Las pruebas HPPC utilizan un escalonamiento controlado del SOC, periodos de reposo y pulsos de corriente cortos para medir cómo responde dinámicamente el voltaje de una batería. Un sistema programable de prueba de baterías registra la corriente, el voltaje terminal, el tiempo y, generalmente, la temperatura mientras la celda se desplaza a través de puntos de SOC, comúnmente en incrementos del 10%. La respuesta de voltaje resultante se utiliza para identificar el voltaje de circuito abierto, la resistencia óhmica, la resistencia de polarización y las constantes de tiempo RC para un modelo de circuito equivalente.

El flujo de trabajo esencial es: establecer la relación OCV-SOC, hacer avanzar la batería a través de niveles de SOC definidos, aplicar pulsos de descarga y carga en cada nivel, y ajustar la respuesta de voltaje medida a un modelo de circuito equivalente.

Qué está diseñado para medir la prueba HPPC

Respuesta de potencia dinámica

El protocolo HPPC evalúa la capacidad de la batería para entregar y aceptar energía en diferentes niveles de SOC. Separa la respuesta de voltaje inmediata causada por la resistencia óhmica de la respuesta más lenta causada por la polarización electroquímica.

Parámetros del modelo dependientes del SOC

Los parámetros de la batería no son constantes en todo el rango operativo. Por lo tanto, la prueba produce mapas de parámetros tales como:

• (U_{OCV}(SOC)) o (V_{OC}(SOC))
• Resistencia óhmica, (R_0)
• Resistencia de polarización, (R_P)
• Capacitancia de polarización, (C_P)
• Constante de tiempo RC, (\tau = R_P C_P)

Los modelos más complejos pueden utilizar múltiples ramas de polarización, tales como (R_1,C_1) y (R_2,C_2).

Cómo ejecuta el protocolo el sistema de prueba de baterías

Configurar el canal de prueba

La celda o módulo se conecta a un ciclado de baterías programable con salida de corriente controlada, medición de voltaje y corriente, monitoreo de temperatura y control de secuencia automatizado.

El sistema debe ser capaz de generar transiciones rápidas de corriente y muestrear la respuesta de voltaje resultante en intervalos suficientemente cortos. El procedimiento de referencia utiliza aproximadamente intervalos de datos de 0.1 segundos durante la secuencia de pulsos.

Cargar completamente y estabilizar la batería

La prueba comienza cargando la batería a su condición de carga completa definida utilizando el protocolo de carga seleccionado. Luego, la batería se deja en reposo, comúnmente durante aproximadamente 2 horas, para permitir que el voltaje, la temperatura y los estados electroquímicos se acerquen al equilibrio.

Este paso establece una condición inicial reproducible y proporciona una estimación práctica del voltaje de circuito abierto de carga completa.

Avanzar a través de los niveles de SOC

El sistema descarga la batería en incrementos controlados, comúnmente pasos del 10% de SOC, utilizando una corriente constante como 0.3 C.

Después de cada incremento de descarga, el sistema hace una pausa para un periodo de reposo, comúnmente de aproximadamente 1 hora. El reposo permite que los efectos de voltaje transitorio decaigan antes de la siguiente prueba de pulso.

La secuencia se repite hasta que se haya caracterizado el rango de SOC requerido.

Aplicar la secuencia de pulsos

En cada punto de SOC, el sistema de prueba automatizado aplica una secuencia de pulsos compuesta:

1. Pulso de descarga: aproximadamente 10 segundos a 1 C
2. Reposo en circuito abierto: aproximadamente 40 segundos
3. Pulso de carga: aproximadamente 10 segundos a 0.75 C

La magnitud y duración exactas del pulso pueden adaptarse a la celda, el módulo, el objetivo de la prueba y los límites del equipo. Algunas implementaciones de HPPC especifican niveles de pulso relativos a la corriente máxima permitida en lugar de utilizar tasas C fijas.

Registrar datos de prueba sincronizados

El sistema registra de forma sincronizada en el tiempo:

• Voltaje terminal
• Corriente aplicada
• SOC o rendimiento de carga acumulada
• Temperatura de la celda y ambiente
• Marcadores de estado de prueba, como inicio y fin de pulso

La sincronización precisa es importante porque los cálculos de parámetros dependen de los cambios de voltaje que ocurren inmediatamente después de un paso de corriente y durante la relajación posterior.

Establecimiento de la relación OCV–SOC

Utilizar el voltaje de reposo como estimación de OCV

En cada nivel de SOC, el voltaje medido después de un reposo suficiente se utiliza como una aproximación del voltaje de circuito abierto:

[ U_{OCV}(SOC) \approx U_{\text{rest}} ]

La tabla resultante o la curva ajustada define el voltaje de equilibrio de la batería en función del SOC.

