Técnicas de equilibrio celular y cómo usarlas

Una celda de litio nominal está clasificada para alrededor de 4.2V solamente, pero en sus aplicaciones como EV, electrónica portátil, computadoras portátiles, bancos de energía, etc., requerimos un voltaje mucho más alto que su voltaje nominal. Esta es la razón por la que los diseñadores combinan más de una celda en serie para formar un paquete de baterías con valores de voltaje más altos. Como sabemos por nuestro artículo anterior sobre baterías de vehículos eléctricos, cuando las baterías se combinan en serie, el valor del voltaje se suma. Por ejemplo, cuando se conectan cuatro celdas de litio de 4,2 V en serie, el voltaje de salida efectivo del paquete de baterías resultante será de 16,8 V.

Pero puedes imaginar que conectar muchas celdas en serie es como montar muchos caballos en un carro. Solo si todos los caballos corren a la misma velocidad, el carro se conducirá con la máxima eficiencia. De cuatro caballos, si un caballo corre lento, los otros tres también tienen que reducir su velocidad, reduciendo así la eficiencia y si un caballo corre más rápido, eventualmente se lastimaría tirando de la carga de los otros tres caballos. De manera similar, cuando se conectan cuatro celdas en serie, los valores de voltaje de las cuatro celdas deben ser iguales para obtener el paquete de baterías con la máxima eficiencia. El método de mantener todos los voltajes de las celdas iguales se denomina balance de celdas. En este artículo, aprenderemos más sobre el equilibrio de células y también brevemente sobre cómo usarlas a nivel de hardware y software.

¿Por qué necesitamos el equilibrio celular?

El equilibrio de celdas es una técnica en la que los niveles de voltaje de cada celda individual conectada en serie para formar un paquete de baterías se mantienen iguales para lograr la máxima eficiencia del paquete de baterías. Cuando se combinan diferentes celdas para formar un paquete de baterías, siempre se asegura que sean del mismo valor químico y de voltaje. Pero una vez que el paquete está instalado y sujeto a carga y descarga, los valores de voltaje de las celdas individuales tienden a variar por algunas razones que discutiremos más adelante. Esta variación en los niveles de voltaje provoca un desequilibrio de la celda que conducirá a uno de los siguientes problemas

Escapes térmicos

Lo peor que puede pasar es la fuga térmica. Como sabemos, las pilas de litio son muy sensibles a las sobrecargas y descargas. En un paquete de cuatro celdas, si una celda es de 3.5V mientras que la otra es de 3.2V, la carga cargará todas las celdas juntas ya que están en serie y cargará la celda de 3.5V a un voltaje superior al recomendado ya que las otras baterías aún están requieren carga.

Degradación celular

Cuando una celda de litio se sobrecarga incluso ligeramente por encima de su valor recomendado, la eficiencia y el ciclo de vida de la celda se reducen. Por ejemplo, un ligero aumento en el voltaje de carga de 4,2 V a 4,25 V degradará la batería más rápido en un 30%. Por lo tanto, si el equilibrio de la celda no es preciso, incluso una sobrecarga leve reducirá la vida útil de la batería.

Carga incompleta del paquete

A medida que las baterías de un paquete envejecen, pocas celdas pueden ser más débiles que las celdas vecinas. Estas células de la semana serán un gran problema, ya que se cargarán y descargarán más rápido que una célula sana normal. Mientras se carga un paquete de baterías con celdas en serie, el proceso de carga debe detenerse incluso si una celda alcanza el voltaje máximo. De esta manera, si dos celdas de un paquete de baterías pasan una semana, se cargarán más rápido y, por tanto, las celdas restantes no se cargarán al máximo como se muestra a continuación.

Uso incompleto de energía Pack

De manera similar, en el mismo caso cuando se descarga el paquete de baterías, las celdas más débiles se descargarán más rápido que la celda sana y alcanzarán el voltaje mínimo más rápido que otras celdas. Como aprendimos en nuestro artículo de BMS, el paquete se desconectará de la carga incluso si una celda alcanza el voltaje mínimo. Esto conduce a la capacidad no utilizada de la energía del paquete como se muestra a continuación.

Teniendo en cuenta todas las posibles desventajas anteriores, podemos concluir que sería obligatorio un equilibrio de celdas para utilizar el paquete de baterías a su máxima eficiencia. Aún así, hay pocas aplicaciones en las que el costo inicial debería ser muy bajo y el reemplazo de la batería no es un problema en esas aplicaciones donde se podría evitar el balanceo de celdas. Pero en la mayoría de las aplicaciones, incluidos los vehículos eléctricos, el equilibrio de celdas es obligatorio para aprovechar al máximo el paquete de baterías.

