Artículo Cientíco / Scientic Paper
Revista Energía Mecánica Innovación y Futuro, IX Edición 2020, No. 5 (10)
- 50 -
ESPE
ENERGÍA MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 9 Vol. 1 / 2020 (10) ISSN 1390 - 7395 (5/10)
Abstract
The main objective of the research is the design
of a high-end battery management system in electric
propulsion based on the control and monitoring in real
time of parameters in the charging and discharging
system.
It focuses on the investigation of the variation of
voltage and current values with respect to the nominal
capacity of a battery, according to the battery’s
charging, discharging, maintenance or diagnostic
processes.
The determination of the state of health SoH is
presented, in order to provide a diagnosis of the state of
life of the batteries, for this it delves into calculations
and equations based on current, temperature and time.
The coulomb counting method is used for extracting
actual data from the battery condition.
Keywords: Battery Management System, State of
Charge, State of Health, Charging phases.
MANTENIMIENTO CONTROLADO DE BATERÍAS DE ALTA GAMA UTILIZADAS
EN SISTEMAS DE PROPULSIÓN ELÉCTRICA
CONTROLLED MAINTENANCE OF HIGH-RANGE BATTERIES USED IN
ELECTRIC PROPULSION SYSTEMS
Diego Fernando Gallo Tafur
1
, Jorge Stalin Mena Palacios
2
, Cristhian Javier Valverde Estévez
3
1,2,3
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE
e – mail:
1
dfgallo@espe.edu.ec,
2
jsmena@espe.edu.ec
3
cjvalverde@espe.edu.ec
GALLO, MENA, VALVERDE /
MANTENIMIENTO CONTROLADO DE BATERÍAS DE ALTA GAMA UTILIZADAS EN SISTEMAS DE PROPULSIÓN
ELÉCTRICA
Resumen
La investigación tiene como objetivo principal el
diseño de un sistema de gestión de baterías de alta
gama en propulsión eléctrica a partir del control y
monitoreo en tiempo real de parámetros en el sistema
de carga y descarga.
Se enfoca en la investigación de la variación
de valores de voltaje y corriente con respecto a
la capacidad nominal de una batería, de acuerdo
los procesos de carga, descarga, mantenimiento o
diagnóstico de la batería.
Se presenta la determinación del estado de salud
SoH, con el n de brindar un diagnóstico del estado
de vida de las baterías, para ello se ahonda en cálculos
y ecuaciones basadas en la corriente, temperatura y
tiempo. Se utiliza el método de conteo de coulomb
para la extracción de datos reales del estado de la
batería.
Palabras Clave: Sistema de Gestión de Baterías,
Estado de Carga, Estado de Salud, Fases de carga.
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1. Introducción
El ahorro de energía y recursos es uno de los
principales y más importantes temas de investigación
y desarrollo de la comunidad cientíca en los últimos
años. Tener un control total de la energía, desde
su producción hasta su entrega en los respectivos
actuadores/ consumidores, es de trascendental
importancia en los sistemas de propulsión eléctrica.
Las baterías forman parte de los componentes más
importantes en los sistemas de propulsión eléctrica.
Sus características principales como su densidad de
energía, potencia y energía especíca, costo y vida
útil restringen sus aplicaciones prácticas. El tiempo
de vida útil de una batería, así como el adecuado
rendimiento de sus prestaciones, dependen también
de las características de su cargador y su modo de uso
[1].
Las baterías con mayor elección en los sistemas de
propulsión eléctrica son las baterías de Iones de Litio,
las cuales destacan de entre las demás por su alta
potencia especíca, alta densidad de energía, baja tasa
de auto descarga y otros excelentes resultados [2]. Por
lo que en el presente estudio se toma en cuenta las
características de las baterías de iones de Litio, como
muestra la Figura 1.
