¿Cómo hacer un calentador eficiente a pequeña escala alimentado por una batería?

El calor específico de una batería de ión LI 18650 es de 0,83 J / gK. El peso es de 46,5 g. Para convertir mAh a julios, necesita conocer el voltaje. Si está trabajando a 3.6 voltios, 500 mAh = 1.8 vatios-hora. Como un joule es de 1 vatio-segundo, multiplíquelo por 3600 para obtener 6480 joules. Necesita 0,83 * 46,5 o 38,6 J para que cada celda aumente la temperatura 1 grado K (o C). Por lo tanto, 6480 J aumentaría la temperatura de una sola celda en 167 ° C en un ambiente perfectamente aislado. La adición de una superficie de aluminio solo agrega calor específico, por lo que solo necesita un poco de papel de aluminio para evitar un punto caliente. Solo aísle bien las baterías y colóquelas en cualquier tipo de carga resistiva que haga felices a sus baterías. La eficiencia estará en función del aislamiento; Básicamente toda la energía irá al calor. Por supuesto, si usa una carga pequeña, tomará más tiempo y su aislante imperfecto causará la pérdida de algo de calor, por lo que no querrá una carga demasiado pequeña. Además, no permita que las baterías se calienten demasiado.

Antes de saltar a una solución para mantener la temperatura de la batería, es valioso examinar los efectos de la temperatura en la energía disponible de la batería. El OP no nombró una batería específica, por lo que para este ejemplo, usaré una batería compuesta por dos celdas Panasonic NCR18650b. Esta es una celda nominal de 3400 mAh, 3,7 V según las especificaciones del OP. El OP tampoco especificó una temperatura ambiente, por lo que usaré 0C para este análisis.

Aquí están las características de descarga basadas en la temperatura:

La mayoría de los componentes electrónicos RC alimentados por una batería compuesta por dos de estas celdas probablemente no funcionarán a un voltaje de 2.5 voltios por celda, por lo que restringiré mis comentarios a un corte de 3.0 voltios por celda o 6 voltios para la batería.

Note la brecha en la capacidad de descarga entre 0C y 25C a 3 voltios. Se trata de un diferencial de descarga de 500 mAh. Rápidamente se hace evidente que este es el presupuesto disponible para mantener la temperatura de la batería a 25 ° C mientras se gasta energía para lograr este objetivo. Si se gasta más energía que esta para alcanzar la meta de temperatura, el esfuerzo es contraproducente.

Por lo tanto, nuestro presupuesto máximo de calefacción es de 500 mAh en un tiempo de vuelo de 3 horas o 167 mA. El voltaje nominal de la batería es de 7.4 voltios, lo que produce un presupuesto máximo de calefacción de 1.23 vatios.

Suponiendo que el paquete de baterías comienza a 25 ° C, un análisis de primer orden indica que se necesitaría una caja de poliestireno (0.033 W / mk) con paredes de más de una pulgada de espesor para cumplir con este presupuesto de energía. La caja sería de más de 3.5 x 4.5 x 2.75 pulgadas. Esto supone un coeficiente de transferencia de calor moderado (50 vatios / m ² C) dadas las condiciones de vuelo y sin calentamiento propio de la batería de descarga. Intentar calentar una caja de poliestireno de menos de este espesor resultará en una pérdida neta de la capacidad de la batería.

Se puede obtener alguna ventaja al calentar inicialmente la batería a su temperatura de funcionamiento máxima permitida justo antes de TO. Si bien no se especifica la capacidad de calor de la celda, estimaría que el precalentamiento de la batería a 40 ° C ahorraría ~ 0.2 vatios.

Todos los calentadores son 100% eficientes, en el sentido de que todos los vatios eléctricos salen como vatios térmicos. Solo asegúrate de usar el calor que sale de lo que se está calentando.

Si el propósito de calentar la batería es aumentar la capacidad entregada, entonces es algo contraproducente, ya que la energía requerida para calentar reducirá la capacidad que se puede entregar a una carga.

La temperatura de algo es una función de la potencia que entra y la tasa de pérdida de calor. Minimice la pérdida de calor y minimizará la potencia para alcanzar una temperatura determinada.

Idealmente, la batería se mantendría caliente con el calor residual generado en la resistencia interna de la batería a cargas normales, llamémoslo 'calentamiento libre'. Esto será pequeño.

El mejor aislamiento económico disponible actualmente es la espuma de PU, con una conductividad de alrededor de 0.02 unidades SI. Rockwool, aunque no es tan aislante, es a prueba de incendios, por lo que vale la pena pensar en las baterías de Li en un avión.

Tu plan debe ser
a) caliente la batería en un horno de vuelta a la base a su temperatura máxima de funcionamiento segura
b) póngalo en la caja aislante, llévelo al avión

Organice su caja para que sea lo suficientemente aislante para que al final del vuelo, dada su temperatura ambiente, junto con el calor generado por el funcionamiento normal, la temperatura no haya descendido por debajo de su mínimo objetivo.

