Tasa de liberación de calor: definición, fórmula y gráfico

En el desarrollo de productos, ciertas pruebas son rutinarias. Esta no es una de ellas. Al crear componentes como baterías avanzadas o nuevos materiales de construcción, es responsable de saber con precisión cómo se comportarán en caso de incendio.

Creemos que un enfoque preciso en la tasa de liberación de calor (HRR) es una de las cosas más productivas que puede hacer un equipo de producto. Llevamos años en este campo y podemos asegurarle que acertar con esta cifra es lo que distingue un producto verdaderamente seguro de un incidente de seguridad grave. Se trata de tener una visión clara de a qué se enfrenta antes de que sea demasiado tarde.

Ahora analicemos qué es HRR, por qué es tan importante para las aplicaciones de baterías y cómo leer correctamente los resultados de una prueba.

Puntos clave

• La velocidad sobre la cantidad: La tasa de liberación de calor (TRC) mide la rapidez con la que un material libera calor, en lugar de la energía total que retiene. Esto la convierte en el mejor indicador de la rapidez con la que se propaga un incendio.
• Fundamental para la seguridad de la batería: En el caso de los vehículos eléctricos y el almacenamiento de energía, HRR predice si una falla en una sola celda quedará contenida o provocará una explosión catastrófica en todo el conjunto.
• La cima es lo que más importa: La tasa máxima de liberación de calor (pHRR) es el dato más importante para los ingenieros de seguridad. Revela la intensidad máxima del incendio y el peor escenario posible para su producto.
• Cálculo automatizado: Las pruebas modernas se basan en el principio del consumo de oxígeno. Recomendamos el uso de sistemas automatizados para gestionar fórmulas complejas y garantizar datos precisos sin errores humanos.
• Prueba de cumplimiento: Cumplir con estándares como UL 9540A requiere equipos de alta fidelidad. Soluciones como El calorímetro del módulo de batería Proporcionar los datos exactos necesarios para validar sus diseños de seguridad.
   

Entonces, ¿qué es la tasa de liberación de calor?

La definición oficial de tasa de liberación de calor es la velocidad a la que un material libera energía térmica al arder, medida generalmente en kilovatios (kW). Una forma más práctica de representarla es como el acelerador de un incendio.

Es fácil confundir esto con la cantidad total de energía que contiene un material, pero sería un error. Para apreciar la diferencia, piense en un tronco de madera pesado y en un cubo de gasolina. De hecho, podrían contener una cantidad similar de potencial energético total. Sin embargo, si los enciende, el tronco arde lentamente durante horas (baja RFC), mientras que la gasolina lo libera todo en una enorme bola de fuego instantánea (alta RFC).

En términos científicos, la HRR refleja la intensidad y la severidad de los procesos de combustión (Ping et al., 2015; Voigt et al., 2021; Kim et al., 2022). Una medición precisa en este caso es crucial para evaluar los riesgos de incendio, ya que ayuda a predecir el comportamiento de las llamas y el riesgo de explosión (Ping et al., 2015; Kim et al., 2022; Fu et al., 2015). 

Una cifra que aumenta rápidamente indica un incendio que crece exponencialmente, lo que reduce drásticamente el tiempo de evacuación o extinción. Para un ingeniero, esta es la clase de variable que requiere atención.

Por qué esto es tan importante para las pruebas de batería

Para quienes trabajan en la industria de vehículos eléctricos o almacenamiento de energía, el HRR no son solo datos. Es un predictor clave de fallos del sistema.

Cuando una batería de iones de litio comienza a sobrecalentarse, puede desencadenar una reacción en cadena donde una celda defectuosa desencadena la siguiente. El cálculo de la tasa de liberación de calor indica la probabilidad de que esto ocurra. Las investigaciones indican que la HRR depende en gran medida de factores como la composición química de la batería, su configuración física y el estado de carga (SOC). Un SOC más alto generalmente conlleva una HRR máxima más alta e incendios más intensos (Ping et al., 2015; Kim et al., 2022; Fu et al., 2015; An et al., 2022).

Por ejemplo, considere la diferencia entre las composiciones químicas de las baterías. Una celda LFP (fosfato de hierro y litio) suele producir una curva de calor más baja y plana que una celda NMC (níquel, manganeso y cobalto). La NMC puede presentar un pico de calor agudo y agresivo, mucho más difícil de contener. Comprender estas tasas de generación de calor es vital para el diseño de sistemas eficaces de gestión térmica (Ravdel y Puglia, 2022; Hu et al., 2021).

Por eso, normas como UL 9540A se han vuelto tan importantes para la industria. Sin embargo, creemos que simplemente cumplir una norma es el punto de partida. El verdadero objetivo debería ser llevar su producto al límite utilizando un calorímetro de módulo de batería especializado para que nunca alcance esos límites en la práctica. Así es como se diseña un producto con un verdadero margen de seguridad.