Figura 1. Energía especíca vs Potencia Especíca en baterías usadas
en propulsión eléctrica
Un sistema de gestión de la batería se basa en
el control y monitoreo de la cadena energética de la
batería a través de los procesos de carga y descarga,
con el n de conseguir un uso óptimo de la energía y
minimizar el riesgo de daños que afecten a la vida útil de
la batería. A través del monitoreo se obtiene parámetros
como el SoC, DoD y SoH [3]. El comportamiento de
una batería se puede dividir en dos estados: carga o fase
en la que se adquiere energía y descarga o liberación de
energía. [4]
Es importante considerar que el proceso de carga
no representa una simple alimentación de energía,
sino que es necesario un manejo y control de voltaje y
corriente suministrada, de lo contrario se puede dañar
la estructura interna de la batería y con ello reducir la
vida útil de la misma [5]. La carga de una batería se
puede dividir en subprocesos o fases con base al nivel
de corriente y voltaje suministrado; las cuales son
carga masiva, carga de absorción, carga de otación y
algunos autores han determinado una cuarta fase para
cierto tipo de baterías como las de plomo ácido. [4]
La carga masiva tiene como característica principal
el suministro de una corriente en su máxima capacidad
de carga, esta corriente se la representa con base en
la capacidad nominal de una batería expresada en
amperios hora. La corriente de carga se mantendrá
constante mientras el voltaje se incrementará hasta un
18.75% del voltaje nominal de la batería. Este proceso
se realiza hasta obtener un 80% del SoC [6].
Una vez que el voltaje a alcanzado el voltaje de
absorción (18.75% del voltaje nominal) este, se
mantendrá constante mientras la corriente empieza
a descender hasta llegar a un 3-4% de su capacidad
nominal. La fase de absorción se lleva a cabo hasta
conseguir un 100% de su SoC [7].
Una vez que la carga a llegado al 100% del SoC,
el voltahe cae a un 12.5% más que su voltaje nominal
[7], en las baterías de litio no es recomendable trabajar
con voltajes elevados ya que el riesgo de sobrecarga
es elevado [8]. La corriente se mantiene constante por
debajo del 4% de su capacidad nominal. Esta fase
termina cuando la batería comienza su descarga [7].
En las baterías de plomo-ácido es necesario una
ecualización en la carga para evitar un desbalance en
sus celdas internas; esto se consigue elevando su voltaje
de carga y manteniendo una corriente equivalente a 0.5
amperios. [9] La ecualización en este tipo de baterías
ayuda a eliminar cantidades de sulfatación acumulada;
además, se recomienda ecualizaciones preventivas de 1
a 2 horas en lapsos de, 30-90 días [7], observe Figura 2.
Figura 2. Curvas características de carga [9]. (Voltaje/Corriente vs
tiempo)
La descarga de la batería se mide en porcentaje
y se denomina profundidad de descarga o DoD por
su denominación en inglés depth of discharge. El
DoD y el SoC son inversamente proporcionales, es
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C = porcentaje de capacidad a 25 ºC
= tiempo real de prueba
= tiempo nominal
= factor de corrección para la temperatura de
celda antes de iniciar la prueba
El test de servicio determina si aún satisface
los requerimientos y características de su diseño.
De la misma manera, está completamente ligado a
las pruebas de capacidad con base a la descarga de
la batería con determinado control de corriente;
esto, con el n de observar cambios a partir de sus
prestaciones nominales. [13] Los indicadores como
el SoC, DoD permiten realizar un análisis de la edad
de la batería, por lo que su determinación permite
tomar decisiones en cuanto a su mantenimiento o
criterios de reemplazo. La base para la estimación
del estado de vida de la batería tiene como primer
fundamento la medición de un parámetro conocido
como estado de salud o SoH por su denominación en
inglés “State of Health”; el cual es la representación
de la capacidad real de una batería en función de su
capacidad nominal, debido a que la capacidad de una
celda completamente cargada disminuye de acuerdo
al tiempo de uso, la degradación normal de la batería
y otros factores. [14]. Si el SoH es menor al 80%, la
batería debe ser reemplazada [13]
Es importante aclarar que el diagnóstico y
mantenimiento de las baterías se las debe realizar
por celdas dado que existen errores y fallas producto
de la conexión en serie de las celdas internas en
los paquetes de baterías utilizadas en sistemas de
propulsión eléctrica. Una falla ISC se reere a un
cortocircuito mínimo interno o por su denominación
en inglés “Internal Short Circuit” y se reere a una
falla producto del diferencial de potencial entre
celdas; esta falla puede desencadenar una reacción en
cadena hacia toda la batería, generar fugas de energía
en forma de calor y de ser el caso, incendios. [2]
2. Aplicación
El sistema de gestión de mantenimiento cuenta
con 3 tipos de carga según la necesidad del proceso.
Se varían los valores de corriente en la fase de carga
masiva para obtener un tiempo corto, medio o largo
de duración de carga.
