Las mediciones clave son la capacidad, la resistencia, la autodescarga, el voltaje, la corriente, la impedancia y la temperatura. En conjunto, estos parámetros muestran cuánta energía puede entregar aún una celda, con qué eficiencia suministra energía y si la degradación se está acelerando. Las pruebas también deben registrar las condiciones bajo las cuales se realizó cada medición, incluyendo la tasa de carga/descarga, la temperatura, el voltaje de corte y el recuento de ciclos.
El estado de salud (SOH) no puede determinarse de forma fiable a partir de una sola lectura. Los indicadores más importantes son la capacidad utilizable en relación con la capacidad nominal, la resistencia interna en relación con su línea base y la tasa de autodescarga, respaldados por datos de voltaje, temperatura, impedancia y vida útil del ciclo.
Qué se debe medir durante las pruebas de celdas
Capacidad de carga utilizable
Mida la capacidad en amperios-hora entregada por la celda durante una descarga controlada y compárela con su capacidad nominal o inicial.
[ \text{Retención de capacidad} = \frac{\text{Capacidad medida}}{\text{Capacidad de referencia}} \times 100% ]
La retención de capacidad es uno de los indicadores de SOH más claros. Una disminución rápida de la capacidad efectiva indica pérdida de material activo, aumento de la polarización u otros mecanismos de degradación.
Voltaje de la celda
Registre el voltaje de la celda de forma continua durante la carga, descarga, periodos de reposo y eventos de falla.
Los datos de voltaje revelan:
- Voltaje de circuito abierto y estado de carga aproximado
- Comportamiento del voltaje durante carga y descarga
- Caída de voltaje bajo carga
- Condiciones de sobrevoltaje o subvoltaje
- Desequilibrio entre celdas en una serie
El perfil de voltaje debe interpretarse junto con la corriente y la temperatura, ya que lecturas de voltaje idénticas pueden representar condiciones diferentes bajo distintas cargas.
Corriente de carga y descarga
Mida y registre la corriente real que entra y sale de la celda.
La corriente es necesaria para un conteo preciso de amperios-hora y para calcular la potencia:
[ P = V \times I ]
También establece la tasa C aplicada, la cual afecta fuertemente la capacidad medida, la caída de voltaje, el calentamiento y la capacidad de potencia aparente.
Resistencia interna e impedancia de CC
Mida la resistencia interna, preferiblemente bajo condiciones de pulso de corriente definidas, para determinar cuánto cae el voltaje de la celda cuando se aplica corriente.
El aumento de la resistencia generalmente causa:
- Mayor caída de voltaje bajo carga
- Reducción de la capacidad de potencia
- Aumento de la generación de calor
- Corte prematuro durante la operación de alta corriente
El resultado debe informarse junto con su temperatura de prueba, SOC, duración del pulso y corriente, ya que la resistencia depende en gran medida de las condiciones.
Impedancia electroquímica
Utilice la espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS) cuando se necesite información de diagnóstico más profunda.
Las mediciones de impedancia pueden ayudar a separar diferentes contribuciones al comportamiento de la celda, como la resistencia óhmica, las limitaciones de transferencia de carga y los efectos relacionados con la difusión. Repetir las mediciones de impedancia a lo largo de la vida útil puede revelar tendencias de degradación que quizás aún no sean obvias solo con la capacidad.
Corriente o tasa de autodescarga
Mida la pérdida de carga durante un periodo de reposo controlado con la celda aislada eléctricamente de cargas externas.
Una autodescarga elevada puede indicar fugas internas, contaminación, daños en el separador u otras condiciones anormales. Es particularmente útil para identificar celdas que parecen normales durante una prueba de capacidad corta pero que no son adecuadas para el almacenamiento a largo plazo o la operación en serie.
Temperatura
Mida la temperatura de la celda o de la superficie y registre el perfil de temperatura a lo largo de la prueba.
La temperatura afecta la capacidad, la resistencia, el voltaje, la tasa de envejecimiento y la seguridad. Registre tanto la temperatura máxima como el tiempo transcurrido a temperaturas elevadas, junto con la exposición a alto voltaje y alta corriente.
Para comparaciones significativas, la temperatura de prueba debe controlarse y documentarse en lugar de tratarse como datos incidentales.
Métricas de rendimiento que completan la evaluación
Energía entregada
Calcule la energía entregada integrando el voltaje sobre la capacidad descargada:
[ E = \int V , dQ ]
La retención de energía puede disminuir de forma diferente a la capacidad en amperios-hora porque el comportamiento del voltaje y la resistencia también cambian.
