Descubrimiento en Pruebas Rápidas de Baterías

  • Posted on: 29 April 2016
  • By: Isidor Buchmann

Cuándo le pregunté a un gran fabricante de baterías, "¿Es factible realizar pruebas rápidas en baterías?", el ingeniero contestó con tono firme: "No." Su conclusión se basó en la dificultad de usar un método universal de prueba aplicable a todas las aplicaciones de batería, desde comunicaciones inalámbricas a la informática móvil hasta herramientas de potencia en montacargas y vehículos eléctricos.

Varias universidades y compañías, incluso Cadex Electronics, están esforzándose por encontrar una solución manejable a la verificación rápida de baterías. Se han probado muchos métodos, y algunos han fallado por ser inexactos e impracticables.

Al estudiar las características relacionadas con el estado de salud y el estado de carga (SoH y SoC respectivamente) de las baterías se pueden observar algunos efectos interesantes. Desgraciadamente, estas propiedades son irregulares y no lineales, y lo peor de todo, los parámetros son únicos para cada tipo de batería. Esto hace que sea difícil crear una fórmula que se aplique en todas las baterías.

A pesar de estas complejidades aparentemente insuperables, la verificación rápida de baterías es posible. Pero la pregunta que uno se hace es, "¿Qué exactitud tendrá, y cómo se adaptará a composiciones químicas permanentemente cambiantes en las baterías?"

El secreto de las verificaciones rápidas de batería yace en entender cómo se utiliza la energía de la misma. Las cargas de la batería varían desde picos cortos de corriente para un teléfono mobil digital (PCS, GSM), a cargas importantes intermitentes en herramientas de poder, y alimentación de una corriente constante en las computadoras portátiles.

El primer paso para obtener lecturas de verificación rápida es medir la resistencia interna de la batería, a menudo llamada impedancia. Las mediciones de impedancia toman sólo unos segundos y proporcionan una indicación bastante exacta de la condición de la batería, especialmente si se tiene una lectura de referencia de una buena batería para compararla.

Desgraciadamente, la medición de impedancia proporciona nada más una idea aproximada del rendimiento de la batería. Las lecturas se ven afectadas por distintas condiciones de la batería que no siempre pueden controlarse. Por ejemplo, una batería totalmente cargada que acaba de ser retirada del cargador muestra una impedancia más alta que una que ha quedado inmóvil durante unas horas después de la carga. La impedancia elevada se debe al ruido electro-químico que existe después de la carga. El permitir que la batería descanse una o dos horas, la normalizará. La temperatura también afecta las lecturas. Además, el proceso químico, el número de celdas conectadas en serie y la capacidad de una batería, tienen influencia sobre los resultados. Muchas baterías también contienen un circuito de protección que distorsiona otras lecturas.
 

La cambiante batería de litio

En una reciente conversación con un fabricante importante de baterías de Litio-ion, aprendí que los procesos químicos de las baterías de litio cambian cada seis meses. Se van descubriendo nuevas composiciones químicas que brindan mejores características de carga, capacidad más elevada y vida de almacenamiento más prolongada. Aunque son beneficiosas para los usuarios, estas mejoras hacen estrago en los equipos de pruebas de baterías, los cuales basan sus algoritmos de prueba rápida en parámetros fijos. Permítanme explicar porqué estos cambios en la composición de la batería afectan los resultados de las pruebas con probadores rápidos.

Las primeras baterías de Litio-ion mostraban una caída gradual de tensión durante la descarga. Con las baterías más nuevas de litio, se puede lograr un voltaje más plano. Dichas baterías proporcionan un voltaje más estable durante la mayor parte del ciclo de descarga. La caída rápida de voltaje sólo ocurre hacia el final de la descarga.

Un probador precableado busca una caída de tensión anticipada y estima el SoH según el conocimiento fijo disponible como referencia. Si la caída de tensión cambia debido a una mejor tecnología de la batería, se producirán lecturas erróneas.

