Baterías

Estado de salud de la batería (SoH)

  • El SoH se calcula comparando la capacidad actual de la batería con su capacidad nominal (original):

                                                SoH(%)=(capacidad actual)/(capacidad nominal) * 100

    • Capacidad nominal: Es la capacidad de la batería cuando era nueva.

    Capacidad actual: Es la capacidad que la batería puede almacenar en el momento de la medición.

Métodos para Calcular el SoH

a) Método de Descarga Completa

  • Descarga la batería por completo (hasta su voltaje mínimo permitido) y mide la cantidad de energía que se extrae.

  • Compara esta energía con la capacidad nominal.

  • Este método es preciso pero consume tiempo y puede no ser práctico en aplicaciones en tiempo real.

b) Método de Medición de Voltaje y Corriente

  • Usa un sistema de gestión de baterías (BMS, Battery Management System) para monitorear el voltaje, la corriente y la temperatura.

  • Aplica algoritmos como el filtro de Kalman o modelos electroquímicos para estimar la capacidad actual basándose en los datos recopilados.

c) Método de Impedancia Interna

  • Mide la impedancia interna de la batería, que aumenta con el envejecimiento.

  • Usa una correlación entre la impedancia y el SoH para estimar el estado de salud.

  • Este método es rápido y no requiere descargar la batería.

d) Método de Conteo de Ciclos

  • Registra el número de ciclos de carga y descarga completos que ha experimentado la batería.

  • Usa un modelo de degradación basado en ciclos para estimar el SoH.

  • Este método es menos preciso, ya que no considera otros factores de degradación.

Factores que Afectan el SoH

  • Ciclos de carga/descarga: Cada ciclo reduce ligeramente la capacidad.

  • Temperatura: Las temperaturas extremas aceleran la degradación.

  • Tasa de carga/descarga: Cargas rápidas pueden dañar la batería.

  • Tiempo: Incluso sin uso, las baterías de litio pierden capacidad con el tiempo.

Herramientas y Equipos

  • BMS: Sistemas de gestión de baterías que monitorean y calculan el SoH en tiempo real.

  • Analizadores de baterías: Equipos especializados para medir capacidad, impedancia y otros parámetros.

  • Software de simulación: Herramientas como MATLAB o Python para modelar la degradación de la batería.

5. Ejemplo Práctico

Supongamos que tienes una batería de litio con una capacidad nominal de 3000 mAh. Después de un tiempo de uso, realizas una descarga completa y mides que la capacidad actual es de 2700 mAh. El SoH sería:

                                                           SoH=(2700)/(3000)×100=90%

Esto indica que la batería ha perdido el 10% de su capacidad original.)

  1. Carga de descarga controlada: Un dispositivo que permita descargar la batería de manera controlada y segura (por ejemplo, una resistencia de potencia o un equipo de prueba de baterías).

  2. Multímetro o medidor de corriente: Para medir el voltaje y la corriente durante la descarga.

  3. Registrador de datos: Opcional, pero útil para registrar el voltaje y la corriente en intervalos de tiempo.

  4. Cronómetro: Para medir el tiempo de descarga.

  5. Batería cargada: Asegúrate de que la batería esté completamente cargada antes de comenzar.

Pasos para Calcular la Capacidad Actual

1. Carga Completa de la Batería

  • Carga la batería al 100% usando un cargador compatible.

  • Verifica que el voltaje de la batería esté en su valor máximo (por ejemplo, 4.2 V por celda para una batería de litio).

2. Configura el Circuito de Descarga

  • Conecta la batería a la carga de descarga (por ejemplo, una resistencia de potencia o un equipo de prueba).

  • Conecta el multímetro en serie para medir la corriente y en paralelo para medir el voltaje.

  • Asegúrate de que la tasa de descarga sea segura (generalmente, se recomienda una tasa de descarga de 0.5C o menos, donde C es la capacidad nominal de la batería en Ah).

3. Inicia la Descarga

  • Comienza a descargar la batería y registra el tiempo de inicio.

  • Monitorea el voltaje y la corriente durante la descarga.

  • Si usas un registrador de datos, configura intervalos de medición (por ejemplo, cada minuto).