Capacidad de potencia
Evalúe la capacidad de la celda para suministrar energía durante pulsos de carga definidos o condiciones de descarga.
La capacidad de potencia depende del voltaje, la corriente, la resistencia interna, el SOC y la temperatura. Una celda puede conservar una capacidad sustancial mientras pierde rendimiento de alta potencia útil debido a que su resistencia ha aumentado.
Eficiencia coulómbica
Compare la carga devuelta con la carga suministrada durante un ciclo completo:
[ \text{Eficiencia coulómbica} = \frac{\text{Capacidad de descarga}}{\text{Capacidad de carga}} \times 100% ]
Las pequeñas ineficiencias acumuladas a lo largo de muchos ciclos pueden ayudar a identificar reacciones parasitarias en curso y predecir la pérdida de capacidad a largo plazo.
Recuento de ciclos y tasa de degradación
Registre el número de ciclo y realice un seguimiento de la capacidad, resistencia, energía y temperatura en relación con la vida útil del ciclo.
El valor absoluto en un punto importa, pero la tendencia suele ser más informativa. Una capacidad que disminuye rápidamente o una resistencia que aumenta bruscamente pueden indicar el final de la vida útil, incluso si la celda aún no ha cruzado un límite fijo.
Voltaje de equilibrio y sobrepotencial
Después de permitir que la celda repose, mida su voltaje de equilibrio o de circuito abierto. Compare esto con el voltaje bajo carga para evaluar la polarización y el sobrepotencial.
Estas mediciones respaldan el modelado del SOC y ayudan a distinguir el comportamiento termodinámico del voltaje de las pérdidas causadas por la resistencia y la cinética electroquímica.
Qué registrar para celdas conectadas en serie
Voltajes de celdas individuales
Para una cadena de celdas o un paquete de baterías, mida cada celda en lugar de solo el voltaje total del paquete.
Los voltajes mínimos y máximos de las celdas revelan desequilibrios, identifican la celda más débil y muestran si el balanceo es efectivo. El voltaje total puede parecer aceptable mientras una celda se acerca a un límite inseguro.
Desequilibrio de capacidad de las celdas
Compare la capacidad utilizable de las celdas dentro de la cadena.
La celda más débil puede determinar la capacidad utilizable y la capacidad de potencia de toda la batería, especialmente cuando el sistema de gestión de baterías limita la operación basándose en la primera celda que alcanza un umbral de voltaje.
Resistencia acumulativa
Realice un seguimiento tanto de la resistencia de cada celda individual como de la resistencia combinada de la cadena.
Esto distingue una celda débil de la resistencia añadida por interconexiones, barras colectoras, terminales, contactores u otros componentes del sistema.
Distribución de temperatura en la cadena
Mida la temperatura en múltiples ubicaciones relevantes cuando sea posible.
Un gradiente de temperatura puede identificar una distribución de corriente desigual, un diseño térmico deficiente, resistencia localizada o una celda que sufre una degradación anormal.
Datos de gestión de baterías y fallas
Cuando corresponda, registre:
- Voltaje y corriente total de la batería
- Voltajes mínimo y máximo de las celdas
- Mediciones de temperatura
- Límites de corriente de carga y descarga
- Indicadores de advertencia y falla
- Estado de balanceo de celdas
- Datos relevantes de CAN, SMBus o I²C
Esta información ayuda a reconstruir el comportamiento antes de una falla y a conectar las mediciones de laboratorio con las condiciones operativas reales.
Cómo hacer que las mediciones sean fiables
Controle las condiciones de prueba
La capacidad y la resistencia no son constantes intrínsecas. Varían con la temperatura, el SOC, la tasa de corriente, el tiempo de reposo, el voltaje de corte y el método de medición.
Utilice las mismas condiciones definidas al comparar una celda con su línea base o al evaluar la degradación a lo largo del tiempo.
Establezca una línea base
Mida una celda nueva o en buen estado antes de comenzar las pruebas de envejecimiento.
La capacidad base, la resistencia, la impedancia, la autodescarga, el comportamiento del voltaje y la respuesta a la temperatura proporcionan la referencia necesaria para calcular cambios significativos.
Verifique el sistema de prueba
El sistema de medición debe evaluarse en cuanto a incertidumbre, repetibilidad, reproducibilidad y linealidad en todo su rango operativo.
Una mala fidelidad de medición puede hacer que la deriva de la instrumentación parezca degradación de la batería. Esto es especialmente importante al detectar pequeños cambios en la resistencia, la autodescarga o la eficiencia coulómbica.
Registre los datos de forma continua
Las mediciones instantáneas son útiles, pero el registro continuo proporciona el contexto necesario para interpretarlas.
