El estado de carga ( SoC ) cuantifica la capacidad restante disponible en la batería en un momento dado y en relación con un estado de envejecimiento determinado. [1] Generalmente se expresa como porcentaje (0% = vacío; 100% = lleno). Una forma alternativa de la misma medida es la profundidad de descarga ( DoD ) , calculada como 100 - SoC (100% = vacío; 0% = lleno). Se refiere a la cantidad de carga que se puede consumir 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 el paquete de baterías . [4] Es el equivalente a un indicador de combustible .
El estado de carga (SOC) puede ayudar a reducir la ansiedad de los propietarios de vehículos eléctricos cuando esperan en la cola o se quedan en casa, ya que reflejará el progreso de la carga y les permitirá saber cuándo estará listo. [5] Sin embargo, en el salpicadero de cualquier vehículo, especialmente en los vehículos híbridos enchufables , el estado de carga presentado como indicador o valor porcentual puede no ser representativo de un nivel de carga real. Es posible que se reserve una cantidad considerable de energía para operaciones de trabajo híbrido . Ejemplos de tales automóviles son el Mitsubishi Outlander PHEV (todas las versiones/años de producción), donde el 0% del estado de carga presentado al conductor es un 20-22% real del nivel de carga (asumiendo que el nivel cero es el nivel de carga más bajo permitido). por fabricante de automóviles). Otro es el BMW i3 REX (versión Range Extender), donde alrededor del 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 prolongar la vida útil de la batería, se deben evitar los estados extremos de carga y también son preferibles ventanas de variaciones 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: fuera de línea y en línea. En técnicas fuera de línea, 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 son largos, costosos e interrumpen el rendimiento de la batería principal. Por lo tanto, los investigadores están buscando algunas técnicas en línea. [10] En general, existen cinco métodos para determinar el SoC indirectamente: [11] [12]
Este método funciona sólo 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 SoC de la batería.
Los hidrómetros se utilizan para calcular la gravedad específica de una batería. Para encontrar el peso específico, es necesario medir el volumen del electrolito y pesarlo. Luego, la gravedad específica viene dada por (masa de electrolito [g]/volumen de electrolito [ml])/ (Densidad del agua, es decir, 1 g/1 ml). Para encontrar SoC a partir de la gravedad específica, se necesita una tabla de consulta de SG frente a 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 se relaciona directamente con la gravedad específica o densidad del electrolito de la celda. [13] [14]
Este método convierte una lectura del voltaje de la batería a SoC, utilizando la curva de descarga conocida (voltaje versus SoC) de la batería. Sin embargo, el voltaje se ve afectado más significativamente por la corriente de la batería (debido a la cinética electroquímica de la batería ) y la temperatura. Este método se puede hacer más preciso compensando la lectura de voltaje mediante un término de corrección proporcional a la corriente de la batería y usando una tabla de consulta del voltaje del circuito abierto de la batería versus la temperatura.
De hecho, un objetivo declarado del diseño de la batería es proporcionar un voltaje lo más constante posible sin importar el SoC, lo que dificulta la aplicación de este método.
Este método, también conocido como " recuento 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 adolece de derivas a largo plazo y 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 es superior a cualquiera de los métodos por separado; se implementa en su serie de chips ModelGauge m3, como MAX17050, [15] [16] que se utiliza en los dispositivos Android Nexus 6 y Nexus 9 , por ejemplo. [17]
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 modelar con un modelo eléctrico que el filtro Kalman utilizará para predecir la sobretensión debida a la corriente. En combinación con el recuento de culombios, puede realizar una estimación precisa del estado de carga. La ventaja de un filtro Kalman es que puede ajustar su confianza en el voltaje de la batería y el conteo de culombios en tiempo real. [18] [19]
Este método se puede utilizar con determinadas baterías de NiMH , cuya presión interna aumenta rápidamente cuando se carga la batería. Más comúnmente, un interruptor de presión indica si la batería está completamente cargada. Este método puede mejorarse teniendo en cuenta la ley de Peukert , que es función de la corriente de carga/descarga.