¿Cómo determinar el estado de carga de una batería?


Como hemos comentado en artículos anteriores, uno de los puntos más complicados en un sistema solar (normalmente off-grid) es determinar el estado de carga o descarga de la batería. Actualmente existen varios métodos para determinar el estado de carga. Algunos dependen del tipo de batería y otros de diversos factores. En este artículo se pretende comentar de forma simple, los diferentes métodos así como los puntos más relevantes a la hora de determinar el estado de carga de una batería.

Los principales métodos para determinar el estado de carga de la batería no dependen tanto de la capacidad de esta, sino de como sea la carga o descarga, que vendrán determinados también por el tipo de batería y las condiciones de cada instalación o sistema. Los principales métodos que podemos considerar son los siguientes:

1.- Estimación mediante Voltaje

Esta estimación se basa en una relación directa entre el voltaje actual de la batería y su capacidad disponible. Si bien se trata de uno de los métodos más usados comúnmente en los sistemas off-grid debido a su sencillez, es correcto indicar que es un método impreciso ya que la batería presenta un comportamiento no lineal (sobretodo en lo que respecta al voltaje) e inservible en momentos intermedios o de uso de la batería que se está midiendo, es decir, en circuito cerrado.

2.- Estimación mediante Medida directa

Esta estimación se basa en cargar y descargar una batería en base a unas condiciones controladas, como por ejemplo, con una corriente de descarga constante. El valor resultante se multiplica por el tiempo total que dura la descarga y de esta forma se puede obtener la capacidad total. Este método presenta varias desventajas ya que requiere bastante tiempo para la medición y no se considera viable ya que en la práctica la corriente de descarga es variable y es contradictorio al propósito buscado que es el de obtener el estado de carga restante, por lo que provocar una descarga completa produce el efecto contrario al deseado.

3.- Estimación mediante Densidad relativa

Esta estimación, también conocido como método de gravedad específica, se basa en la medición del electrolito de la batería, por lo que es necesario tener acceso a dicho electrolito líquido interno. La relación entre la densidad del agua y la del líquido del electrolito disminuye de forma lineal con la descarga de la celda de la batería. De esta forma, a través de la medición de esta densidad se puede estimar un estado de carga de la batería (SOC). Este método también presenta varias desventajas como la limitación para baterías con acceso al electrolito.

4.- Estimación mediante la Impedancia Interna

Esta estimación se basa en el estudio de la impedancia interna de la batería, la cual cambia con el tiempo después de un número de cargas y descargas debido a la variación de los componentes químicos internos de la batería después de dichas cargas y descargas. La principal desventaja de este método es su gran dependencia de la temperatura y su dificultad para medirlo en funcionamiento (circuito cerrado).

5.- Estimación mediante la Intensidad

Esta estimación, conocida también como método de Coulomb Counting, se basa en la fórmula de la integración de la corriente de entrada y salida de la batería. Básicamente el método integra en el tiempo la intensidad que cargan y descargan las celdas obteniendo como resultado la carga almacenada en el interior de estas. Este es uno de los métodos más precisos para estimar el estado de carga de una batería. La principal ventaja de este método es su sencillez, pues no requiere complejos métodos de medición. En la práctica su desventaja radica en que se necesita conocer el estado de carga inicial, y con el tiempo la batería sufre mayor deterioro provocando un mayor error en la estimación.

6.- Otros

Si bien existen otros métodos de estimación, (circuito abierto, métodos combinados), en este artículo se describen los principales, comúnmente usados en este tipo de sistemas.

 

Ley de Peukert

La famosa Ley de Peukert, comúnmente mencionada en el mundo de las baterías es una ley que describe cómo la capacidad en Ah de una batería disminuye al descargase dicha batería más rápidamente que su ritmo normal, definido según la curva que da el fabricante (por ejemplo C10= 10 horas).