Reconocer los límites de los periodos de reposo cortos

Un reposo de una hora puede proporcionar una aproximación de ingeniería útil, pero no siempre produce un equilibrio electroquímico completo. Para una caracterización de OCV de alta precisión, pueden ser necesarios reposos más largos o una prueba de OCV dedicada.

Por lo tanto, la curva de OCV debe tratarse por separado de la respuesta de pulso dinámica siempre que la aplicación requiera una alta precisión en la estimación del SOC.

Extracción de parámetros de circuito equivalente

Identificar el cambio de voltaje óhmico instantáneo

Cuando comienza un pulso de corriente, el voltaje terminal cambia abruptamente. Este paso inmediato se asocia principalmente con la resistencia óhmica de la batería, incluidas las contribuciones del electrolito, los colectores de corriente, los contactos y otros efectos resistivos rápidos.

Una estimación básica de la resistencia es:

[ R_0 = \frac{\Delta U}{\Delta I} ]

Para una secuencia de pulsos que contiene tanto transiciones de descarga como de carga, se puede escribir una estimación combinada como:

[ R_0 = \frac{(U_0-U_1)+(U_3-U_2)}{2I_1} ]

Las etiquetas de voltaje exactas dependen de cómo se definan los puntos de datos, pero el principio es el mismo: dividir el paso de voltaje instantáneo por el paso de corriente correspondiente.

Ajustar la respuesta de polarización transitoria

Después del salto de voltaje instantáneo, el voltaje continúa cambiando de manera más gradual. Este comportamiento transitorio se atribuye a la polarización y se modela utilizando una o más ramas de resistencia-capacitancia.

Para un modelo de Thevenin de primer orden, una ecuación de respuesta representativa es:

[ y(t)=a-bI-cI\left(1-e^{-t/d}\right) ]

Los términos ajustados se interpretan como:

• (a): voltaje de circuito abierto, (U_{OCV})
• (b): resistencia óhmica, (R_0)
• (c): resistencia de polarización, (R_P)
• (d): constante de tiempo RC, (\tau)

La capacitancia de polarización se calcula entonces a partir de:

[ C_P=\frac{\tau}{R_P} ]

Ajustar las respuestas de carga y descarga por separado cuando sea necesario

Es posible que la batería no responda de manera idéntica durante la descarga y la carga. Por lo tanto, los datos de la prueba pueden utilizarse para identificar parámetros separados tales como:

• Resistencia de descarga: (R_{\text{discharge}})
• Resistencia de carga o regeneración: (R_{\text{charge}})

Esta distinción es útil al calcular tanto la capacidad de potencia de descarga como la aceptación de carga regenerativa.

Extender el modelo para múltiples escalas de tiempo

Una sola rama (R_P C_P) puede no representar todo el comportamiento dinámico de la batería. Si la respuesta de voltaje contiene múltiples escalas de tiempo de relajación, el modelo puede expandirse:

[ R_0 + (R_1 \parallel C_1) + (R_2 \parallel C_2) ]

El sistema de prueba sigue ejecutando el mismo experimento de pulso básico, pero la etapa de estimación de parámetros ajusta múltiples componentes exponenciales en lugar de uno.

Aplicación de la estimación de parámetros a cada punto de SOC

Segmentar los datos de pulso

Para cada nivel de SOC, el software de análisis identifica:

• El voltaje de reposo previo al pulso
• La transición de corriente
• El paso de voltaje instantáneo
• La caída o recuperación de voltaje transitorio
• El final del pulso
• La respuesta de relajación posterior

Los datos se separan luego en segmentos de descarga y carga cuando corresponde.

Estimar parámetros mediante regresión o ajuste de curvas

La regresión lineal de mínimos cuadrados, los mínimos cuadrados no lineales o el ajuste de curvas exponenciales pueden aplicarse a la respuesta segmentada.

Los parámetros ajustados se calculan de forma independiente en cada punto de SOC, produciendo funciones de parámetros tales como:

[ R_0=f(SOC) ]

[ R_P=f(SOC) ]

[ C_P=f(SOC) ]

[ U_{OCV}=f(SOC) ]

Estas funciones pueden almacenarse como tablas de búsqueda, ajustes polinomiales, curvas spline u otras formas adecuadas para un modelo de sistema de gestión de baterías.

Validar el modelo ajustado

El modelo identificado se simula utilizando los mismos pulsos de corriente aplicados durante el experimento. Su voltaje terminal predicho se compara con el voltaje medido.

Un conjunto de parámetros creíble debería reproducir tanto:

• El salto de voltaje inmediato en la transición de corriente
• La respuesta transitoria más lenta durante y después del pulso

Los grandes errores de ajuste pueden indicar un tiempo de reposo inadecuado, una temporización de pulso inexacta, deriva de temperatura, ruido de medición o un modelo de circuito equivalente que es demasiado simple.