Se mantiene siempre el límite de corriente de carga,
la cual equivale al 30% de la capacidad nominal de la
batería. Se puede cargar con mayor tasa de carga, pero
se recomienda no hacerlo para no afectar la vida útil
decir, cuando el DoD es igual a 0%, se tiene un SoC
del 100% En las baterías de litio la profundidad de
descarga no debe ser mayor al 80%, aunque algunos
fabricantes consideran que el 15% de pérdida del SoC
cuenta como un ciclo de descarga. [10]
Donde:
= Profundidad de descarga
= Estado de carga
Cuando una batería se descarga, la profundidad de
descarga es igual a:
Donde:
= Profundidad de descarga
= Capacidad descargada por una
cantidad de corriente.
=Capacidad nominal de la batería
Existen varios métodos para la obtención del SoC,
en la investigación se utiliza el denominado Coulomb
Counting, el cual estima el SoC integrando la corriente
suministrada o extraída de la celda durante un periodo
de tiempo [11]. Este método es altamente preciso si
se toma en consideración factores externos a la carga
tales como temperatura, eciencia, entre otros [12].
Donde:
= Estado de carga
= Estado de carga inicial
= Capacidad nominal de la batería
= Factor de corrección de carga/ descarga
I = Corriente de carga/descarga
t = Tiempo
= Tiempo inicial
Se puede aplicar un factor de corrección a la
capacidad en el inicio de la prueba con base a su
temperatura.
Donde:
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de la batería, como se describe en la Tabla 1. [8]
Tabla 1. Valores predeterminados en carga masiva para los tres modos
de carga
Tabla 2. Valores predeterminados en carga de absorción para los tres
modos de carga
Tabla 3. Valores predeterminados en carga de otación para los tres
modos de carga
En la fase de mantenimiento de la batería se
restablecen las características de voltaje y corriente
mediante 3 ciclos de funcionamiento (carga y
descarga), ver Figura 3.
Figura 3. Ciclo mantenimiento
El diagnóstico de la vida útil se realiza mediante
el cálculo del DoD y la capacidad máxima liberable
con base a una descarga controlada con conteo de
Coulomb.
3. Discusión
Al tener un control del voltaje, corriente, y
temperatura con base en la constitución química
de la batería en el proceso de carga, se garantiza la
conservación de la vida útil y rendimiento adecuado
de las prestaciones de diseño de la batería. Un cargador
de corriente constante, según su valor de operación
puede cargar a una batería, pero al no tomar en cuenta
las fases de carga, afecta a la composición interna de
la misma.
Los datos en tiempo real de voltaje y corriente
permiten tener un control total del proceso de carga/
descarga en una batería, advirtiendo así de cualquier
falla ya sea en su estructura interna o en el sistema de
gestión.
Es necesario conocer la estructura de la batería
dado que ciertos valores de voltaje y corriente son
adecuados en ciertas tecnologías, pero completamente
destructivos en otras; es el caso de las baterías de
Ion Litio las cuales pueden cargarse de forma no
recomendada con tasas de hasta 100% de su capacidad
nominal, mientras que en las baterías de plomo ácido
se recomiendo trabajar por debajo del 20%.
La descarga de una batería no se debe realizar
por debajo de un 40% de su capacidad nominal, de
hacerlo, se pone en riesgo la estructura interna de la
misma, lo cual puede derivarse en un ISC. Como se
mencionó anteriormente un ciclo de descarga depende
de las especicaciones del fabricante, el voltaje de
corte es el punto límite de descarga en una batería.
Para un diagnóstico preventivo es importante
realizar test de servicios y mantenimientos cada 60
días, además de llevar un control de tiempo y número
de ciclos de carga y descarga.
4. Conclusiones
• Los valores de voltaje y corriente en un sistema
de gestión de batería que involucre carga y
descarga, deben ser controlados en tiempo real
para asegurar la eciencia de los procesos.
• La estructura interna de las baterías genera
condiciones en cuanto a los valores de voltaje,
corriente, temperatura para la carga y descarga de
las mismas.
• El control del tiempo en los ciclos de carga
y descarga es necesario para evitar daños y
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aceleración de deterioro en las baterías por sobre-
carga o sobre-descarga según sea el caso.
• La vida útil de una batería es afectada por el
comportamiento de los ciclos de carga y descarga,
las prestaciones para las que fueron diseñadas
varían de acuerdo al tiempo, composición interna
y condiciones de uso.