La fórmula y cómo determinamos la tasa

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La ciencia que sustenta esta medición es un principio ingenioso llamado Consumo de Oxígeno. Para la mayoría de los materiales, existe una relación directa entre el calor producido y la cantidad de oxígeno que consume el fuego.

Si bien existen diversos métodos experimentales, incluyendo enfoques de aumento de entalpía sensible, cada uno presenta sensibilidades y limitaciones específicas (Voigt et al., 2021; Vanderwege y Petersen, 2025). Sin embargo, la calorimetría del consumo de oxígeno sigue siendo la base de importantes normas como ASTM E1354 e ISO 5660.

La fórmula de la tasa de liberación de calor del libro de texto se ve así:

Cómo funciona en el laboratorio:

En la práctica, nadie está presente con una calculadora durante una prueba de fuego real. Intentarlo manualmente es simplemente impráctico y propenso a errores. En cambio, el proceso requiere equipos sofisticados.

1. El sistema enciende la muestra en un entorno altamente controlado.
2. Analiza el escape para medir cuánto oxígeno utilizó el incendio.
3. Mide simultáneamente el caudal de dicho escape.

Creemos que confiar en cálculos manuales o sistemas obsoletos es un riesgo innecesario en las pruebas de seguridad modernas. Un sistema contemporáneo, como nuestro... Módulo de batería CalorímetroAutomatiza todo el proceso. Gestiona los cálculos complejos al instante, lo que permite a tu equipo concentrarse en lo más importante: interpretar el impacto de los resultados en tu producto.

Dando sentido a los datos en un gráfico HRR

Tras una prueba, los datos se presentan en un gráfico de la tasa de liberación de calor. Este gráfico proporciona un historial completo del incendio a lo largo del tiempo.

• Encendido: La línea salta desde cero a medida que el material se incendia.
• Crecimiento: Una pendiente ascendente pronunciada es una clara señal de advertencia de un incendio que se está desarrollando rápidamente.
• El pico (pHRR): La característica más reveladora es el pico de la curva. Para visualizarlo, imagine comparar espuma sin tratar con un panel ignífugo. La espuma probablemente crearía una "aguja" terriblemente aguda en el gráfico, representando un pico enorme en segundos. El panel ignífugo, en cambio, se vería más como una colina baja y ondulada. Esa forma lo dice todo sobre el riesgo de descarga disruptiva.
• Decaer: A medida que se consume el material, la línea volverá a caer.

Nuestra opinión profesional es que la HRR Pico (pHRR) es el valor más importante para un ingeniero de seguridad. Una baja producción total de energía tiene poca importancia si la liberación máxima es lo suficientemente intensa como para causar daños inmediatos o propagación.

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Entendemos que el presupuesto es un factor clave. También consideramos que un equipo de prueba adecuado es una inversión crucial para la integridad del producto. Ofrecemos una gama completa de equipos de prueba de baterías precisos y rentables. Están diseñados para gestionar las partes complejas de las pruebas de seguridad, para que pueda confiar en sus datos y en su cumplimiento normativo.

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Referencias

• An, W., Lu, Y., Liu, F., Wang, T., Xu, W. y Wang, Z. (2022). Predicción de la tasa de liberación de calor de baterías de iones de litio 32,650 simples/dobles. Revista de análisis térmico y calorimetría, 148, 2057-2067.
• Fu, Y., Lu, S., Li, K., Liu, C., Cheng, X. y Zhang, H. (2015). Un estudio experimental sobre el comportamiento de combustión de las baterías de iones de litio 18650 utilizando un calorímetro de cono. Revista de fuentes de energía, 273, 216-222.
• Hu, Y., Choe, S. y Garrick, T. (2021). Medición de la tasa de generación de calor y de las fuentes de calor de las celdas de iones de litio tipo bolsa. Ingeniería Térmica Aplicada, 189, 116709.
• Kim, S., Park, S. y Lee, E. (2022). Evaluación del riesgo de explosión durante incendios de baterías de iones de litioRevista de prevención de pérdidas en las industrias de proceso.
• Ping, P., Wang, Q., Huang, P., Li, K., Sun, J., Kong, D. y Chen, C. (2015). Estudio del comportamiento al fuego de baterías de iones de litio de alta energía con ensayo de combustión a escala real. Revista de fuentes de energía, 285, 80-89.
• Ravdel, B., y Puglia, F. (2022). Enfoque termoquímico para determinar la liberación de calor de la batería: fórmula RI². Revista de la Sociedad Electroquímica.
• Vanderwege, B., y Petersen, B. (2025). Impacto de los gradientes térmicos en las pruebas calorimétricas de celdas de bateríaSerie de documentos técnicos de SAE.
• Voigt, S., Sträubig, F., Palis, S., Kwade, A. y Knaust, C. (2021). Comparación experimental de la calorimetría del consumo de oxígeno y el enfoque de aumento de entalpía sensible para determinar la tasa de liberación de calor en incendios de baterías de iones de litio a gran escalaRevista de seguridad contra incendios.