4. Detén la Descarga

  • Detén la descarga cuando el voltaje de la batería alcance su voltaje mínimo seguro (por ejemplo, 2.5 V a 3.0 V por celda, dependiendo del tipo de batería).

  • Registra el tiempo total de descarga.

5. Calcula la Capacidad Actual

  • La capacidad actual se calcula multiplicando la corriente de descarga por el tiempo de descarga.

  • Si la corriente de descarga fue constante, usa la fórmula:

Capacidad actual (Ah)=Corriente de descarga (A)×Tiempo de descarga (h)

  • Si la corriente varió durante la descarga, suma los productos de corriente y tiempo en cada intervalo:

Capacidad actual (Ah)=∑(Corriente en cada intervalo (A)×Tiempo del intervalo (h))

6. Convierte a mAh (si es necesario)

  • Si prefieres la capacidad en miliamperios-hora (mAh), multiplica el resultado por 1000:

Capacidad actual (mAh)=Capacidad actual (Ah)×1000

Ejemplo Práctico

Supongamos que tienes una batería de litio con una capacidad nominal de 3000 mAh y decides descargarla con una corriente constante de 1 A (1000 mA):

  1. Descargas la batería a 1 A hasta que el voltaje alcance el mínimo seguro.

  2. El tiempo de descarga fue de 2.5 horas.

  3. Calculas la capacidad actual:

Capacidad actual=1 A×2.5 h=2.5 Ah=2500

 

  1. Carga de descarga controlada: Un dispositivo que permita descargar la batería de manera controlada y segura (por ejemplo, una resistencia de potencia o un equipo de prueba de baterías).

  2. Multímetro o medidor de corriente: Para medir el voltaje y la corriente durante la descarga.

  3. Registrador de datos: Opcional, pero útil para registrar el voltaje y la corriente en intervalos de tiempo.

  4. Cronómetro: Para medir el tiempo de descarga.

  5. Batería cargada: Asegúrate de que la batería esté completamente cargada antes de comenzar.

Pasos para Calcular la Capacidad Actual

1. Carga Completa de la Batería

  • Carga la batería al 100% usando un cargador compatible.

  • Verifica que el voltaje de la batería esté en su valor máximo (por ejemplo, 4.2 V por celda para una batería de litio).

2. Configura el Circuito de Descarga

  • Conecta la batería a la carga de descarga (por ejemplo, una resistencia de potencia o un equipo de prueba).

  • Conecta el multímetro en serie para medir la corriente y en paralelo para medir el voltaje.

  • Asegúrate de que la tasa de descarga sea segura (generalmente, se recomienda una tasa de descarga de 0.5C o menos, donde C es la capacidad nominal de la batería en Ah).

3. Inicia la Descarga

  • Comienza a descargar la batería y registra el tiempo de inicio.

  • Monitorea el voltaje y la corriente durante la descarga.

  • Si usas un registrador de datos, configura intervalos de medición (por ejemplo, cada minuto).

4. Detén la Descarga

  • Detén la descarga cuando el voltaje de la batería alcance su voltaje mínimo seguro (por ejemplo, 2.5 V a 3.0 V por celda, dependiendo del tipo de batería).

  • Registra el tiempo total de descarga.

5. Calcula la Capacidad Actual

  • La capacidad actual se calcula multiplicando la corriente de descarga por el tiempo de descarga.

  • Si la corriente de descarga fue constante, usa la fórmula:

Capacidad actual (Ah)=Corriente de descarga (A)×Tiempo de descarga (h)

  • Si la corriente varió durante la descarga, suma los productos de corriente y tiempo en cada intervalo:

Capacidad actual (Ah)=∑(Corriente en cada intervalo (A)×Tiempo del intervalo (h))

6. Convierte a mAh (si es necesario)

  • Si prefieres la capacidad en miliamperios-hora (mAh), multiplica el resultado por 1000:

Capacidad actual (mAh)=Capacidad actual (Ah)×1000

 

Ejemplo Práctico

Supongamos que tienes una batería de litio con una capacidad nominal de 3000 mAh y decides descargarla con una corriente constante de 1 A (1000 mA):

  1. Descargas la batería a 1 A hasta que el voltaje alcance el mínimo seguro.

  2. El tiempo de descarga fue de 2.5 horas.

  3. Calculas la capacidad actual:

Capacidad actual=1 A×2.5 h=2.5 Ah=2500 mAh

  1. Comparas con la capacidad nominal:

SoH=(25003000)×100=83.33%

)×100=83.33%

Precauciones

  • Seguridad: Las baterías de litio pueden ser peligrosas si se descargan demasiado o se sobrecalientan. Usa equipos adecuados y trabaja en un área ventilada.

