1. Introducción a las baterías de iones de litio
1.1 Estado de carga; SOC
El estado de carga se puede definir como el estado de energía disponible de una batería, generalmente expresado como un porcentaje. Dado que la energía disponible puede variar debido a la corriente de carga/descarga, la temperatura y los fenómenos de envejecimiento, la definición de estado de carga también se divide en dos tipos: estado de carga absoluto (ASOC) y estado de carga relativo (RSOC). Normalmente, el rango de RSOC es de 0% a 100%, donde 100% representa una batería completamente cargada y 0% representa una batería completamente descargada. El ASOC, por su parte, es un valor de referencia calculado en base al valor de capacidad fija diseñado en el momento de la fabricación de la batería. El ASOC de una batería nueva completamente cargada es del 100%, pero una batería envejecida, incluso cuando está completamente cargada, puede no alcanzar el 100% en diferentes condiciones de carga / descarga.
El siguiente gráfico ilustra la relación entre el voltaje y la capacidad de la batería a diferentes velocidades de descarga. A medida que aumenta la velocidad de descarga, la capacidad de la batería disminuye. Además, la capacidad de la batería también disminuye a temperaturas más bajas.


1.2 Voltaje máximo de carga
El voltaje máximo de carga de una batería está determinado por su composición química y características. En el caso de las baterías de litio, el voltaje de carga suele oscilar entre 4,2 V y 4,35 V. Sin embargo, los valores de voltaje pueden variar según los materiales específicos del cátodo y el ánodo utilizados en la batería.
1.3 Completamente cargado
Cuando la diferencia de voltaje entre el voltaje de la batería y el voltaje máximo de carga es inferior a 100 mV, y la corriente de carga se reduce a C/10, la batería puede considerarse completamente cargada. Las condiciones específicas para que una batería se considere completamente cargada pueden variar en función de sus características.
El siguiente gráfico representa una curva característica de carga típica de una batería de litio. Cuando el voltaje de la batería alcanza el voltaje de carga máximo y la corriente de carga se reduce a C/10, la batería se considera completamente cargada.

1.4 Mini voltaje de descarga
El voltaje de descarga mínimo se puede definir como el voltaje de descarga de corte, que generalmente es el voltaje cuando el estado de carga es 0%. Este valor de voltaje no es fijo, sino que cambia con factores como la carga, la temperatura, el grado de envejecimiento u otros.
1.5 Descarga completa
Cuando el voltaje de la batería es menor o igual al voltaje de descarga mínimo, se puede denominar descarga completa.
1.6 Tarifa C
La tasa de carga/descarga es una representación de la corriente de carga o descarga en relación con la capacidad de la batería. Por ejemplo, si una batería se descarga a 1C, lo ideal sería que se descargara por completo después de una hora. Las diferentes tasas de carga/descarga dan como resultado diferentes capacidades disponibles. Generalmente, las tasas de carga/descarga más altas conducen a capacidades disponibles más pequeñas.
1.7El recuento de ciclos se refiere al número de ciclos completos de carga y descarga que experimenta una batería y se puede estimar en función de la capacidad descargada real y la capacidad de diseño. Cada vez que la capacidad descargada acumulada alcanza la capacidad de diseño, cuenta como un ciclo. Por lo general, después de alrededor de 500 ciclos de carga y descarga, la capacidad de la batería completamente cargada puede disminuir entre un 10% y un 20% aproximadamente.

1.8 Autodescarga
La autodescarga de todas las baterías aumenta con la temperatura. La autodescarga no es esencialmente un defecto de fabricación, sino una característica inherente a las baterías. Sin embargo, la manipulación inadecuada durante el proceso de fabricación también puede contribuir a una mayor autodescarga. Normalmente, por cada aumento de 10 °C en la temperatura, la tasa de autodescarga se duplica. Las baterías de iones de litio tienen una tasa de autodescarga de aproximadamente el 1-2% por mes, mientras que varias baterías a base de níquel tienen una tasa de autodescarga de aproximadamente el 10-15% por mes.

