Métodos de prueba rápida de baterías

Una batería se asemeja a un organismo vivo que no puede medirse; sólo estimarse mediante diagnósticos similares a los de un médico que examina a un paciente. La precisión de las pruebas rápidas varía en función de los síntomas. Estos indicadores cambian con el estado de carga (SoC), la agitación tras la carga y la descarga, la temperatura y la duración del almacenamiento. Una prueba rápida debe ser capaz de distinguir entre una batería buena parcialmente cargada y una débil totalmente cargada. Ambas variantes ofrecen tiempos de funcionamiento similares en manos del usuario, pero tienen niveles de rendimiento diferentes.

Un análisis de rendimiento muy utilizado es el recuento de culombios, en el que se miden las energías de entrada y salida. El recuento de culombios se remonta a hace 250 años, cuando Charles-Augustin de Coulomb estableció por primera vez la "Regla de Coulomb". Elegante en su concepto, pero el recuento de culombios tiene su propio problema en que pierde precisión cuando la batería se carga y descarga aleatoriamente. La estimación del estado de salud (SoH) mediante una solución digital está incompleta si no incluye también la batería química.

El principal indicador de la salud de una batería es capacidad. La capacidad representa el almacenamiento de energía, una cualidad que se desvanece gradual y permanentemente con el uso. Otras características responsables del SoH son la resistencia interna que gobierna la corriente de carga y autodescarga que examina la integridad mecánica. Las tres características deben cumplirse para que una batería tenga el visto bueno.

Estimar la capacidad de la batería química sobre la marcha es de lo más complejo. Para ello se utilizan algoritmos y matrices que sirven de tablas de consulta similares a las de reconocimiento de letras o caras. Los métodos modernos de prueba rápida avanzan hacia el aprendizaje automático avanzado para captar los múltiples estados de ánimo de una batería.

A continuación se ofrece un resumen de los métodos de prueba, desde los más sencillos hasta los más complejos, para examinar las baterías.

Tensión	Revela el SoC. No es posible estimar la capacidad.
Prueba óhmica	Mide la resistencia interna de la batería para verificar las características de carga e identificar condiciones de fallo. Las lecturas de resistencia no se correlacionan con la capacidad. La prueba óhmica también se conoce como prueba de impedancia (Z).
Ciclo completo	Lee la capacidad de la batería química con un ciclo de carga/descarga/carga. Los resultados son precisos, pero a menudo hay que retirar la batería del servicio y las pruebas duran horas.
Prueba rápida	La mayoría de los métodos de ensayo rápido se basan en el dominio del tiempo o de la frecuencia. El dominio temporal excita la batería con impulsos para observar el flujo de iones de las baterías de iones de litio. El dominio de la frecuencia escanea la batería con múltiples frecuencias para generar un gráfico de Nyquist para el análisis. Ambos métodos requieren algoritmos complejos con parámetros o matrices que sirven de tablas de consulta.
BMS	Los sistemas de gestión de baterías calculan el SoC controlando la tensión, la corriente y la temperatura. Algunos BMS para Li-ion también cuentan culombios. Un BMS puede identificar un defecto en la batería, pero no puede estimar la capacidad con precisión.
Recuento de Coulomb	Lee la corriente de entrada y salida. La batería inteligente almacena los datos en el registro de capacidad de carga completa (FCC) al que se puede acceder, pero las lecturas pueden ser inexactas si la batería no está calibrada. Un ciclo completo corrige el error de seguimiento.
Analizador de baterías	Un nuevo método para estimar la capacidad durante la carga. Un algoritmo de filtrado propio establece el SoC preciso; el recuento de culombios estima la capacidad de la batería.

Métodos de prueba rápida

Ninguna prueba puede captar por sí sola todos los indicadores del estado de una batería. Muchos dispositivos de prueba rápida sólo tienen en cuenta el voltaje y la resistencia interna. Mientras que la pérdida de capacidad de una batería de NiCd o NiMH puede correlacionarse con el aumento de la resistencia interna, esta relación es menos evidente con las baterías de litio y plomo. Anunciar la estimación de la capacidad con un comprobador que sólo mide el voltaje y la resistencia interna puede ser engañoso. Confunde al sector haciéndole creer que se pueden obtener resultados complejos con métodos simplistas. Los instrumentos basados en la resistencia identificarán efectivamente una batería moribunda o agotada; pero también lo hará el usuario.