  • Voltaje mínimo: No descargues la batería por debajo de su voltaje mínimo recomendado, ya que puede dañarse irreversiblemente.

  • Tasa de descarga: Usa una tasa de descarga segura para evitar sobrecalentamiento.

Este método es muy preciso, pero consume tiempo y no es práctico para aplicaciones en tiempo real. Si necesitas medir la capacidad de manera más frecuente o en condiciones de uso normal, considera usar un BMS (Battery Management System) o métodos indirectos como la medición de impedancia interna. ¡Espero que esta guía te sea útil! 

Si tienes un sistema electrónico capaz de medir los parámetros de descarga de las baterías (como voltaje, corriente y tiempo), puedes determinar el estado de salud (SoH) de cada batería (A, B y C) de manera eficiente. Aquí te doy una guía detallada sobre cómo hacerlo y qué sería lo más aconsejable:

1. Medición del Estado de Salud (SoH)

El SoH se calcula comparando la capacidad actual de la batería con su capacidad nominal. Para ello, necesitas:

  • Capacidad nominal: Conocida de antemano (por ejemplo, 3000 mAh).

  • Capacidad actual: Calculada a partir de los parámetros de descarga.

Fórmula del SoH:

 

SoH(%)=(Capacidad actualCapacidad nominal)×100

2. Pasos para Determinar el SoH de Cada Batería

a) Carga Completa de las Baterías

  • Asegúrate de que las baterías A, B y C estén completamente cargadas antes de comenzar.

  • Verifica que el voltaje de cada batería esté en su valor máximo (por ejemplo, 4.2 V por celda para una batería de litio).

b) Descarga Controlada

  • Conecta cada batería al sistema electrónico para realizar una descarga controlada.

  • Configura el sistema para medir:

    • Corriente de descarga: Debe ser constante y segura (por ejemplo, 0.5C, donde C es la capacidad nominal).

    • Voltaje: Para detectar cuándo la batería alcanza su voltaje mínimo seguro.

    • Tiempo: Para calcular la capacidad actual.

c) Registro de Datos

  • Durante la descarga, el sistema debe registrar:

    • La corriente de descarga.

    • El tiempo que tarda en descargarse hasta el voltaje mínimo.

    • El voltaje en intervalos regulares (opcional, pero útil para análisis detallados).

d) Cálculo de la Capacidad Actual

  • Usa los datos registrados para calcular la capacidad actual de cada batería:

    • Si la corriente de descarga fue constante:

      Capacidad actual (Ah)=Corriente de descarga (A)×Tiempo de descarga (h)

    • Si la corriente varió, integra la corriente sobre el tiempo:

      Capacidad actual (Ah)=∑(Corriente en cada intervalo (A)×Tiempo del intervalo (h))

e) Cálculo del SoH

  • Usa la fórmula del SoH para cada batería:

    SoH(%)=(Capacidad nominalCapacidad actual)×100

3. Implementación en el Sistema Electrónico

Para que el sistema electrónico determine automáticamente el SoH de cada batería, puedes programarlo para:

  1. Identificar cada batería: Asigna un identificador único a cada batería (A, B y C).

  2. Realizar la descarga controlada: Automatiza el proceso de descarga y medición.

  3. Calcular la capacidad actual: Usa los datos de corriente y tiempo para calcular la capacidad.

  4. Calcular el SoH: Compara la capacidad actual con la capacidad nominal.

  5. Almacenar y mostrar resultados: Guarda los resultados en memoria o muéstralos en una pantalla.

4. Recomendaciones Adicionales

a) Calibración Periódica

  • Realiza descargas completas periódicamente (por ejemplo, cada 3-6 meses) para recalibrar el SoH y mantener la precisión.

b) Uso de un BMS (Battery Management System)

  • Si el sistema electrónico incluye un BMS, úsalo para monitorear el voltaje, la corriente y la temperatura en tiempo real.