Como mínimo, sincronice el voltaje, la corriente, la temperatura, el recuento de ciclos, el estado operativo y la información de fallas para que el comportamiento anormal pueda rastrearse hasta un evento o condición operativa específica.
Entender las compensaciones
La capacidad por sí sola es insuficiente
Una celda puede conservar gran parte de su capacidad original mientras su resistencia interna aumenta sustancialmente.
Dicha celda puede seguir almacenando energía, pero no cumplir con la demanda de potencia requerida debido a la caída de voltaje y la generación de calor.
La resistencia depende en gran medida de las condiciones
La resistencia medida a diferentes temperaturas, niveles de SOC, duraciones de pulso o amplitudes de corriente no puede compararse directamente sin normalización.
Una tendencia válida requiere un protocolo de prueba consistente.
La EIS proporciona detalles pero requiere experiencia
La espectroscopia de impedancia puede proporcionar una separación de diagnóstico valiosa, pero los resultados dependen del rango de frecuencia, la calidad del dispositivo, el nivel de excitación, el estado de la celda y el modelo de interpretación.
Debe complementar, no reemplazar, las pruebas de capacidad, resistencia y autodescarga.
Los datos a nivel de paquete pueden ocultar celdas débiles
El voltaje total, la capacidad total o la temperatura promedio pueden ocultar desequilibrios o degradación localizada.
Para sistemas conectados en serie, las mediciones de celdas individuales son esenciales para identificar la celda limitante.
Los umbrales de SOH fijos son específicos de la aplicación
El umbral práctico de fin de vida útil depende de los requisitos de la aplicación en cuanto a capacidad, potencia, seguridad y rango operativo.
Una celda puede no ser adecuada para una aplicación debido a la pérdida de potencia, mientras que sigue siendo utilizable en otra con menores demandas de corriente.
Tomar la decisión correcta para su objetivo
Utilice un conjunto de mediciones que coincida tanto con la aplicación prevista como con el nivel de certeza de diagnóstico requerido.
- Si su enfoque principal es la estimación básica de SOH: Mida la capacidad utilizable, la resistencia interna, la autodescarga, el voltaje, la corriente y la temperatura bajo condiciones repetibles.
- Si su enfoque principal es el rendimiento de alta potencia: Priorice la resistencia de CC, la caída de voltaje, el comportamiento de pulso de potencia, el aumento de temperatura y los límites de corriente.
- Si su enfoque principal es el diagnóstico de degradación: Añada espectroscopia de impedancia electroquímica, eficiencia coulómbica, perfiles de voltaje detallados y registro continuo de la vida útil del ciclo.
- Si su enfoque principal es la evaluación de cadenas en serie o paquetes: Mida el voltaje, capacidad, resistencia, temperatura, comportamiento de balanceo de cada celda y la resistencia acumulativa de la cadena.
- Si su enfoque principal es una prueba de producción fiable: Valide el equipo de prueba en cuanto a incertidumbre, repetibilidad, reproducibilidad y linealidad antes de confiar en sus resultados de SOH.
Una evaluación de SOH defendible combina la pérdida de capacidad, el crecimiento de la resistencia, la autodescarga, el comportamiento operativo y el historial térmico en lugar de depender de un solo parámetro.
Tabla resumen:
| Parámetro | Por qué es importante | Indicador de SOH |
|---|---|---|
| Capacidad | Mide la capacidad de almacenamiento de energía; la caída indica degradación | % de retención de capacidad |
| Resistencia interna/Impedancia de CC | Afecta el suministro de energía y el calor; el aumento indica envejecimiento | % de aumento de resistencia |
| Autodescarga | Identifica fugas internas; la pérdida anormal indica problemas | Tasa de autodescarga |
| Voltaje | Revela SOC, caída de voltaje y fallas | Estabilidad del perfil de voltaje |
| Corriente | Proporciona conteo de amperios-hora y cálculo de potencia | Capacidad de corriente |
| Temperatura | Afecta el rendimiento y el envejecimiento; las altas temperaturas aceleran la degradación | Aumento y distribución de temperatura |
| Impedancia electroquímica (EIS) | Separa los mecanismos de degradación | Tendencias de impedancia |
| Eficiencia coulómbica | Detecta reacciones parasitarias; predice la pérdida de capacidad a largo plazo | % de CE |
| Recuento de ciclos | Rastrea la degradación a lo largo de la vida útil | Tendencia de capacidad/resistencia |
Nota: El SOH debe evaluarse a partir de una combinación de estas métricas, no de un solo parámetro.
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