Una batería es un dispositivo reactivo y el método por el que se toman las medidas de resistencia es importante. Una medición de CC analiza los valores resistivos puros, mientras que la CA incluye componentes reactivos que proporcionan información adicional. Figura 1 representa la impedancia de una batería de iones de litio buena y otra defectuosa cuando se escanea con CA de 0,1Hz a 1kHz. Las mayores variaciones de impedancia (-Imp -Z) se observan en la escala de baja frecuencia, entre 1 Hz y 10 Hz.

Las variaciones de impedancia son más visibles por debajo de 10 Hz. La escala horizontal es logarítmica para condensar la gama de frecuencias.
^{Fuente: Cadex Electronics}
Cabe señalar que las lecturas resistivas por sí solas no son concluyentes. No hay un tamaño que se ajuste a todos y las firmas varían con el tamaño y el tipo de batería. Los niveles de SoC, la agitación y la temperatura también influyen en los resultados. Los laboratorios Cadex descubrieron además diferencias en el envejecimiento de las pilas. Lo más desconcertante es por qué el envejecimiento natural produce firmas distintas a las del envejecimiento artificial realizado en cámaras ambientales con regímenes de prueba fijos. Este comportamiento similar al humano comparte similitudes con la longevidad que experimentan las personas que viven en distintas regiones del mundo.

Cadex es pionero en varios métodos de ensayo rápido. Éstos son Modelo específico de clasificación rápida, respuesta dinámica electroquímica y espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS).

Modelo específico de clasificación rápida (QSMS)

QSMS observa diferencias en los valores resistivos al evaluar una batería con métodos de CC y CA. Por ejemplo, la resistencia del Li-ion en una celda 18650 es de unos 110mOhm con medición de CC y de unos 36mOhm con una señal de CA de 1.000 Hz. La variación entre las dos lecturas proporciona información sobre el rendimiento cuando se compara con parámetros específicos de la batería que se almacenan en una tabla de consulta.

El algoritmo es relativamente sencillo y el tiempo de prueba es corto, pero la logística de crear los parámetros derivados de las baterías buenas, marginales y malas añade complejidad. QSMS es uno de los varios métodos de ensayo rápido que Cadex ha desarrollado para clasificar las baterías de los teléfonos móviles sobre la marcha.

Respuesta dinámica electroquímica (EDR)

La EDR mide la movilidad del flujo de iones entre electrodos aplicando pulsos de carga y evaluando el tiempo de respuesta en ataque y recuperación. Los tiempos de recuperación se comparan con parámetros almacenados relativos al rendimiento de la batería. Figura 2 demuestra una buena batería que es firme y tiene una recuperación rápida contra una batería débil que muestra suavidad y tiene una recuperación lenta.

El EDR mide el flujo de iones entre las placas positiva y negativa. Una batería potente se recupera rápidamente de un ataque, mientras que un pack más débil es más lento.
^{Patente estadounidense 7.622.929. Fuente: Cadex Electronics}

El coeficiente de difusión del Li-ion difiere según el material activo y los aditivos electrolíticos utilizados. La EDR fue desarrollada por Cadex para probar rápidamente una amplia gama de baterías de teléfonos móviles. La tecnología se está desarrollando ahora para probar baterías más grandes.

Espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS)

El EIS lleva las pruebas rápidas a un nivel de complejidad superior escaneando una batería con múltiples frecuencias para generar un gráfico de Nyquist. A continuación, la información Nyquist se superpone a modelos electroquímicos que permiten estimar la capacidad, el CCA y el SoC de forma no invasiva. El tiempo de prueba típico es de 15 segundos.

El gráfico de Nyquist debe su nombre a Harry Nyquist (1889-1976), antiguo ingeniero de los Laboratorios Bell. Presenta la respuesta en frecuencia de un sistema lineal mostrando tanto la amplitud como el ángulo de fase en un único gráfico utilizando la frecuencia como parámetro. El eje horizontal x muestra la impedancia real de Ohm, mientras que el eje vertical y representa la impedancia imaginaria. Los científicos predicen que el diagnóstico de baterías está gravitando hacia la tecnología EIS mediante la combinación de los resultados de las pruebas con un modelado complejo.

