Los sistemas de gestión de baterías mejorados pueden prolongar la vida útil de las baterías de litio

Sep 13, 2023

Los investigadores de Stanford buscan construir un mejor sistema de gestión de baterías basado en experiencias del mundo real.

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Hay teoría y luego está la realidad. La conexión entre ellos a menudo puede ser, en el mejor de los casos, tenue. En el mundo de los coches eléctricos, cada paquete de baterías tiene un sistema de gestión de la batería que utiliza algoritmos para controlar su estado general y su funcionamiento. “El algoritmo te dice cosas como si tu batería está funcionando bien o qué tan lejos puedes conducir antes de necesitar recargarla. El problema es que los algoritmos BMS se diseñan en condiciones ideales de laboratorio que no reflejan lo que ve una batería en el mundo real”, dice Simona Onori, profesora asistente de ciencia e ingeniería energética en la Escuela de Sostenibilidad Doerr de Stanford.

Para demostrar la brecha entre las pruebas de laboratorio controladas y la experiencia real en la carretera, Onori y sus colegas de Stanford colaboraron con investigadores del Centro de Ingeniería e Innovación de Volkswagen ubicado cerca del campus universitario. "Es probable que los algoritmos basados ​​en datos de conducción poco realistas sean inexactos en el campo", dijo Onori, autor principal del estudio. "Nuestro objetivo es aumentar la longevidad de la batería mediante el diseño de algoritmos entrenados a partir de datos del mundo real".

Los resultados de la investigación fueron publicados el 18 de agosto de 2023 en la revista científica Joule (paywall). Aquí hay un resumen de ese informe:

“La implementación de algoritmos de estimación y pronóstico del estado de la batería es fundamental para garantizar el rendimiento confiable de los vehículos eléctricos de batería. Los algoritmos SoH se diseñan y entrenan a partir de datos recopilados en el laboratorio al realizar ciclos de células bajo cargas y temperaturas predefinidas.

“Los datos de campo del paquete de baterías recopilados durante 1 año de funcionamiento del vehículo se utilizan para definir y extraer indicadores de rendimiento/salud y correlacionarlos con características de conducción reales (hábitos de carga, aceleración y frenado) y la temperatura ambiente que depende de la temporada. Los indicadores de rendimiento durante los eventos de conducción y carga se definen al establecer un canal de datos para extraer señales clave del sistema de gestión de la batería.

"Este trabajo muestra la desalineación existente entre las pruebas de laboratorio y el uso real de la batería, y la oportunidad que existe al mejorar las pruebas experimentales de la batería para desconvolucionar el tiempo y la temperatura para mejorar las estrategias de estimación de SoH".

Crédito de la imagen: Universidad de Stanford vía Joule

Hoy en día, un sistema de gestión de baterías registra datos de forma rutinaria durante el frenado, la aceleración, la desaceleración y la carga. El secreto para una larga vida útil de las baterías recargables puede residir en comprender las diferencias entre las celdas individuales en el funcionamiento en el mundo real. Un nuevo modelo de cómo se degradan las celdas de iones de litio en un paquete muestra una manera de adaptar la carga a la capacidad de cada celda para que las baterías de vehículos eléctricos puedan manejar más ciclos de carga y una vida útil más larga.

"La conducción en el mundo real es específica del conductor", dice el coautor Gabriele Pozzato, ingeniero de investigación de Stanford. “Puede que seas un conductor agresivo o alguien que sólo carga parcialmente su coche. Diferentes estilos de conducción y carga darán como resultado diferentes trayectorias de degradación de la batería. Sin embargo, ese tipo de datos de campo no se incluyen en los algoritmos de baterías convencionales”.

Para el estudio, Volkswagen proporcionó al equipo de Stanford alrededor de 3750 horas de datos de conducción BMS recopilados de un SUV Audi e-tron totalmente eléctrico conducido en el Área de la Bahía de San Francisco durante un año, de noviembre de 2019 a octubre de 2020. Esos datos permitieron al equipo de Stanford equipo para calcular la resistencia eléctrica en el paquete de baterías durante ese período. Los datos permitieron al equipo evaluar dos métricas clave de la batería: energía y potencia.

"La energía te da la autonomía, o cuántas millas puedes conducir con una batería completamente cargada", dice Pozzato. “El poder es la capacidad de extraer energía rápidamente. Cuando aceleras, quieres tener acceso a energía y descargar la batería muy rápido. Cuanta menos resistencia eléctrica tengas en la batería, más potencia tendrás”.

