A continuación, una contribución de Claudius Jehle, director general (CEO) de volytica diagnostics GmbH (https://www.volytica.com). Su artículo original se encuentra en https://www.sustainable-bus.com/news/state-of-charge-battery-explained/

En nuestro último artículo, explicamos los paralelismos y las diferencias de las distintas subespecies de baterías de iones de litio, como las NMC, las LFP y las LTO. El principio básico subyacente es siempre el mismo, que explicamos utilizando la analogía -hasta cierto punto irónica, pero esencialmente muy útil- de los paracaidistas de iones, que se congestionan a la salida de su nave (alias ánodo) durante la descarga, su aventurero y engorroso viaje a través del electrolito y el separador, su aglomeración durante el aterrizaje y, finalmente, su lenta migración y asentamiento en el electrodo opuesto (alias cátodo).

Hoy explicaremos de forma figurada el aparentemente aburrido tema del Estado de Carga (SOC) y daremos algunas ideas y conclusiones interesantes. De hecho, es sorprendentemente difícil para la electrónica (a la que nos referiremos como BMS -Battery Management System-, sistema de gestión de baterías) determinar el SOC, incluso si estos sistemas tienen señales como los voltajes, las corrientes y las temperaturas de las celdas directamente a mano.

Estado de carga: básicamente contenido por capacidad

Por desgracia, nuestra analogía microscópica (es decir, a nivel de átomos e iones) de los paracaidistas se vuelve torpe a la hora de explicar un efecto macroscópico como el SOC, por lo que hay que pensar en un recipiente con un determinado contenido líquido (trillones de paracaidistas). Al contenido máximo lo llamamos capacidad^[1]. El SOC es simplemente el contenido por capacidad, es decir, 150ml en un vaso de 300ml resulta en un 50% de SOC.

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Pero como se ha dicho: el BMS sólo mide el voltaje (altura de llenado) y la corriente (mililitro por segundo) y por lo tanto tiene que estimar el contenido indirectamente. Es sencillo si el vaso tiene forma cilíndrica y el líquido es agua: se vierte una cantidad desconocida y se mide la altura. Con una forma cilíndrica, el SOC es simplemente la altura del contenido por la altura máxima (3cm de 10cm máximo es 30%, y 9cm es 90%).

Determinar el SOC no es una tarea fácil

Pero las baterías no son tales vasos de agua. En primer lugar, la "forma del cristal" es muy irregular y varía según la química. Para que se le metan imágenes en la cabeza, la LFP se parecea una garrafa de vino ancha y abombada y la NMC tiene más bien una forma de caramelo alargada (estrecha, bastante recta, angosta). Mientras que la tabla para convertir la altura (voltaje) en contenido puede ser determinada simplemente una vez por el fabricante en el laboratorio y programada en el BMS^[2] uno puede fácilmente imaginar el desafío principal durante la operación: 5 mm de altura en la parte del vientre pueden suponer un 20 o 30% del contenido total del líquido.

De hecho, la LFP es tan amplia que entre un SOC del 20 al 90% la tensión prácticamente no cambia. El más mínimo error de medición puede dar lugar a errores de SOC extremos.

“Degradación: Un gran problema es que durante la degradación, el vidrio se encoge (en anchura, ¡casi no en altura!). Pero no siempre de manera uniforme y, desde luego, no es muy predecible. El BMS tiene que adaptar la tabla de consulta, lo que es aún más complicado. Esta tema ("SOH") se abordará en los siguientes artículos.”

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¿Y si el contenido de la batería está compuesto de... cerveza?

Pero la segunda cuestión es que no estamos hablando de agua, sino de cerveza. Cada vez que el líquido entra o sale, se forma espuma. La altura y la estabilidad de decaimiento varían mucho con la química, con la temperatura, con el patrón de flujo, con la dirección del flujo, con el SOC (sí, la calidad del SOC depende del SOC, para empeorar las cosas), la edad, etc.

