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Determinando el estado de salud de las baterías de manera rápida y precisa

Cuando las baterías de iones de litio (Li-ion) envejecen, disminuye su rendimiento. Los métodos actuales todavía requieren test de laboratorio para determinar con qué rapidez y en qué medida ocurre esto. Por el contrario, un procedimiento desarrollado por la Universidad Técnica de Chemnitz (Alemania) ahora permite llevar a cabo un diagnóstico rápido y preciso y garantiza una comprobación fiable del estado de salud (SoH) y de la vida útil remanente (RUL) de las baterías Li-ion. En este contexto, RUTRONIK, como socio de investigación (research partner), ofrece al centro universitario el soporte de la industria.

Las baterías Li-ion se han convertido en el sistema de almacenamiento de energía preferido en un gran número de aplicaciones, por ejemplo, como batería de arranque en automóviles convencionales y, sobre todo, en vehículos eléctricos, entornos sanitarios, herramientas profesionales, robots móviles y sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI). En todos estos casos, el estado de salud de la batería tiene un efecto directo en la capacidad del sistema. Desde el punto de vista de los coches eléctricos, los principales argumentos comerciales son tanto la autonomía como una buena aceleración y dependen de la batería. En aplicaciones que demandan la máxima seguridad, como sistemas de respaldo (backup) o equipos médicos móviles (por ejemplo, desfibriladores), resulta esencial saber que la batería suministrará la energía requerida cuando se necesite.

Determinando el estado de salud de una batería

Además de su actual estado de carga (SoC), el verdadero factor determinante aquí es la edad de la batería. En función de las reacciones químicas complejas en el interior de la batería, existe una degradación gradual en el rendimiento con el paso del tiempo y, en consecuencia, el estado de salud (SoH) sufre. El SoH refleja la ratio entre la capacidad práctica máxima y la capacidad teórica de una batería: por ejemplo, una batería de 100 Ah con una SoH del 80% tiene una capacidad residual de 80 Ah. Resulta muy difícil determinar o predecir con qué rapidez envejecerá una batería o las celdas individuales del paquete de batería. Por un lado, la capacidad no se puede medir directamente y, por el otro, el proceso de envejecimiento está influenciado por muy diversos factores, como la condición individual de la batería, el comportamiento de carga y la temperatura. La determinación del SoH es esencial a la hora de evaluar la vida de la batería. Según la aplicación actual, el fin de su vida se produce con un SoH de entre el 70 y el 80%. Entonces, la batería comienza a permutar frecuentemente entre la “primera vida” y la “segunda vida”, se puede utilizar en una aplicación que demande menos capacidad. Por ejemplo, las baterías del coche eléctrico se emplean como sistemas de almacenamiento de energía estacionaria para unidades fotovoltaicas (PV) durante su segunda vida. La capacidad máxima remanente de la batería en la respectiva aplicación se refiere a la vida útil remanente (RUL).

Los procedimientos complejos ofrecen predicciones poco fiables

Dado que no es posible simplificar la medición de la capacidad remanente para determinar el SoH y la RUL, en la actualidad se usan procedimientos relativamente complejos y, a menudo, imprecisos: Antes de instalar la batería, hay que recoger un amplio rango de datos en el laboratorio para poder caracterizar el tipo de batería. Se utilizan cálculos algorítmicos para poder crear una tabla de búsqueda o un modelo empírico que describa la batería en los puntos de trabajo definidos y en varias aplicaciones. Los datos se guardan en el sistema de gestión de la propia batería y el final de la vida de la batería se predice mediante la comparación de la información almacenada. El estado actual de la batería en operación, de hecho, no se mide más. Ni que decir tiene que los datos base para el sistema de gestión de batería siguen siendo muy imprecisos. Un culombímetro, que mide el caudal de carga que entra y resta la carga que sale, se utiliza a menudo para determinar la capacidad. Entonces, los datos se comparan con el modelo para sacar las conclusiones acerca del SoH y de la RUL. Aunque este método ofrece unos valores relativamente imprecisos, el fin de la vida de batería determinado puede variar considerablemente desde la situación actual. El resultado: Para asegurar la vida de batería garantizada, los fabricantes tienen que instalar más celdas de batería de las necesarias en el instrumento o el vehículo como un elemento de seguridad. Alternativamente, deben reducir algo los valores especificados que dependen del estado de la batería como, por ejemplo, el alcance del coche y el periodo de la garantía de la batería montada en un vehículo eléctrico. En ambos casos, implica que no se utiliza toda la capacidad de la batería.