  • El BMS puede estimar el SoH usando algoritmos avanzados (como el filtro de Kalman) sin necesidad de descargas completas.

c) Registro Histórico

  • Guarda un historial de los SoH de cada batería para analizar su degradación a lo largo del tiempo.

  • Esto te ayudará a predecir cuándo reemplazar las baterías.

d) Pruebas en Condiciones Controladas

  • Realiza las pruebas en un ambiente con temperatura controlada (por ejemplo, 25 °C) para evitar que factores externos afecten los resultados.

5. Ejemplo Práctico

Supongamos que tienes tres baterías con una capacidad nominal de 3000 mAh cada una. El sistema electrónico realiza una descarga controlada y obtiene los siguientes datos:

  • Batería A:

    • Corriente de descarga: 1 A (constante).

    • Tiempo de descarga: 2.7 horas.

    • Capacidad actual: 1 A×2.7 h=2.7 Ah=2700 mAh.

    • SoH: (2700/3000)×100=90%.

  • Batería B:

    • Corriente de descarga: 1 A (constante).

    • Tiempo de descarga: 2.4 horas.

    • Capacidad actual: 1 A×2.4 h=2.4 Ah=2400 mAh.

    • SoH: (2400/3000)×100=80%.

  • Batería C:

    • Corriente de descarga: 1 A (constante).

    • Tiempo de descarga: 2.1 horas.

    • Capacidad actual: 1 A×2.1 h=2.1 Ah=2100 mAh.

    • SoH: (2100/3000)×100=70%.

6. Conclusión

Con un sistema electrónico adecuado, puedes determinar el SoH de cada batería de manera precisa y automatizada. Lo más aconsejable es:

  • Automatizar el proceso de medición y cálculo.

  • Usar un BMS para monitoreo en tiempo real.

  • Realizar pruebas periódicas y mantener un registro histórico.

 

 

Para calcular el estado de salud (SOH) de una batería de iones de litio en la práctica, se utilizan métodos que combinan mediciones directas, análisis de parámetros operativos y algoritmos. Aquí hay un enfoque estructurado:

1. Definición de SOH

El SOH refleja la degradación de la batería respecto a su estado nuevo, expresado en porcentaje. Dos factores clave son:

  • Pérdida de capacidad: Reducción de la capacidad máxima disponible.

  • Aumento de resistencia interna: Mayor dificultad para entregar energía.

2. Métodos Prácticos para Calcular el SOH

a. Medición Directa de Capacidad

  • Procedimiento:

    1. Cargar la batería al 100% (siguiendo las especificaciones del fabricante).

    2. Descargar completamente a una corriente constante mientras se mide la energía total entregada.

    3. Calcular:

      SOHcapacidad=(Capacidad actualCapacidad nominal)×100%

  • Herramientas: Analizadores de batería (por ejemplo, Cadex, Battery Tester).

  • Limitaciones: Requiere ciclos completos, no siempre práctico en uso diario.

b. Resistencia Interna

  • Procedimiento:

    1. Medir la tensión en circuito abierto (

      Vabierto

      ).

    2. Aplicar una carga conocida (

      Icarga

      ) y medir la tensión bajo carga (

      Vcarga

      ).

    3. Calcular resistencia:

      Rinterna=(Vabierto−Vcarga)/(Icarga)

    4. R

      R(interna)=IcargaVabierto−Vcarga


    5. Comparar con el valor inicial:

      SOHresistencia=(1−Ractual−RinicialRinicial

    6.  SOH

      SoH (resistencia))=(1−RinicialRactual−Rinicial)×100%

    7.   Uso común: En BMS (Sistema de Gestión de Baterías) para estimación en tiempo real.

c. Conteo de Ciclos y Modelado de Degradación

      • Procedimiento:

        1. Registrar ciclos completos (0–100%) o equivalentes (ej. dos ciclos del 50% = 1 ciclo completo).

        2. Ajustar por factores de estrés: temperatura, profundidad de descarga (DoD), corriente de carga.

        3. Estimar SOH usando curvas de degradación del fabricante (ej. 80% SOH tras 500 ciclos).

d. Análisis de Curvas de Voltaje/Carga

      • Procedimiento:

        • Monitorear el perfil de voltaje durante carga/descarga.

