería
A bajas temperaturas la capacidad de la batería disminuye extremadamente rápido, mientras que a temperaturas superiores a la ambiente aumenta más despacio. A -40°C la capacidad es apenas un tercio del valor nominal. Entre 0°C y 60°C la capacidad aumenta de 80% a 110% de la capacidad nominal.
Puntos de transición críticos en el rango de bajas temperaturas:
- A 0°C: 80,2% de la capacidad a temperatura ambiente
- A -10°C: Reducida a 66,4% reduziert
- A -20°C: Solo queda 44,1% verbleibend
Hallazgos importantes:
• La tasa de disminución a -20°C (15,6%) es el doble que a -15°C (7,3%) - por lo tanto se considera -20°C como umbral crítico para las baterías LiFePO4.
• La capacidad de carga y descarga aumenta solo un 10 por ciento a temperatura ambiente.
• Por encima de 50°C la capacidad vuelve a disminuir - a 60°C es igual a la de temperatura ambiente.
Tras 20 horas de almacenamiento a distintas temperaturas y descarga a 0,3C:
- A -20°C: Solo 55% de la capacidad a temperatura ambiente
- A 55°C: Ligero aumento de la capacidad en comparación con 25°C
Temperatura de funcionamiento óptima
Basado en los datos de todas las muestras: 0°C a 50°C es el rango de temperatura óptimo para máxima capacidad y longevidad.
Influencia de la temperatura en la capacidad - Resumen
| Rango de temperatura | Comportamiento de la capacidad | Recomendación |
|---|---|---|
| < -20°C | Pérdida extrema de capacidad (<50%) | Evitar |
| -20°C a 0°C | Pérdida significativa de capacidad (44-80%) | Usar calentador |
| 0°C a 25°C | Aumento leve (80-100%) | Ideal |
| 25°C a 50°C | Capacidad máxima (100-110%) | Óptimo |
| > 50°C | Descenso de capacidad | Se necesita refrigeración |
2. Influencia de la temperatura en la resistencia interna
Curvas de la resistencia interna óhmica durante la carga de la batería para cada valor de SOC a tres temperaturas 
Curvas de la resistencia interna de polarización de carga de la batería correspondientes a cada valor de SOC a tres temperaturas
Curvas de la resistencia interna total de la carga de la batería correspondientes a cada valor de SOC a tres temperaturas
Curvas de la resistencia interna óhmica de la batería durante la descarga correspondientes a cada valor de SOC a tres temperaturas
Curvas de la resistencia interna de polarización en descarga de celdas que corresponden a cada valor de SOC a tres temperaturas
Curvas de la resistencia interna total de baterías descargadas correspondientes a cada valor de SOC a tres temperaturas• En un amplio rango de SOC (0,3-1,0) la resistencia interna se mantiene estable a temperatura constante
• A bajo SOC (<0,1) la resistencia aumenta drásticamente
• La resistencia de polarización aumenta más rápido que la resistencia óhmica
Al disminuir la temperatura aumentan tanto la resistencia óhmica como la de polarización. La resistencia óhmica sin embargo es más sensible a la temperatura, ya que depende principalmente de la conductividad iónica del electrolito, que disminuye con el frío.
• El cambio de resistencia es más pronunciado a bajas temperaturas
• A 25°C el comportamiento se asemeja más al de 40°C que al de 10°C
• Cuanto más baja la temperatura, más fuerte aumenta la resistencia al disminuir el SOC
• La resistencia óhmica aumenta con la disminución de la temperatura más que la resistencia de polarización
• Bajo 0°C la resistencia total aumenta de forma mucho más marcada
• A temperaturas superiores a 0°C la resistencia óhmica es independiente del SOC
Idea clave: Composición de la resistencia
La resistencia óhmica domina la resistencia total y puede constituir hasta 92,13%. Por ello, reducir la resistencia óhmica es decisivo para mitigar la generación de calor.
Resistencia interna y temperatura - Resumen
| Parámetro | Influencia de la temperatura | Implicación práctica |
|---|---|---|
| Resistencia óhmica | Mayor sensibilidad a la temperatura | Causa principal de generación de calor |
| Resistencia de polarización | Menor sensibilidad a la temperatura | Aumenta antes a bajo SOC |
| Resistencia total | Aumenta exponencialmente con el frío | Crítica por debajo de -5°C |
| Rango de SOC óptimo | 0,2-0,8 para resistencia estable | Mantener para mejor rendimiento |
3. Influencia de la temperatura en la tensión en vacío (OCV)
La tensión en vacío (OCV) de las baterías LiFePO4 aumenta con el SOC, pero se mantiene relativamente plana en el rango medio de SOC (0,3-1,0). Por debajo de SOC 0,3 la tensión cae bruscamente.
• Las curvas de OCV para carga y descarga difieren ligeramente
• Tras una pausa la tensión se aproxima al valor real de OCV
• Temperaturas más bajas suelen producir curvas de OCV más bajas
Fundamentos termodinámicos
La OCV está determinada por la ecuación de Nernst y depende de la FEM estándar, la temperatura termodinámica y la concentración de los reactivos. En el rango de 10-40°C las diferencias de OCV son mínimas.
OCV y temperatura - Resumen
| Factor | Influencia en la OCV | Observaciones |
|---|---|---|
| Temperatura (10-40°C) | Baja | Diferencias a menudo despreciables |
| SOC | Factor determinante principal | Estable en el rango medio (0,3-0,8) |
| Temperatura <10°C | Influencia más marcada | Las desviaciones aumentan |
| Historial de carga/descarga | Diferencias ligeras | Compensables por relajación |
Resumen y recomendaciones
Conclusiones clave del análisis
1. Rango de temperatura óptimo: 0°C a 50°C
2. Influencia del frío:
- -20°C es el punto crítico para pérdidas de rendimiento drásticas
- Pérdida significativa de capacidad y resistencia interna fuertemente aumentada
3. Influencia del calor:
- Más de 50°C puede causar pérdida de capacidad a largo plazo
4. Resistencia interna:
- La resistencia óhmica es la más sensible a la temperatura
- A bajas temperaturas y bajo SOC la resistencia aumenta notablemente
- Para un funcionamiento eficiente mantener SOC entre 0,2 y 0,8
5. Tensión en vacío (OCV):
- Determinada principalmente por el SOC
- Más estable en el rango medio de SOC
- La temperatura tiene solo una influencia menor (10-40°C)
Recomendaciones prácticas para usuarios
- Usar sistemas de gestión térmica (calefacción/refrigeración) en entornos extremos
- Evitar descargas profundas especialmente a bajas temperaturas
- Mantener el rango de SOC entre 20% y 80% para un rendimiento óptimo
- Supervisar la temperatura de la batería en tiempo real en aplicaciones exigentes
- Dejar que las baterías después de cargar/descargar descansen suficientemente, para obtener mediciones precisas de OCV
LiFePO4-Baterías ofrecen, con su alta seguridad y larga vida útil, un rendimiento excelente para aplicaciones de tracción y almacenamiento. Comprender sus propiedades térmicas permite un manejo científicamente fundamentado que prolonga la vida útil y aumenta la eficiencia.
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