Los distintos metales del electrodo positivo también alteran el voltaje de la terminal abierta. El manganeso tiene una tensión terminal ligeramente más alta comparada con el cobalto tradicional. Además, el manganeso envejece en forma diferente al cobalto. Aunque tanto el cobalto como los sistemas de manganeso pertenecen a la familia de Litio-ion, es probable que se produzcan diferencias en las lecturas cuando se hacen pruebas rápidas de baterías una al lado de otra. El Litio-polymer tiene una composición diferente al de Litio-ion y responde en forma diferente cuando se le prueba. Los instrumentos capaces de verificar baterías de Litio-ion pueden no ser confiables en sus lecturas cuando se usan en pruebas rápidas de baterías de Litio-polymer.

Plataformas comerciales de verificación rápida

La prueba rápida de baterías debe poder adaptarse a nuevas combinaciones químicas según se vayan introduciendo. Cadex resuelve este problema usando un algoritmo de auto-aprendizaje y de lógica difusa. Usado para otras aplicaciones para medir variaciones análogas, la lógica difusa se puede adaptar a las nuevas tendencias y permite el «aprendizaje.» Igual que un estudiante que se adapta a la complejidad del plan de estudios, el sistema aprende con cada batería que se prueba. De hecho, cuanto más baterías se prueban, más alta es la exactitud que se logra.

La Prueba Rápida de Cadex se construye sobre la nueva plataforma de analizadores de baterías serie C7000. Este sistema ofrece adaptadores de batería intercambiables que contienen los códigos de configuración de batería, también conocidos como códigos C. El
código C es único para cada tipo de batería. Cuando se instala el adaptador, fija el analizador en los parámetros correctos de batería (proceso químico, valores de voltaje, etc.). La Figura 1 muestra el analizador de baterías Cadex C7200 de dos estaciones equipado con la función QuickTest (Prueba Rápida).

Para habilitar la verificación rápida, los adaptadores de batería deben contener también los valores de vector de la misma. Al comprar los adaptadores, los valores de vector estarán incluidos en los tipos de baterías más comunes.

Inicialmente, no todos los adaptadores contendrán la información de vector y se le pedirá al usuario que los entre «escaneando» la batería que necesita ser probada. El programa automático del C7200 ejecuta esta tarea aplicando un ciclo completo de carga - descarga - carga. En forma similar a la descarga de un programa en una PC, la información derivada de la batería fija los vectores e inicia la función QuickTest.

Al principio, el nivel de confianza será «marginal» porque hay solamente un ciclo de aprendizaje disponible. La verificación de más baterías como parte de una operación de rutina, llenará en su momento los «registros de capacidad» y el nivel de confianza aumentará. Para aumentar el nivel de confianza a «bueno» o «excelente», el sistema requiere dos o más ciclos de aprendizaje. El nivel de confianza de un adaptador de baterías aparece en el tablero LCD del C7200. Hasta ahora, las pruebas de laboratorio han revelado resultados muy exactos de SoH utilizando este método.

¿Puede el sistema aprender mal?

Las lecturas erróneas son posibles si se prueban grandes cantidades de baterías en malas condiciones. Tal sería el caso de un lote de baterías que no se han estructurado adecuadamente o han estado en almacenamiento prolongado. El rendimiento no se ve afectado si sólo se prueban unas pocas baterías en malas condiciones.

Antes de guardar una nueva lectura de vector como referencia aprendida, se verifica su integridad. Se rechazan las lecturas de baterías defectuosas. Esta precaución protege a los adaptadores contra mal aprendizaje. Además, el usuario tiene la opción de bloquear el adaptador de la batería para protegerlo contra modificaciones sin autorización. Se aconseja dicha precaución antes de verificar un lote grande de baterías económicas de reemplazo.

Si un adaptador de batería ha perdido su integridad al probar muchas baterías indeseables, se puede borrar el valor del vector y se le puede volver a enseñar. Como alternativa, Cadex pondrá a disposición en la Internet valores recomendados de vector. Además, los usuarios pueden intercambiar información especializada entre sí. Esto se resuelve copiando adaptadores de baterías por medio de la inserción del adaptador con lecturas aprendidas en el analizador. Otro método es el de difundir la información por Internet.

El QuickTest se puede realizar con precisión con un nivel de carga del 50% o más. Dentro de este rango, los diferentes niveles de carga no afectan las lecturas. Si la batería no está suficientemente cargada, aparecerá un mensaje para cargar la batería.