        • Detectar cambios en pendientes, tiempos de fase (ej. carga más lenta en ciertos voltajes).

        • Comparar con perfiles de referencia usando algoritmos o machine learning.

e. Espectroscopia de Impedancia Electroquímica (EIS)

      • Procedimiento:

        • Aplicar una señal de CA de múltiples frecuencias.

        • Analizar la respuesta para identificar cambios en la impedancia interna.

        • Usar modelos electroquímicos (ej. circuito equivalente) para estimar SOH.

      • Limitaciones: Equipos especializados, más usado en laboratorios.

3. Implementación Práctica

      • En dispositivos cotidianos (teléfonos, EVs):

        • El BMS combina datos de voltaje, corriente, temperatura y ciclos.

        • Algoritmos como filtros de Kalman o redes neuronales para estimar SOH.

      • Herramientas para usuarios:

        • Multímetros para medir caídas de voltaje bajo carga.

        • Software de diagnóstico (ej. «Salud de la batería» en iOS/Android).

        • Analizadores profesionales (ej. OBD-II en vehículos eléctricos).

4. Factores que Afectan la Precisión

      • Temperatura: Afecta capacidad y resistencia. Las mediciones deben compensarse térmicamente.

      • Historial de uso: Ciclos profundos o altas corrientes aceleran la degradación.

      • Calibración: Requiere ciclos completos ocasionales para ajustar estimaciones.

5. Ejemplo Práctico

    1. Si una batería nueva tiene 3000 mAh y 50 mΩ de resistencia interna:

      • Tras 2 años, mide 2700 mAh en una descarga completa y 75 mΩ bajo carga.

      • Cálculos:

          • .

          • .

          •  

          • Conclusión: La batería ha perdido el 10% de capacidad, pero su resistencia ha aumentado significativamente, indicando posible degradación química.

Consejos Finales

            • Para usuarios: Realizar ciclos completos ocasionales (ej. cada 3 meses) para calibrar el BMS.

            • Evitar condiciones extremas (sobrecarga, temperaturas altas) para preservar el SO

Usando un Arduino para calcular el estado de salud SoH de una batería de Litio

Aquí tienes un ejemplo de algoritmo en Arduino para estimar el Estado de Salud (SOH) de una batería de litio, combinando mediciones de capacidad y resistencia interna. Utiliza componentes comunes como resistencias de carga, divisores de voltaje y sensores de corriente.

Componentes Necesarios

  1. Arduino (Uno, Nano, etc.).

  2. Sensor de corriente (ej. ACS712) o resistor shunt.

  3. Divisor de voltaje para medir voltaje de la batería.

  4. MOSFET o relé para aplicar carga controlada.

  5. Resistor de carga conocida (ej. 10Ω/5W).

  6. Sensor de temperatura (opcional, ej. LM35).

Algoritmo Paso a Paso

1. Configuración de Pines y Variables

cpp
Copy
// Pines
const int voltagePin = A0;    // Divisor de voltaje
const int currentPin = A1;    // Sensor de corriente (ACS712)
const int loadPin = 3;        // Control de carga (MOSFET/relé)

// Parámetros de la batería
float nominalCapacity = 2200; // Capacidad nominal en mAh
float initialResistance = 0.1; // Resistencia inicial en ohms (ajustar según batería)

// Variables
float openVoltage, loadVoltage, current, internalResistance, sohCapacity, sohResistance, sohCombined;