Una caja con este aislamiento puede hacer que la batería se sobrecaliente si hay un exceso de carga, necesitará fusibles y protección térmica en la batería.

El agua tiene una capacidad térmica específica mucho mayor que las baterías. Es posible que desee hacer una pequeña botella de agua caliente para sus células, lo que mejoraría significativamente la constante de tiempo térmico, si puede tolerar el exceso de peso.

No es aconsejable utilizar la resistencia interna de la batería para calentarla si ya está fría, ya que la razón por la que no quiere que se enfríen es que se degradan de manera molesta si se descargan cuando están frías, por lo que luego se descargan al calor arriba es .... derrotar el propósito. Puede usar un drenaje de corriente pulsada para mantenerlos calientes una vez que estén, o incluso confiar en el consumo de corriente estática del sistema para mantenerlos calientes, pero eso implica un buen conocimiento de sus células y sistema y algunas matemáticas adicionales o muy buenas adivinanzas .

Cualquier "cable de personas normales" tiene resistencia. Tengo que agregar el bit citado estos días para evitar que la gente gime sobre los súper conductores, pero si vuelas a temperaturas tan bajas, contrata a expertos para que te ayuden ;-).

En un proyecto profesional usaría un elemento de calefacción bien controlado para generar calor, pero en proyectos de pasatiempo personal sucedió que tomé un cable muy delgado, como el cobre esmaltado AWG38 que encontré en alguna parte, y alrededor de cada celda. Hasta que llegué a un total de decenas de ohmios, tal vez cientos, dependiendo de la energía que esperaba necesitar, bits en serie o en paralelo, todo es posible. Luego puede alimentar esa energía con una pequeña cantidad de energía para calentar las celdas desde el exterior, una cantidad de corriente mucho menor que la que necesita para impulsar la batería, lo que también reduce las pérdidas en el control de ese esquema de calentamiento. Pero en lugar de un cable delgado, puede usar un cable resistivo, que depende de cuál sea el proceso más fácil para usted. Un montón de delgadas, o varias rotaciones de resistividad. Cuando use un montón de alambre delgado, intente usar algo como el alambre esmaltado, de lo contrario, evitar los cortocircuitos es difícil, porque no quiere plástico, quiere buen contacto. Con resistivo, asegúrese de no aumentar la potencia demasiado, ya que el plástico de las baterías podría derretirse cuando hay un mal contacto y eso podría causar cortocircuitos en la carcasa de metal. O agregue pasta térmica y contracción térmica alrededor del objeto terminado.

El siguiente paso es controlar el elemento con un circuito de amplificador operacional o con un microcontrolador, del cual muchos se pueden encontrar en Internet. Sospecho que el "control del calentador de bajo voltaje" podría ser un buen término de Google.

O asegurarse de que la fuga de calor hacia el exterior y el calor generado constantemente sea tal que el sistema se equilibre naturalmente entre 10 grados y 30 grados dependiendo de la temperatura exterior, donde simplemente enciende el calentador cuando hace frío.

En cualquier caso, si desea un bajo consumo de energía, incluirá el aislamiento del laminador. Cuanto mejor sea el aislamiento, menor será la cantidad de energía que necesita para mantenerlos calientes. Con aislamiento infinito no necesitas energía para mantenerlos calientes. Pero eso será ... difícil.

Yo diría que con (muy) buen aislamiento, suponiendo que apunta a un buen funcionamiento a una temperatura inferior a -20 ° C en el exterior, debería poder hacerlo con 1W o menos para mantenerse caliente. Tal vez necesitarías un elemento extra para calentarlos inicialmente con un poco más de poder. Pero una vez más, el calentamiento se realiza mejor con una pequeña corriente con paciencia, ya que cuando las corrientes de frío no son lo mejor para las baterías de ión de litio.

Para los requisitos de potencia y todo lo demás, deberá investigar un poco los niveles más bajos de lo que se llama "termodinámica". Los materiales aislantes tienen una resistencia térmica, lo que significa que a una cierta diferencia de temperatura pierden cierta cantidad de energía. Cuantas más capas utilice, más resistencias en serie, menor será la fuga. Busque la conductividad térmica y / o la resistividad térmica, para encontrar la resistencia del cable (eléctrica en este caso) que necesita para buscar cosas como "Ley de Ohm" y "corriente, voltaje y potencia". Power in Watts se relaciona con Joules a través del tiempo, por E = P * t, te daré eso como un regalo. Donde E es energía en julios, P es potencia en vatios y t es tiempo en segundos.

Una vez que haya aprendido un poco sobre lo anterior y descubra qué tipo de aislamiento podría emplear y qué tipo de cable (o trucos de resistencia de la batería interna, eso depende de usted), siempre puede regresar aquí o Física o esas pilas con nuevas preguntas.