- 2.1 Introducción al indicador de capacidad de la batería
- 3.2.1 Introducción a la funcionalidad del indicador de combustible de la batería
La gestión de la batería puede considerarse parte de la gestión de la energía. En la gestión de la batería, el indicador de capacidad de la batería es responsable de estimar la capacidad de la batería. Su función básica es monitorear el voltaje, la corriente de carga / descarga y la temperatura de la batería, y estimar el estado de carga (SOC) y la capacidad de carga total (FCC) de la batería. Existen dos métodos típicos para estimar el estado de carga (SOC) de una batería: el método de voltaje de circuito abierto (OCV) y el método de conteo de culombios. Otro método es el algoritmo de voltaje dinámico diseñado por RICHTEK.
2.2 Método de voltaje de circuito abierto
Con un indicador de combustible basado en el método de voltaje de circuito abierto (OCV), el proceso de implementación es relativamente sencillo. Implica hacer referencia a una tabla de búsqueda que correlaciona el voltaje de circuito abierto con el estado de carga (SOC) correspondiente. El método OCV supone que la batería ha estado en reposo durante aproximadamente 30 minutos, y el voltaje medido durante este período de reposo representa el voltaje del terminal de la batería.
Las diferentes cargas, temperaturas y condiciones de envejecimiento de la batería pueden dar lugar a variaciones en la curva de voltaje de la batería. Por lo tanto, una tabla de búsqueda fija para el voltaje de circuito abierto no puede representar completamente el estado de carga (SOC). No es fiable confiar únicamente en las tablas de búsqueda para estimar el SOC. En otras palabras, si el SOC se estima únicamente en función de las tablas de búsqueda, habrá un margen de error significativo.

Con base en la figura proporcionada, es evidente que existe una diferencia significativa en el estado de carga (SOC) bajo diferentes cargas durante la descarga. Por lo tanto, en general, el método de voltaje de circuito abierto (OCV) solo es adecuado para sistemas con requisitos de baja precisión para la estimación de SOC, como aplicaciones automotrices que utilizan baterías de plomo-ácido o sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS).

2.3 Método de conteo de Coulomb
El principio de funcionamiento del método de conteo de Coulomb consiste en conectar una resistencia de detección en la ruta de carga/descarga de la batería. Un convertidor de analógico a digital (ADC) mide el voltaje a través de la resistencia de detección, que luego se convierte en el valor de corriente que fluye hacia adentro o hacia afuera de la batería durante la carga o descarga. Se utiliza un contador en tiempo real (RTC) para integrar este valor actual a lo largo del tiempo, proporcionando información sobre la cantidad de culombios que han fluido a través de la batería.

El método de recuento de culombios permite un cálculo preciso del estado de carga (SOC) en tiempo real durante los procesos de carga o descarga. Mediante el uso del contador de coulomb de carga y el contador de coulomb de descarga, puede calcular la capacidad restante (RM) y la capacidad de carga total (FCC). El SOC se puede derivar de la capacidad restante (RM) y la capacidad de carga completa (FCC) utilizando la fórmula SOC = RM / FCC. Además, también puede estimar el tiempo restante, como el tiempo de vaciado (TTE) y el tiempo de llenado (TTF).

Hay dos factores principales que contribuyen a la desviación en la precisión del método de conteo de culombios. El primer factor es la acumulación de errores de compensación en la detección de corriente y las mediciones de ADC. Aunque el error de medición actual es relativamente pequeño con la tecnología actual, sin los métodos de corrección adecuados, este error puede aumentar con el tiempo. La siguiente figura demuestra que en aplicaciones prácticas, si no se aplica ninguna corrección a lo largo del tiempo, el error acumulado no está acotado.