2. Medir Voltaje en Circuito Abierto

cpp
Copy
float readOpenVoltage() {
  digitalWrite(loadPin, LOW);      // Desactiva la carga
  delay(1000);                     // Espera estabilización
  int raw = analogRead(voltagePin);
  float voltage = (raw / 1023.0) * 5.0; // Escala según divisor de voltaje
  return voltage * 2.5;            // Ajustar factor según divisor (ej. R1=10k, R2=10k)
}

3. Medir Resistencia Interna (Método de Carga Pulsada)

cpp
Copy
float measureInternalResistance() {
  openVoltage = readOpenVoltage(); // Voltaje sin carga

  digitalWrite(loadPin, HIGH);     // Activa la carga
  delay(500);                      // Espera estabilización
  int rawLoad = analogRead(voltagePin);
  loadVoltage = (rawLoad / 1023.0) * 5.0 * 2.5; // Escala igual que antes

  float loadCurrent = (openVoltage - loadVoltage) / 10.0; // I = ΔV / R_carga (ej. R=10Ω)
  float internalR = (openVoltage - loadVoltage) / loadCurrent;

  digitalWrite(loadPin, LOW);      // Desactiva la carga
  return internalR;
}

4. Calcular SOH Basado en Capacidad (Coulomb Counting)

cpp
Copy
float calculateSOHCapacity() {
  float totalDischarge = 0.0;
  unsigned long previousMillis = millis();

  // Simula una descarga completa (en la práctica, requiere circuito de carga/descarga controlada)
  while (readOpenVoltage() > 3.0) { // Umbral mínimo de voltaje
    float current = readCurrent();  // Lee corriente en A
    unsigned long currentMillis = millis();
    totalDischarge += current * (currentMillis - previousMillis) / 3600000.0; // mAh
    previousMillis = currentMillis;
    delay(1000);
  }

  sohCapacity = (totalDischarge / nominalCapacity) * 100;
  return constrain(sohCapacity, 0, 100); // Limita entre 0% y 100%
}

5. Calcular SOH Basado en Resistencia Interna

cpp
Copy
float calculateSOHResistance() {
  float currentResistance = measureInternalResistance();
  sohResistance = (initialResistance / currentResistance) * 100; // Modelo simplificado
  return constrain(sohResistance, 0, 100);
}

6. Función Principal (loop())

cpp
Copy
void loop() {
  // Medir SOH por capacidad (requiere descarga completa)
  // sohCapacity = calculateSOHCapacity(); // Solo ejecutar en calibración

  // Medir SOH por resistencia interna (más rápido)
  sohResistance = calculateSOHResistance();

  // Combinar ambos SOH (ejemplo: promedio ponderado)
  sohCombined = (sohCapacity * 0.7 + sohResistance * 0.3); // Ajustar pesos

  Serial.print("SOH (Capacidad): ");
  Serial.print(sohCapacity);
  Serial.print("% | SOH (Resistencia): ");
  Serial.print(sohResistance);
  Serial.print("% | SOH Combinado: ");
  Serial.print(sohCombined);
  Serial.println("%");

  delay(5000); // Espera 5 segundos entre mediciones
}

Consideraciones Clave

  1. Calibración:

    • Ajustar el divisor de voltaje según el voltaje máximo de la batería (ej. para 12V: R1=30k, R2=7.5k).

    • Medir la resistencia de carga exacta con un multímetro.

  2. Seguridad:

    • Usar MOSFETs con disipadores térmicos para cargas altas.

    • Incluir protección contra sobredescarga (ej. corte automático a 3.0V).

  3. Optimización:

    • Usar filtros de media móvil para suavizar lecturas de voltaje/corriente.

    • Implementar un algoritmo de «coulomb counting» en tiempo real con EEPROM para guardar datos.

Ejemplo de Circuito

 
Copy
         Batería Li-ion
           |
           +---[Divisor Voltaje]--- A0
           |
           +---[Resistencia Carga]--- MOSFET --- GND
           |               |
           |              loadPin (D3)
           +---[Sensor Corriente]--- A1

Este código es un punto de partida básico. En aplicaciones reales, se recomienda:

  • Usar un BMS (Sistema de Gestión de Batería) integrado.

  • Implementar algoritmos avanzados como Kalman Filter o modelos basados en machine learning.

  • Validar con datos empíricos de la batería específica.