Dyness Conocimientos | Análisis del concepto SOC de baterías de litio

Resumen: Las baterías de iones de litio son cada vez más promocionadas y utilizadas en la vida moderna. El estado de carga (SOC) de una batería de litio equivale al depósito de combustible de un coche. Siempre hay que recordar al usuario cuánta energía tiene disponible en ese momento; por ejemplo, un 100% de energía equivale a un depósito de gasolina lleno. 0% significa que la batería está agotada, es decir, que no hay gasolina en el depósito.

La medición científica, eficiente y relativamente precisa del SOC de las baterías de litio no sólo requiere métodos de medición científicos, sino también algoritmos de software avanzados como garantía necesaria para que las empresas fabricantes de baterías obtengan valores en tiempo real. Esto requiere que los fabricantes de baterías mejoren y actualicen continuamente el algoritmo de su sistema de gestión de baterías (BMS) para que los usuarios puedan obtener información de energía relativamente precisa y comprender el estado de salud de la batería durante su uso. Escribiendo de antemano el programa correspondiente en el sistema BMS, el valor de SOC se calcula por el método del voltaje, el método de medición del filtro de Kalman o el método de recuento de culombios.

1. Las baterías de iones de litio son esenciales en nuestra vida cotidiana, ya que alimentan aparatos electrónicos de consumo, desde teléfonos inteligentes hasta coches eléctricos.

El SOC es uno de los indicadores importantes del rendimiento y la vida útil de una batería. El SOC se define como la capacidad disponible [en (Ah-Ampere horas)] y se expresa como porcentaje de su capacidad nominal. El parámetro SOC puede considerarse una magnitud termodinámica que permite evaluar la energía potencial de la batería. También es importante estimar el estado de salud de la batería (SOH), que representa una medida de la capacidad de una batería para almacenar y suministrar energía eléctrica en comparación con una batería nueva (Ghazel, 2017).

Si una batería se descarga demasiado o se carga con demasiada frecuencia, puede afectar a su salud general y acortar su vida útil. Mantener el SOC dentro de un rango seguro es especialmente importante para garantizar la vida útil de la batería y un rendimiento óptimo. En general, se recomienda mantener el SOC entre el 20% y el 80%. Cualquier valor por debajo del 20% o por encima del 80% puede estresar la batería y acortar su vida útil. Algunos fabricantes internacionales lo indican en la columna de la batería de sus productos de electrónica de consumo. Cuando el SOC se mantiene en este rango, la actividad de los iones de litio en la batería debe mantenerse al máximo y la vida útil de la batería debe prolongarse al máximo.

2. La medición del SOC puede dividirse en el algoritmo basado en el modelo de medición, o el método de medición basado en el rendimiento de carga y descarga de la batería y el voltaje del cuerpo de la batería para obtener el valor. Sólo que hay diferencias y énfasis entre los tres. Por lo tanto, los valores de SOC calculados por los tres métodos también tienen desviaciones relativas.

3. Recuento de culombios

También se conoce como recuento de amperios-hora e integración de corriente. Cuando la batería se está cargando y descargando, el SOC se calcula acumulando la electricidad cargada y descargada. El método de cálculo es el siguiente:

C(máx): capacidad (máxima) de la batería; I(ahora) corriente (A); t: tiempo

Las desventajas de este método de medición son: 1. Los errores se deben al muestreo de corriente. 2. El error causado por el cambio de capacidad de la batería. 3. Errores causados por la estimación y selección de los valores inicial y final del SOC, que a su vez afectan al cálculo del valor global.

Este método sólo registra de forma aproximada la cantidad de electricidad que entra y sale de la batería desde el exterior, pero ignora la atenuación causada por la sustitución de los iones de litio en el interior de la batería, así como la generación de dendritas de litio y otras variables que afectan al cálculo del SOC de la batería "desde dentro hacia fuera". Y el error no hará más que aumentar con el paso del tiempo. Debido a este inconveniente, las empresas de baterías se ven obligadas a actualizar continuamente sus BMS para reducir los errores.

4. Método de tensión en circuito abierto

El SOC de una batería, o su capacidad restante, puede determinarse mediante una prueba de descarga en condiciones controladas. Este algoritmo utiliza la curva de descarga conocida de la batería (tensión frente a SOC) para convertir una lectura de tensión de la batería en un valor de SOC equivalente. Sin embargo, la tensión se ve más afectada por la corriente de la batería debido a la cinética electroquímica y a la temperatura de la batería. Este método puede hacerse más preciso compensando la lectura de tensión con un término de corrección proporcional a la corriente de la batería y utilizando una tabla de consulta de la tensión del circuito de la pluma de la batería (OCV) y la temperatura. Las baterías requieren un rango de tensión estable, lo que dificulta la aplicación del método de la tensión. Además, las pruebas de descarga suelen implicar una carga continua, lo que hace que la mayoría de las aplicaciones requieran mucho tiempo.

Además, la curva de la tensión de circuito abierto de la batería de litio hierro fosfato entre el 30% y el 80% es casi una línea recta, y es más difícil encontrar el valor correspondiente. Por lo tanto, este método es más adecuado para el caso de que la batería haya permanecido parada durante mucho tiempo y no se utilice con frecuencia.

5. Método del filtro de Kalman

Un algoritmo de simulación dinámica para detectar el estado interno de la célula de la batería es adecuado para calcular el valor de SOC de la batería. El propio método proporciona límites de error dinámicos, emplea mecanismos de corrección de errores y proporciona una predicción del SOC en tiempo real. Aunque el filtrado de Kalman es un método dinámico y en línea, requiere un modelo de batería adecuado y una identificación precisa de sus parámetros. También requiere una gran potencia de cálculo y una inicialización precisa.

En resumen, el valor SOC es una consideración fundamental en la fabricación de baterías. No sólo está relacionado con la sensación corporal intuitiva del usuario al utilizar la batería, sino que también afecta a la vida útil de la batería, o al coste de inversión del cliente para adquirir la batería. Por lo tanto, mantener el valor SOC de la batería dentro de un rango recomendado durante su uso y actualizar el firmware del producto de la batería en tiempo real son garantías importantes para asegurar la vida útil del producto y la experiencia del usuario.

Citas

GhazelMurnane y AdelMartin. (2017). A Closer Look at State of Charge (SOC) and State of Health (SOH) Estimation Techniques for Batteries.

Minho KimKim, Jungsoo Kim,Jungwook Yu, Soohee HanKwangrae. (2018). Estimación del estado de carga para batería de iones de litio basada en aprendizaje por refuerzo. ScienceDirect, página 404-408.

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