Después que el adaptador de batería ha pasado por el proceso de aprendizaje, o ha recibido los valores de vector de otra fuente, el QuickTest puede probar procesos químicos nuevos de batería. La prueba dura aproximadamente tres minutos por batería. Cada estación del analizador de batería C7200 puede probar baterías independientemente. 

Inteligencia artificial, parte esencial del QuickTest de Cadex

El QuickTest de Cadex trabaja en una red neurológica basada en una lógica difusa y se parece al proceso de pensamiento del cerebro humano. Primero, se alimentan valores múltiples de vector en el micro controlador y se hacen difusos. Los datos se procesan luego a través de una lógica paralela. La información se promedia y se pondera según la aplicación de la batería. La Figura 2 ilustra la estructura general de dicha red:

Los datos en bruto fluyen a través de la capa de entrada que consiste en tres o más elementos. Los vectores que vienen desde la capa de entrada son ponderados y los valores derivados pasan por una función en la capa oculta. La información luego procede hacia la salida usando otro juego de vectores. Las ponderaciones son de mucha importancia y funcionan como las instalaciones de aprendizaje de la red. Por ejemplo, una ejecución procedería con un cierto juego de ponderaciones. Si el resultado
se aparta un cierto rango, las ponderaciones se cambian y el proceso se vuelve a ejecutar. Este proceso se repite hasta que suceda un cierto número de iteraciones o el algoritmo produzca el rendimiento correcto.

Por supuesto, la inteligencia artificial es un asunto complicado, y mayores detalles están más allá del alcance de este artículo. De acuerdo a Lofti Zadeh: "A medida que aumenta la complejidad, las declaraciones precisas dejan de tener significado y las declaraciones con significado pierden precisión."

Las Pruebas de Batería y el Internet

Cada vez más, el Internet juega un papel preponderante como herramienta de ayuda en la verificación de baterías. Al enviar los resultados de pruebas de batería a un banco de datos central, se puede realizar un análisis de batería basado en el tipo de batería, área geográfica y modelo de usuario. Las fallas de campo se pueden detectar rápidamente y aplicar las correcciones apropiadas.

El Internet ayuda a establecer un banco de datos global de todos los tipos de batería más importantes con los valores de vector. Con sistemas compatibles, el usuario puede seleccionar y bajar información de batería desde un banco de datos central. BatteryShop™ es un software ofrecido por Cadex que brinda dicho servicio. El banco de datos BatteryShop incluye todas las baterías comerciales más importantes en circulación, junto a las especificaciones de batería e información de vector. Al hacer clic con el ratón en la batería deseada, se programa el analizador con los valores correctos. El usuario solo necesita pasar la batería por el adaptador configurado y el sistema se encarga del resto.

La colaboración entre fabricantes de batería pondrá a disposición los valores más exactos de vector. La mayoría de los fabricantes acogerían bien dicho sistema porque acortaría el ciclo de desarrollo de nuevos tipos de batería, reduciría las pruebas beta y pondría los fabricantes en estrecho contacto con los usuarios de baterías.

El Internet también permite descargar nuevo software para actualizar el hardware. Teniendo en cuenta que la verificación rápida de batería está todavía en su infancia, se introduciría software mejorado para actualizar el equipo existente con los últimos avances tecnológicos.
 

Resumen

Al estudiar la historia del tiempo, uno puede llegar a observar periodos en los que el mundo se enfocó en ciertas tecnologías. En el siglo diecisiete se puso mucho esfuerzo en el reloj, en el siglo dieciocho en la construcción de acero y vías férreas, la bomba atómica en la Segunda Guerra Mundial y el Internet en las últimas dos décadas. La tecnología llega, se perfecciona, y luego sigue a un paso más controlado. Deja atrás un legado, un peldaño que usaron nuestros antepasados para llegar adonde estamos hoy.

Se ve mucha actividad en la verificación rápida de baterías. Hay una carrera por comercializar un producto exacto, de fácil uso y costo eficaz. Con la microelectrónica moderna, dicha tarea es más factible hoy que nunca. El verdadero ganador del desafío de verificación rápida de baterías puede no ser la persona u organización que tenga el mayor número de patentes, sino aquella que pueda ofrecer un producto que realmente funcione.

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