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.

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.

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.

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^®.