El estado de carga ( SoC ) cuantifica la capacidad restante disponible en una batería en un momento dado y en relación con un estado de envejecimiento dado. [1] Por lo general, se expresa como porcentaje (0% = vacío; 100% = lleno). Una forma alternativa de la misma medida es la profundidad de descarga ( DoD ) , calculada como 1 − SoC (100% = vacío; 0% = lleno). Se refiere a la cantidad de carga que se puede utilizar si la celda está completamente descargada. [2] El estado de carga se utiliza normalmente cuando se habla del estado actual de una batería en uso, mientras que la profundidad de descarga se utiliza con mayor frecuencia para hablar de una variación constante del estado de carga durante ciclos repetidos. [1] [3]
En un vehículo eléctrico de batería (BEV), el estado de carga indica la energía restante en la batería . [4] Es el equivalente a un indicador de combustible .
El estado de carga puede ayudar a reducir la ansiedad de los propietarios de automóviles eléctricos cuando están esperando en la fila o se quedan en casa, ya que reflejará el progreso de la carga y les permitirá a los propietarios saber cuándo estará listo. [5] Sin embargo, en cualquier tablero de instrumentos del vehículo, especialmente en vehículos híbridos enchufables , el estado de carga presentado como un indicador o valor porcentual puede no ser representativo de un nivel de carga real. Una cantidad notable de energía puede reservarse para operaciones de trabajo híbrido . Ejemplos de tales automóviles son Mitsubishi Outlander PHEV (todas las versiones/años de producción), donde se indica un nivel de carga de cero al conductor cuando el nivel de carga real es del 20-22%. Otro es el BMW i3 REX (versión Range Extender), donde aproximadamente el 6% del SoC está reservado para operaciones similares a PHEV.
También se sabe que el estado de carga afecta el envejecimiento de la batería. [1] [6] Para extender la vida útil de la batería, se deben evitar los extremos del estado de carga y también son preferibles ventanas de variación reducidas. [7] [8] [9]
Por lo general, el SoC no se puede medir directamente, pero se puede estimar a partir de variables de medición directa de dos maneras: offline y online. En las técnicas offline, la batería debe cargarse y descargarse a un ritmo constante, como el conteo de Coulomb. Este método proporciona una estimación precisa del SoC de la batería, pero es prolongado, costoso e interrumpe el rendimiento de la batería principal. Por lo tanto, los investigadores están buscando algunas técnicas online. [10] En general, hay cinco métodos para determinar el SoC indirectamente: [11] [12]
Este método funciona únicamente con baterías que ofrecen acceso a su electrolito líquido , como las baterías de plomo-ácido no selladas . La gravedad específica del electrolito se puede utilizar para indicar el estado del circuito de la batería.
Los hidrómetros se utilizan para calcular la gravedad específica de una batería. Para encontrar la gravedad específica, es necesario medir el volumen del electrolito y pesarlo. Luego, la gravedad específica se obtiene mediante (masa del electrolito [g]/volumen del electrolito [ml])/(densidad del agua, es decir, 1 g/1 ml). Para encontrar el SoC a partir de la gravedad específica, se necesita una tabla de consulta de SG vs SoC.
Se ha demostrado que la refractometría es un método viable para el control continuo del estado de carga. El índice de refracción del electrolito de la batería está directamente relacionado con la gravedad específica o densidad del electrolito de la celda. [13] [14]
Cabe destacar que el análisis del electrolito no proporciona información sobre el estado de carga en el caso de las baterías de iones de litio y otras baterías que no producen ni consumen disolventes ni especies disueltas durante su funcionamiento. El método funciona para las baterías de plomo-ácido , porque la concentración de ácido sulfúrico cambia con el estado de carga de la batería de acuerdo con la siguiente reacción:
Este método convierte una lectura del voltaje de la batería en SoC, utilizando la curva de descarga conocida (voltaje vs. SoC) de la batería. Sin embargo, el voltaje se ve afectado de manera más significativa por la corriente de la batería (debido a la cinética electroquímica de la batería ) y la temperatura. Este método puede volverse más preciso compensando la lectura de voltaje con un término de corrección proporcional a la corriente de la batería y utilizando una tabla de consulta del voltaje de circuito abierto de la batería vs. la temperatura.
De hecho, un objetivo declarado del diseño de baterías es proporcionar un voltaje lo más constante posible sin importar el estado de carga, lo que hace que este método sea difícil de aplicar. En el caso de las baterías cuyo voltaje es independiente de su estado de carga (como las baterías de fosfato de hierro y litio ), las mediciones de voltaje en circuito abierto no pueden proporcionar una estimación confiable del estado de carga. Por otro lado, las baterías con curvas de voltaje-carga con pendiente (como las baterías de níquel-cobalto-manganeso) son más adecuadas para la estimación del estado de carga a partir de las mediciones de voltaje en circuito abierto . [15]
Este método, también conocido como conteo de Coulomb , calcula el SoC midiendo la corriente de la batería e integrándola en el tiempo. Dado que ninguna medición puede ser perfecta, este método sufre de desviaciones a largo plazo y de falta de un punto de referencia: por lo tanto, el SoC debe recalibrarse periódicamente, por ejemplo, restableciéndolo al 100 % cuando un cargador determina que la batería está completamente cargada (usando uno de los otros métodos descritos aquí).
Maxim Integrated promociona un enfoque combinado de voltaje y carga que se afirma que es superior a cualquiera de los métodos por separado; se implementa en su serie de chips ModelGauge m3, como MAX17050, [16] [17] que se utiliza en los dispositivos Android Nexus 6 y Nexus 9 , por ejemplo. [18]
Para superar las deficiencias del método de voltaje y del método de integración de corriente, se puede utilizar un filtro de Kalman . La batería se puede describir con un modelo eléctrico que el filtro de Kalman utilizará para predecir el sobrevoltaje dada la corriente observada. En combinación con el conteo de Coulomb, puede realizar una estimación precisa del estado de carga. La fortaleza de esta técnica es que un filtro de Kalman ajusta su confianza relativa del voltaje de la batería y el conteo de Coulomb en tiempo real. [19] [20]
Este método se puede utilizar con ciertas baterías de NiMH , cuya presión interna aumenta rápidamente cuando la batería está cargada. Lo más habitual es que un presostato indique si la batería está completamente cargada. Este método se puede mejorar teniendo en cuenta la ley de Peukert , que es una función de la corriente de carga/descarga.