5. Referencias
[1] S. Lacroix, E. Laboure y M. Hilairet, «An
Integrated Fast Battery Charger for Electric
Vehicle,» IEEE Vehicle Power and Propulsion
Conference, nº 1, pp. 1-6, 2014.
[2] R. Xiong, W. Sun, Q. Yu y F. Sun, «Research
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Applied Energy, nº 279, 2020.
[3] J. Bergveld, W. Kruijt y P. Notten, Battery
Managment Systems, Eindhoven: SPRINGER-
SCIENCE+BUSINESS MEDIA, B.V., 2002.
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of-Charge Approximation for Energy Harvesting
Embedded Systems,» Lecture Notes in Computer
Science, nº 7772, 2013.
[5] J. Larminie y J. Lowry, ELECTRIC VEHICLE
TECHNOLOGY EXPLAINED, vol. Segunda
Edición, Hoboken: John Wiley & Sons Ltd.,
2012, pp. 19-77.
[6] MASTERVOLT, Power Book, Damen Drukkers
Werkendam, 2020.
[7] Rolls Battery Engineering, Battery user Manual,
Rolls Battery Engineering, 2019.
[8] I. Buchmann, «Battery University,» 2020. [En
línea]. Available: https://batteryuniversity.com/
learn/article/charging_lithium_ion_batteries.
[Último acceso: 11 Diciembre 2020].
[9] Chargetek , «Battery charger basics,» 2015. [En
línea]. Available: https://chargetek.com/basic-
information.html. [Último acceso: 11 Diciembre
2020].
[10] I. Buchmann, «Battery University,» 2020. [En
línea]. Available: https://batteryuniversity.com/
learn/article/discharge_methods. [Último acceso:
11 Diciembre 2020].
[11] J. Campillo, C. G., D. Chen, E. Dahlquist,
D. Dallinger, D. Danilov, N. Ghaviha, R.
Khors, S. Kouro, R. Madlener, V. Marano, S.
Marwitz, M. Mierau, P. Notten, C. Ozansoy,
V. Krishna, S. Rivera, A. Shaei, T. Selim y N.
Zimmerman, Technologies and Applications
for Smart Charging of Electric and Plug-in
Hybrid Vehicles, Suiza: Springer International
Publishing Switzerland, 2017.
[12] K. Ng, C. Moo, Y. Chen y Y. Hsieh, «Enhanced
coulomb counting method for estimating state-
of-charge and state-of-health of lithium-ion
batteries,» Applied energy, vol. 86, nº 9, pp.
1506-1511, 2009.
[13] Institute of Electric and Electronic Engineers,
«IEEE Recommended Practice for Maintenance,
Testing, and Replacement of Valve-Regulated
Lead-Acid (VRLA) Batteries for Stationary
Applications - Amendment 1: Updated VRLA
Maintenance Considerations,» IEEE, pp. 1-44,
2014.
[14] I. Kim, «A Technique for Estimating the State
of Health of Lithium Batteries Through a Dual-
Sliding-Mode Observer,» IEEE transactions on
Power Electronics, vol. 25, nº 4, pp. 1013-1022,
2019.
6. Biografía
1
Diego Fernando Gallo Tafur. –
Egresado de la carrera de Ingeniería
Automotriz (Universidad de
Fuerzas Armadas ESPE).
2
Jorge Stalin Mena Palacios –
Ingeniero Automotriz (Universidad
de las Fuerzas Armadas ESPE), Msc.
Gestión de la Producción
(Universidad Técnica de Cotopaxi),
Msc. Manufactura y Diseño Asistido
por Computador (Universidad de las
Fuerzas Armadas ESPE), Diplomado
Superior en Autotrónica (Universidad de las Fuerzas
Armadas ESPE), Docente tiempo completo
(Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE)
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3
Cristhian Javier Valverde Estévez. –
Egresado de la carrera de Ingeniera
Automotriz (Universidad de Fuerzas
Armadas ESPE). Tecnología en
Electrónica Mención Automatización
y Control (Instituto Universitario
Rumiñahui).
REGISTRO DE LA PUBLICACIÓN
Fecha recepción 10 Octubre 2020
Fecha aceptación 15 Diciembre 2020
GALLO, MENA, VALVERDE /
MANTENIMIENTO CONTROLADO DE BATERÍAS DE ALTA GAMA UTILIZADAS EN SISTEMAS DE PROPULSIÓN
ELÉCTRICA