Utilización total de las baterías

Para mejorar el uso de la batería significativamente, el Departamento de Tecnología de Medición y Sensor de la Universidad Técnica de Chemnitz ha desarrollado un procedimiento que permite un diagnóstico preciso de una batería totalmente operativa en unos pocos minutos. También aporta información online fiable acerca de SoH y RUL. RUTRONIK respalda estas investigaciones como parte de su colaboración en tesis de másteres y licenciaturas y suministra componentes electrónicos y herramientas de desarrollo. Como distribuidor oficial y proveedor de las baterías Li-ion de Samsung SDI, RUTRONIK coopera estrechamente con el fabricante y, por ende, se convierte en el partner de investigación que garantiza la transferencia del conocimiento indispensable en todos los aspectos, tanto en celdas de batería como sistemas de gestión de batería.

Valores precisos con espectroscopia de impedancia

El Departamento de Tecnología de Medición y Sensores desarrolla sistemas basados en espectroscopia de impedancia. Esto permite la medición y la evaluación de los procesos internos de la batería como transferencia de carga, degradación de electrodo y difusión. Para hacer todo esto, la batería se excita con diferente potencial de alimentación de corriente alterna. La tensión y la corriente de excitación resultantes se pueden usar para calcular la impedancia y ayudan a sacar conclusiones del estado de la batería. Como la impedancia con las actuales celdas Li-ion puede ser de menos de 1 mOhm, los métodos de medición y el hardware aplicado necesitan superar unos requisitos especiales. Debido a los valores de impedancia extremadamente bajos y como resultado de bajas frecuencias y un mayor rango de frecuencia, se necesitan instrumentos de medida precisos y costosos junto a dispositivos de alto rendimiento con gran capacidad de memoria para generar señales dinámicas precisas. Por esta razón, el método sólo se ha aplicado en condiciones de laboratorio donde el proceso suele ser monitorizado por un ingeniero.

Desde el laboratorio a un sistema de medición embebido

Para también permitir la aplicación de la espectroscopia de impedancia en sistemas móviles, los científicos de la Universidad Técnica de Chemnitz han optimizado la metodología para poder generar las señales necesarias hasta tal punto que un chip con capacidad de memoria limitada y potencia de procesamiento relativamente pequeña pueda efectuar el procedimiento sin generadores de señales adicionales. La propia batería o la energía de otra pila se usa como fuente de alimentación, reduciendo así los costes de hardware considerablemente. Debido al amplio rango de frecuencia, hay que aplicar métodos multiespectrales para acortar el tiempo de medición. Todos los cálculos se llevan a cabo al mismo tiempo que las medidas, gracias a unos algoritmos innovadores. Por ejemplo, fue posible disminuir la capacidad de memoria del controlador a menos de 500 kByte para almacenamiento intermedio de los datos medidos. Además, el periodo de medición se redujo a escasos cinco minutos. Todo esto posibilita la repetición de las mediciones en ciclos definidos durante la operación (por ejemplo, en determinadas condiciones). Estas características también garantizan que la metodología cumple los requisitos de desarrollo para controladores en el sector del automóvil.

El prototipo de hardware creado por el Departamento de Tecnología de Medición y Sensor se puede emplear para analizar cuatro celdas de batería simultáneamente. Y, en principio, el hardware se puede escalar en función de las necesidades de sistemas de mayor tamaño. Además, la solución supera otros requisitos de las aplicaciones a las que se dirige: no sólo es pequeña, sino que también resulta robusta y asequible por su microcontrolador embebido. Los resultados de las medidas obtenidas permiten la utilización completa de las baterías hasta el fin de su actual vida. De este modo, los fabricantes se benefician de la oportunidad de incrementar la autonomía de sus vehículos eléctricos, extender el periodo de garantía de las propias baterías y diseñar sistemas de batería de menor tamaño y, en consecuencia, más económicos, en línea con su modelo de negocio.

¿Por qué envejece una batería?

El estado de salud (SoH) de una batería se deteriora con el paso del tiempo. Esto es causa de:

• Envejecimiento de calendario: La batería envejece sin ser usada, simplemente por el paso del tiempo. En particular, este proceso se ve influenciado por la temperatura ambiente.

• Envejecimiento de ciclo: Depende del tipo de uso y, por encima de todo, de los ciclos operativos, el pico de (des)carga y la tensión de fin de carga y la fuerza de las corrientes de carga y descarga. El número de ciclos queda determinado por el tipo y la calidad de las baterías recargables y la temperatura.

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One comment

  1. Ubaldo

    Excelentes temas tratados en este numero, la recomiendo como material de apoyo a iniciantes y experimentados amantes de la electrónica.

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