La cantidad de reducción de la capacidad de la batería se denomina “el exponente Peukert”. Cuanto más alto sea el exponente de Peukert, más rápidamente disminuirá la capacidad de la batería con un ritmo de descarga cada vez mayor. La batería ideal (teórica) tiene un exponente de Peukert de 1,00 y una capacidad fija, sin importar la magnitud de la descarga de corriente. Por supuesto, baterías así no existen por lo comentado anteriormente en los métodos de estimación de la capacidad.

Para la mayoría de baterías, un valor medio aceptable del exponente de Peukert es 1,25, siendo este un valor muy usado de fábrica para baterías de plomo-ácido en los diferentes dispositivos del mercado para medir el estado real de carga de la batería (como el Battery Monitor de Victron Energy ). Sin embargo, para un control preciso de la batería, es esencial introducir el exponente Peukert correcto. Si el exponente Peukert no se suministra con la batería, se puede calcular utilizando otras especificaciones que vienen con la batería.

A continuación, se muestra la ecuación de Peukert:

 

 

donde el exponente Peukert, n, es igual a:

 

 

Las especificaciones de la batería necesarias para calcular el exponente Peukert son: la capacidad nominal de la batería, (normalmente la que tiene un ritmo de descarga de 10, 20, o 100 horas) y, por ejemplo, un ritmo de descarga de 5 horas. A continuación, se muestra un ejemplo de cálculo:

 

 

Aplicación de Peukert en sistemas con baterías

La vida útil de las baterías depende de muchos factores. Esta puede verse acortada por exceso o defecto de carga, descargas demasiado profundas, corrientes de carga o descarga excesivas y altas temperaturas ambientales. Por eso, siempre es recomendable usar algún tipo de controlador o monitor de baterías. Al controlar la batería con un monitor de batería avanzado, se puede recibir información muy importante que permite remediar posibles problemas cuando sea necesario, ampliando la vida útil de la batería, que en la mayoría de sistemas off-grid, es donde reside el mayor costo.

 

Battery Monitor (BMV) de Victron Energy

La función principal del BMV es la de controlar e indicar el estado de carga de la batería, en particular para evitar su descarga total de forma imprevista. El BMV mide continuamente el flujo de corriente que entra o sale de la batería, La integración de esta corriente durante un tiempo (que, si la corriente es una cantidad fija de amperios, se reduce a multiplicar la corriente por el tiempo) nos dará la cantidad neta de Ah añadidos o retirados. Por ejemplo: una corriente de descarga de 10A durante 2 horas consumirá 10 x 2 = 20Ah de la batería. Para complicar las cosas, tal como se ha explicado anteriormente, la capacidad efectiva de una batería depende del ritmo de descarga y, en menor medida, de la temperatura. Y para complicar aún más las cosas, al cargar una batería se necesita «bombear» más Ah en la misma, que pueden ser recuperados durante la siguiente descarga. En otras palabras: la eficiencia de la carga es inferior al 100%.

Una batería de plomo-ácido que puede suministrar una corriente de 5A durante 20 horas tiene una capacidad de C20 = 100Ah (5 x 20 = 100). Cuando esa misma batería de 100Ah se descarga completamente en dos horas, sólo proporcionará C2 = 56Ah (debido al mayor ritmo de descarga). El BMV toma en cuenta este fenómeno aplicando la fórmula Peukert.

El BMV puede mostrar tanto los amperios-hora consumidos sólo compensada con la eficiencia de la carga y el estado de la carga real en porcentaje, compensada con la Ley de Peukert y con el factor de eficiencia de la carga. La lectura del estado de la carga es la mejor manera de controlar la batería. Así mismo, el BMV también evalúa el tiempo que la batería puede soportar la carga presente. Esta es la autonomía restante real hasta que la batería se descargue hasta el límite de descarga.

En resumen, el battery monitor de Victron permite obtener un estado muy preciso del estado de la carga de la batería, ayudándonos a prevenir todos los factores comentados en este artículo. Para mayor información acerca de las características completas de configuración del BMV, puede visitar el siguiente link  Battery Monitor Victron (BMV)

 

Raül Serrano
Responsable Departamento Técnico
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Móvil: +56 9 56984240

Para más información puedes ingresar a  www.tritec-intervento.cl

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