Figura 3 ilustra los tres dominios del gráfico de Nyquist titulado migración en el extremo de alta frecuencia, transferencia de carga en la gama media, y difusión en la escala de baja frecuencia.

El semicírculo de frecuencia media representa mejor las características de la batería. Las baterías más grandes requieren frecuencias más bajas.
^{Fuente: Cadex}

Al escanear una batería de kilohercios a milihercios, el campo de Migración revela cualidades resistivas de una batería que representa una vista de pájaro del paisaje. Las características más valiosas se encuentran en la gama de frecuencias medias, denominada Transferencia de Carga. Este dominio tan importante forma un semicírculo que representa la cinética de la batería que proporciona referencias de SoH. El rango bajo, denominado Difusión, incluye información adicional relativa a la capacidad, pero requiere largos tiempos de prueba. El tamaño de la batería dirige la frecuencia; cuanto mayor sea la batería en amperios-hora, menor será la frecuencia aplicada.

Una prueba rápida debería durar entre unos segundos y no más de 5 minutos, pero la aplicación de frecuencias ultrabajas prolonga el tiempo. Por ejemplo, a un milihercio (mHz), un ciclo dura 1.000 segundos, o 16 minutos, y se necesitan varios puntos de datos para completar el análisis. La duración de las pruebas puede acortarse a menudo con una simulación de software inteligente.

El análisis de Nyquist es muy adecuado para probar baterías de litio y plomo. La espectroscopia de impedancia electroquímica multimodelo, o Spectro™ de Cadex, es la primera aplicación basada en EIS que estima la capacidad de la batería. La capacidad es el principal indicador de salud; la CCA de una batería de arranque se refiere a la resistencia interna de la batería que es responsable del arranque del motor. En una batería en buen estado, la CCA se mantiene alta mientras que la capacidad disminuye gradualmente con el uso. Se produce un "no arranque" cuando la capacidad cae por debajo del nivel necesario para arrancar el motor. Para evitar sorpresas, una batería de arranque debe sustituirse cuando la capacidad descienda al 40%. La ventaja de la estimación de la capacidad también queda clara en esta aplicación.

Analizador de baterías

El término "analizador sintáctico" se utiliza en informática para describir la recepción y clasificación de datos de instrucción. Cadex utiliza este término para definir la capacidad de la batería estableciendo el SoC preciso con un algoritmo propio (pendiente de patente) y contando después los culombios que "llenan" el espacio disponible de la batería. El periodo de carga debe ser lo suficientemente largo para obtener buenas lecturas. Los resultados de laboratorio de Cadex muestran una mayor precisión de la capacidad con el analizador sintáctico de baterías que lo que es típico con el recuento de culombios no calibrado de una batería inteligente.

El analizador de baterías utiliza aprendizaje automático avanzado, algoritmos que se abrirán camino en los cargadores de baterías modernos para proporcionar control de calidad en las baterías. Esta integración convertirá al cargador en un sistema de supervisión sin logística añadida y con poco coste adicional. Los cargadores de baterías de diagnóstico hacen transparente el rendimiento de las baterías eliminando el síndrome de la "caja negra", un problema que ha perseguido a los usuarios de baterías durante siglos.

Resumen

Ninguna prueba rápida puede evaluar todos los síntomas de la batería. Siempre habrá valores atípicos que desafíen los protocolos de prueba. Las predicciones correctas para baterías en servicio deberían ser de 9 sobre 10. Los valores atípicos pueden incluir baterías que son nuevas y no se han formateado completamente, o baterías que han estado almacenadas. Un SoC bajo también provoca errores.

La capacidad es el guardián de la salud de la batería que se relaciona con el tiempo de funcionamiento y predice el final de la vida útil. El término capacidad no se entiende bien. Normalmente, una batería se sustituye cuando su capacidad se reduce al 80%. A la hora de elegir los umbrales de fin de vida útil, una organización debe asegurarse de que la batería de menor rendimiento pueda desempeñar la función asignada. Revelar la estimación de la capacidad mediante pruebas rápidas o en un cargador cambiará la forma de mantener las baterías. En última instancia, estos avances marcarán el comienzo de una revolución industrial de las baterías.