Introducción al modelado de baterías
Los modelos de baterías se han convertido en una herramienta indispensable para el diseño de sistemas alimentados por baterías. Entre sus usos se incluyen la caracterización de baterías, la estimación del estado de carga (SOC, por sus siglas en inglés) y del estado de salud (SOH, por sus siglas en inglés), el desarrollo de algoritmos, la optimización en el nivel del sistema y la simulación en tiempo real para el diseño de sistemas de gestión de baterías.
Los modelos de baterías basados en circuitos equivalentes son los preferidos para el desarrollo en el nivel del sistema y las aplicaciones de controles, debido a su relativa sencillez. Los ingenieros utilizan los circuitos equivalentes para modelar el comportamiento termoeléctrico de las baterías, parametrizando sus elementos no lineales con técnicas de correlación que combinan modelos y mediciones experimentales a través de optimización.
Circuito equivalente de una batería con tres constantes de tiempo distintas, resistencia interna y potencial a circuito abierto.
Caracterización de baterías
El primer paso en el desarrollo de un modelo de baterías preciso consiste en crear y parametrizar un circuito equivalente que refleje el comportamiento no lineal de la batería y las dependencias respecto de la temperatura, el SOC, el SOH y la corriente. Estas dependencias son exclusivas de la química de cada batería y se deben determinar por medio de mediciones realizadas en celdas de batería que sean exactamente del mismo tipo que aquellas para las que se va a diseñar el controlador. Hay ejemplos de modelos de baterías disponibles para su descarga en MATLAB Central.
Respuesta de tensión (arriba) a una descarga de corriente pulsada (centro) y SOC resultante (abajo) para una batería de iones de litio NMC.
Estimación del SOC
Una aplicación habitual de los modelos de baterías es el desarrollo de algoritmos para la estimación del SOC. La medición de la tensión a circuito abierto (OCV, por sus siglas en inglés) y la integración de la corriente (recuento de culombios) pueden ofrecer estimaciones razonables del SOC. No obstante, para estimar el SOC en las químicas de las baterías modernas, cuyas firmas de descarga OCV-SOC son planas, se debe utilizar un enfoque distinto, como el filtrado de Kalman.
Degradación
Las baterías se degradan con el paso del tiempo, debido a su vida útil y a los ciclos de carga y descarga, y muestran una pérdida gradual de la capacidad de reserva y un aumento de la resistencia interna. El sistema de gestión de baterías (BMS, por sus siglas en inglés) debe adaptarse a estos cambios para ofrecer un control efectivo de la batería. Los modelos de baterías pueden ayudarle a desarrollar un sistema BMS que tenga en cuenta la degradación.
Degradación progresiva de una batería de iones de litio reflejada en un aumento de la resistencia interna (R0) y las constantes de tiempo (τ1 , τ2 , τ3), con una variación mínima del potencial a circuito abierto (Em).
Simulación en tiempo real
Las pruebas de tipo hardware-in-the-loop de sistemas BMS es otra aplicación habitual de los modelos de baterías. Un modelo de batería creado para el diseño en el nivel del sistema se puede reutilizar para la simulación en tiempo real.
Para obtener más información sobre el modelado de baterías, consulte los ejemplos, webinars y documentos de conferencias a continuación, que hacen referencia a productos de MATLAB® y Simulink®.
Ejemplos y procedimientos
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También puede consultar estos temas: diseño de control de electrónica de potencia, simulación de electrónica de potencia, control de campo orientado, control de motores BLDC, sistemas de gestión de baterías (BMS), modelado de motores, corrección del factor de potencia, estado de carga de una batería