Cálculo de la capacidad de potencia de pulso

Determinar el voltaje y la resistencia permitidos

La resistencia medida puede combinarse con los límites de voltaje para estimar la capacidad de potencia de pulso de la batería.

Para la descarga, un cálculo representativo es:

[ P_{\text{discharge}}

\frac{U_{\min}\left(U_{OCV}-U_{\min}\right)} {R_{\text{discharge}}} ]

Para la carga, un cálculo representativo es:

[ P_{\text{charge}}

\frac{U_{\max}\left(U_{\max}-U_{OCV}\right)} {R_{\text{charge}}} ]

Aquí:

• (U_{\min}) es el voltaje de descarga mínimo permitido
• (U_{\max}) es el voltaje de carga máximo permitido
• (U_{OCV}) es el voltaje de equilibrio en el SOC probado

Estos cálculos estiman cuánta energía se puede entregar o aceptar antes de alcanzar las restricciones de voltaje.

Interpretar los resultados de potencia con cuidado

Las ecuaciones de potencia son estimaciones basadas en modelos, no límites universales. Las restricciones térmicas, los límites de corriente, el envejecimiento, la duración del pulso, el desequilibrio de las celdas y las protecciones del sistema de gestión de baterías pueden imponer límites más estrictos.

Comprensión de los compromisos

Los pulsos cortos mejoran la resolución dinámica

Los pulsos de corriente cortos aíslan el comportamiento de voltaje rápido y hacen que el paso de voltaje óhmico sea más fácil de identificar. Sin embargo, es posible que no revelen completamente los mecanismos de polarización más lentos.

Los pulsos más largos revelan más dinámicas

Los pulsos más largos proporcionan más información sobre el comportamiento transitorio y relacionado con la difusión. También aumentan el riesgo de deriva del SOC, calentamiento y desviación de la condición de prueba nominal.

Una corriente más alta mejora la intensidad de la señal

Los pulsos más grandes producen cambios de voltaje más grandes, mejorando la sensibilidad de identificación de la resistencia. Sin embargo, una corriente excesiva puede causar calentamiento, comportamiento no lineal o estrés en la celda que distorsiona los parámetros.

La duración del reposo afecta la precisión del OCV

Un reposo insuficiente puede hacer que el "OCV" medido incluya polarización residual. Los periodos de reposo excesivamente largos mejoran el equilibrio pero aumentan sustancialmente la duración de la prueba.

La temperatura debe controlarse

Los parámetros del circuito equivalente varían con la temperatura. Si la temperatura cambia durante el barrido de SOC, el mapa de parámetros resultante puede combinar los efectos del SOC con los efectos térmicos.

Por lo tanto, la prueba debe registrar la temperatura continuamente y, siempre que sea posible, repetir la caracterización a las temperaturas relevantes para la aplicación prevista.

Un modelo puede no ajustarse a todas las condiciones operativas

Los parámetros identificados a una tasa C, temperatura, estado de envejecimiento o duración de pulso determinados no deben tratarse automáticamente como universales. El modelo es válido solo dentro de las condiciones representadas por los datos de prueba, a menos que una validación adicional respalde un uso más amplio.

Tomar la decisión correcta para su objetivo

La implementación más confiable es una secuencia automatizada repetible que combina el escalonamiento controlado del SOC, periodos de reposo adecuados, control preciso de pulsos, adquisición sincronizada de alta velocidad y ajuste de parámetros en cada punto de SOC.

• Si su enfoque principal es el modelado de circuitos equivalentes: Utilice la respuesta de pulso para separar el paso óhmico instantáneo del transitorio de polarización más lento, luego ajuste (R_0), (R_P) y (C_P) o múltiples ramas RC en cada SOC.
• Si su enfoque principal es la estimación del SOC: Realice una caracterización dedicada de OCV con reposos suficientemente largos y utilice los datos de HPPC para capturar la corrección de voltaje dinámica.
• Si su enfoque principal es la capacidad de potencia de descarga: Extraiga la resistencia de descarga en cada SOC y combínela con el voltaje mínimo permitido y el OCV medido.
• Si su enfoque principal es la carga regenerativa: Identifique la resistencia del lado de carga por separado y calcule la potencia de carga permitida utilizando el límite de voltaje máximo.
• Si su enfoque principal es la precisión del modelo: Controle la temperatura, verifique la temporización de los pulsos, valide el modelo ajustado frente al voltaje medido y utilice un modelo de múltiples constantes de tiempo cuando una sola rama RC sea inadecuada.

Una prueba HPPC ejecutada correctamente convierte las mediciones de pulso controladas en parámetros eléctricos dependientes del SOC que pueden respaldar directamente los modelos de batería, los cálculos de límites de potencia y los algoritmos de gestión de baterías.

Tabla resumen:

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