Para calcular la resistencia, los investigadores midieron cambios abruptos en la corriente y el voltaje en el paquete de baterías utilizando datos de 529 eventos de aceleración y 392 eventos de frenado durante el año. También calcularon la impedancia (una medida de resistencia durante la carga de la batería) analizando 53 sesiones de carga. "La impedancia y la resistencia suelen considerarse métricas del estado de la batería", dijo Onori. “Cuanto más conduces, más aumenta la resistencia. Esto generalmente se traduce en menos energía disponible del paquete de baterías, pero eso no es lo que vimos”.

Un patrón más complejo surgió cuando los investigadores agregaron datos climáticos estacionales a la mezcla. Descubrieron que la resistencia eléctrica disminuía en los meses más fríos y aumentaba constantemente en primavera y verano, una indicación de que la salud de la batería mejora a medida que aumentan las temperaturas.

"Las temperaturas más altas aumentan la capacidad de la batería, por lo que tienes la sensación de que el coche tiene más energía y que puedes recorrer más kilómetros", dijo Onori. “Pero si sigues usando la batería a altas temperaturas, se degradará más rápido. Esos son factores muy complicados que afectan el rendimiento. El año que viene ampliaremos nuestro conjunto de datos a una flota de vehículos para determinar exactamente cómo la temperatura y el envejecimiento se afectan entre sí”.

Los fabricantes de automóviles confían en algoritmos convencionales de gestión de baterías diseñados en condiciones ideales de laboratorio. Utilizando el aprendizaje automático, estos algoritmos generalmente monitorean los datos de rendimiento de una sola celda de batería de 4 voltios que se carga y descarga continuamente a una temperatura constante hasta que se agota. Pero los datos de campo de Audi se recopilaron a partir de una batería de 396 voltios alimentada por 384 celdas.

"Los nuevos algoritmos deberían centrarse en todo el paquete de baterías y no en celdas individuales", afirma Onori. “Queremos diseñar algoritmos que eduquen a los conductores sobre cómo aumentar la vida útil de la batería, que es el componente más caro del vehículo. Por ejemplo, podría alertar a los conductores si están cargando demasiado o acelerando demasiado agresivamente. Se puede aprender mucho de los datos de campo para hacer que los algoritmos BMS sean más sólidos”.

El estudio contó con la asistencia de miembros del Centro de Ingeniería e Innovación de Volkswagen en Belmont, California, a solo un paso del campus de Stanford. Los recursos computacionales fueron proporcionados por el Stanford Research Computing Center. Los autores han presentado tres solicitudes de patente relacionadas con este trabajo.

Esta investigación es un ejemplo de cómo la nueva información puede conducir a nuevos conocimientos sobre cómo maximizar el rendimiento de los paquetes de baterías para coches eléctricos. La era actual de los vehículos eléctricos se trata de la transición a los motores de combustión interna hace un siglo. Si bien la teoría es que el motor de una Ford de 1923 funcionaba con los mismos principios básicos que el motor de una Ford F-150 de 2023 (a menudo reducido a la frase ultra simplista “Chupa, empuja, golpea, sopla”), la realidad es la moderna. El motor está a años luz de su predecesor en términos de extraer la máxima cantidad de energía de una gota de gasolina.

La tecnología de los vehículos eléctricos está siguiendo un camino similar de mejora constante. Estudios como este en Stanford ayudarán a los futuros coches eléctricos a maximizar el rendimiento y la longevidad de sus paquetes de baterías. Un mejor sistema de gestión de baterías puede ser fundamental para que los vehículos eléctricos puedan exportar su energía almacenada para alimentar cargas externas sin acortar su vida útil.

Las teorías son excelentes puntos de partida, pero nada sustituye a la experiencia del mundo real.

Steve escribe sobre la interfaz entre tecnología y sostenibilidad desde su casa en Florida o cualquier otro lugar donde la Fuerza lo lleve. Está orgulloso de estar "despertado" y realmente le importa un bledo por qué se rompió el cristal. Cree apasionadamente en lo que dijo Sócrates hace 3.000 años: "El secreto del cambio es centrar toda tu energía no en luchar contra lo viejo sino en construir lo nuevo".

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