¿Recuerda los paracaidistas que desaceleran antes de congestionarse en la entrada, donde migran lentamente al cátodo/ánodo? Esta migración lenta que sucede un billón de veces hacia y posteriormente dentro del material huésped a escala microscópica es directamente visible a escala macroscópica: después de una fase de operación, la señal de voltaje se contamina durante 10, a veces 30 minutos y, en casos extremos, como baja temperaturas y/o SOC bajos, incluso algunas horas antes de que cada paracaidista encontrara su nido en la red del anfitrión (este estado estable se denomina condición de voltaje de circuito abierto (OCV)).

El uso de un voltaje no relajado puede poner la estimación del SOC en riesgo, especialmenteen los rangos de voltaje "sensibles", es decir, con curvas. Resultado muy sencillo: durante el funcionamiento, el BMS no puede utilizar la tensión^[3] para la estimación del SOC.

Estimación del estado de carga durante el funcionamiento

Entonces, ¿cómo se calcula el SOC durante el funcionamiento? Teniendo un punto de partida "confiable" y, a partir de ahí, agregar/restar la cantidad de corriente que entra y sale (es decir, contar billones de paracaidistas) con ayuda de un portero, y en ocasiones, restablecer durante los descansos nuevamente, porque el portero inevitablemente pierde la cuenta durante largos tiempos de operación ("deriva").

“Balanceo: un sistema de baterías consta de cientos de celdas, y el BMS tiene que calcular un SOC para todas y cada una de las celdas, pero solo puede comunicar 1 valor al mundo exterior. Por varias razones (una de las cuales son los desafíos mencionados), las celdas no se drenan de manera homogénea, lo que hace que este esfuerzo sea una colisión de objetivos casi irresoluble. ¡Aprenderemos sobre eso en el próximo artículo sobre balanceo,simetría e inhomogeneidad!”

¿Cuál es el impacto? Profundizaremos un poco más en los siguientes artículos sobre los efectos más perjudiciales, a saber, la parada repentina ("eventos deagotamiento repentino") y la degradación no homogénea, pero una cosa es universal: estimamos que el error SOC promedio está entre 5-10% , alcanzando hasta un 10-20% en, por ejemplo, sistemas de bajo costo, aplicaciones de alto rendimiento (pocos descansos) y especialmente sistemas LFP/LTO. Esto es significativo: ¡una batería que está apagada a un 10 % y sigue funcionando es, básicamente, un 10% más grande!

Mejores prácticas para un SOC preciso

Medidas de acción y mejores prácticas para un SOC preciso:

• Productos de alta calidad (por ejemplo, sensores de voltaje y corriente de alta precisión).
• Pausas periódicas y suficientemente largas (para reposición y, en consecuencia, equilibrio).
• Particularmente para aplicaciones LFP/LTO: estos descansos de restablecimiento y equilibrio deben estar cuando el SOC es >80% para estar fuera de la "región del vientre", lo que facilita enormemente el funcionamiento del BMS, por ejemplo, después de cargar. Pero: un SOC elevado durante una parada es uno de los facilitadores de degradación más perjudiciales. Dependiendo de la química de la celda, hay un punto óptimo entre el 80 y el 100%. Pida indicaciones a su proveedor.

Bono: ¿Alguna vez se preguntó por qué la carga rápida es rápida solo en el primer 80%? 80% en 20 minutos, pero ¿el último 20% en otros 20 minutos? La razón principal no es la manipulación artificial por parte del sistema de carga o del vehículo para mantener baja la degradación. ¿Alguna vez sirvió un vaso de cerveza usando un grifo? 80% en poco tiempo, pero para el último 20% necesita reducir la corriente para evitar que la espuma se derrame. No es broma: los iones simplemente no pueden migrar al electrodo lo suficientemente rápido, por lo que la corriente de carga debe reducirse para permitir que se disuelva la congestión. Cuanto más lleno el electrodo, más lenta la migración y mayor reducción de corriente.

‍^[1] A veces la gente habla de capacidad cuando se refiere al contenido actual ("la batería está casi llena, tiene un 98% de capacidad") - lo desaconsejamos y lo mantenemos bien separado.

^[2] esta tabla de consulta de características suele llamarse curva OCV ("open circuit voltage")

^[3] Existen modelos sofisticados para estimar la cantidad de espuma y compensar el voltaje, pero queremos mantenerlo simple aquí.