Para eliminar los errores acumulados, hay tres posibles puntos de tiempo que se pueden utilizar durante el funcionamiento normal de la batería: fin de la carga (EOC), fin de la descarga (EOD) y relajación. La condición EOC indica que la batería está completamente cargada y el estado de carga (SOC) debe ser del 100%. La condición EOD indica que la batería está completamente descargada y el SOC debe ser 0%. Puede definirse por un valor de voltaje absoluto o puede variar con la carga. El estado de relajación se alcanza cuando la batería no se está cargando ni descargando y permanece en este estado durante un período de tiempo significativo. Si el usuario tiene la intención de utilizar el estado de relajación para la corrección de errores en el método de conteo de culombios, debe combinarse con una tabla de voltaje de circuito abierto. La siguiente figura demuestra que, en las condiciones antes mencionadas, se puede corregir el error de estado de carga.

El segundo factor importante que causa desviaciones en la precisión del conteo de Coulomb es el error de capacidad de carga completa (FCC), que surge de la diferencia entre la capacidad diseñada de la batería y su capacidad de carga total real. El FCC puede verse influenciado por factores como la temperatura, el envejecimiento y las condiciones de carga. Por lo tanto, los métodos para volver a aprender y compensar la capacidad de carga completa son cruciales para el conteo de Coulomb.
El siguiente gráfico ilustra la tendencia de los errores de estado de carga cuando se sobreestima o subestima la capacidad de carga completa.

2.4 Indicador de combustible del algoritmo de voltaje dinámico
El algoritmo de voltaje dinámico es un método para estimar el estado de carga (SOC) de una batería de litio basándose únicamente en su voltaje. Calcula el cambio incremental o decremental en el SOC considerando la diferencia entre el voltaje de la batería y su voltaje de circuito abierto. La información dinámica de voltaje simula efectivamente el comportamiento de la batería de litio y determina el porcentaje de SOC, pero no estima el valor de la capacidad de la batería en miliamperios-hora (mAh).
El algoritmo de voltaje dinámico calcula el cambio incremental o decremental en el estado de carga (SOC) utilizando las diferencias dinámicas entre el voltaje de la batería y el voltaje de circuito abierto. Emplea un algoritmo iterativo para estimar el SOC en función de estos diferenciales de voltaje. En comparación con el método de conteo de Coulomb, el algoritmo de voltaje dinámico no acumula errores con el tiempo y la corriente.
El método de recuento de Coulomb para la estimación del SOC es propenso a errores debido a las imprecisiones de la detección de corriente y a la autodescarga de la batería, lo que conduce a una estimación inexacta del SOC. Incluso con errores de detección de corriente muy pequeños, el contador de Coulomb continuará acumulando errores, que solo se pueden eliminar cuando la batería está completamente cargada o descargada.
Por otro lado, el Algoritmo de Voltaje Dinámico estima el SOC de la batería basándose únicamente en la información de voltaje, sin depender de la información de corriente, evitando así la acumulación de errores. Para mejorar la precisión de la estimación del SOC, el algoritmo de voltaje dinámico requiere la optimización de los parámetros del algoritmo en función de las curvas de voltaje de la batería reales obtenidas de dispositivos reales en condiciones de carga y descarga completas.


La siguiente tabla muestra el rendimiento del Algoritmo de Voltaje Dinámico en diferentes condiciones de velocidad de descarga, lo que indica su buena precisión en la estimación del estado de carga (SOC). De acuerdo con la tabla, independientemente de las condiciones de descarga como C/2, C/4, C/7 y C/10, el error general de SOC de este método es inferior al 3%.

La siguiente figura muestra el rendimiento del estado de carga cuando la batería está cargada y descargada brevemente. El error del estado de carga sigue siendo muy pequeño y el error máximo es solo del 3%.

En comparación con el método de conteo de Coulomb, que es propenso a imprecisiones debido a errores de detección de corriente y autodescarga de la batería, el algoritmo de voltaje dinámico tiene una ventaja significativa en que no acumula errores con el tiempo y la corriente. Este es uno de los principales beneficios del algoritmo. Sin embargo, dado que carece de información sobre las corrientes de carga / descarga, el algoritmo de voltaje dinámico exhibe una precisión a corto plazo más baja y un tiempo de respuesta más lento. Además, no puede estimar la capacidad de carga total. Sin embargo, funciona bien con precisión a largo plazo porque el voltaje de la batería refleja directamente su estado de carga.