¿Qué causa el desequilibrio celular en los paquetes de baterías?

Ahora sabemos por qué es importante mantener equilibradas todas las celdas de una batería. Pero para abordar el problema correctamente, debemos saber por qué las células se desequilibran de primera mano. Como se dijo anteriormente, cuando se forma un paquete de baterías colocando las celdas en serie, se asegura que todas las celdas estén en los mismos niveles de voltaje. Por lo tanto, una batería nueva siempre tendrá celdas equilibradas. Pero a medida que el paquete se pone en uso, las células se desequilibran debido a las siguientes razones.

Desequilibrio SOC

Medir el SOC de una celda es complicado; por lo tanto, es muy complejo medir el SOC de celdas individuales en una batería. Una técnica ideal de equilibrio de celdas debe coincidir con las celdas del mismo SOC en lugar de los mismos niveles de voltaje (OCV). Pero dado que prácticamente no es posible que las celdas se emparejen solo en términos de voltaje al hacer un paquete, la variación en el SOC podría provocar un cambio en el OCV a su debido tiempo.

Variación de resistencia interna

Es muy difícil encontrar celdas con la misma resistencia interna (IR) y, a medida que la batería envejece, el IR de la celda también se cambia y, por lo tanto, en un paquete de baterías no todas las celdas tendrán el mismo IR. Como sabemos, el IR contribuye a la impedancia interna de la celda, lo que determina la corriente que fluye a través de una celda. Dado que el IR varía, la corriente a través de la celda y su voltaje también varía.

Temperatura

La capacidad de carga y descarga de la celda también depende de la temperatura que la rodea. En un paquete de baterías enorme como en los vehículos eléctricos o los paneles solares, las celdas se distribuyen en áreas de desechos y puede haber una diferencia de temperatura entre el paquete en sí, lo que hace que una celda se cargue o descargue más rápido que las celdas restantes, lo que provoca un desequilibrio.

Por las razones anteriores, está claro que no podemos evitar que la célula se desequilibre durante la operación. Entonces, la única solución es usar un sistema externo que obligue a las células a equilibrarse nuevamente después de que se desequilibren. Este sistema se llama Sistema de equilibrio de batería. Existen muchos tipos diferentes de técnicas de hardware y software que se utilizan para equilibrar las celdas de la batería. Analicemos los tipos y técnicas ampliamente utilizadas.

Tipos de balanceo de celdas de batería

Las técnicas de equilibrio celular pueden clasificarse ampliamente en las siguientes cuatro categorías que se enumeran a continuación. Discutiremos sobre cada categoría.

1. Equilibrio celular pasivo
2. Equilibrio celular activo
3. Equilibrio celular sin pérdidas
4. Lanzadera redox

1. Equilibrio celular pasivo

El método de balance pasivo de células es el método más simple de todos. Se puede utilizar en lugares donde el costo y el tamaño son limitaciones importantes. Los siguientes son los dos tipos de balance de células pasivas.

Carga de derivación

En este método se usa una carga ficticia como una resistencia para descargar el exceso de voltaje y igualarlo con otras celdas. Estas resistencias se denominan resistencias de derivación o resistencias de purga. Cada celda conectada en serie en un paquete tendrá su propia resistencia de derivación conectada a través de un interruptor como se muestra a continuación.

El circuito de muestra anterior muestra cuatro celdas, cada una de las cuales está conectada a dos resistencias de derivación a través de un interruptor como MOSFET. Los controladores miden el voltaje de las cuatro celdas y encienden el mosfet para la celda cuyo voltaje es más alto que el de las otras celdas. Cuando se enciende el mosfet, esa celda en particular comienza a descargarse a través de las resistencias. Como conocemos el valor de las resistencias, podemos predecir cuánta carga está disipando la celda. El condensador conectado en paralelo con la celda se utiliza para filtrar picos de voltaje durante la conmutación.

Este método no es muy eficiente porque la energía eléctrica se disipa como calor en las resistencias y el circuito también tiene en cuenta las pérdidas de conmutación. Otro inconveniente es que toda la corriente de descarga fluye a través del mosfet, que en su mayor parte está integrado en el controlador IC y, por tanto, la corriente de descarga tiene que limitarse a valores bajos, lo que aumenta el tiempo de descarga. Una forma de superar el inconveniente es utilizar un interruptor externo para aumentar la corriente de descarga como se muestra a continuación.

El controlador activará el MOSFET de canal P interno, lo que hará que la celda se descargue (polarización I) a través de las resistencias R1 y R2. El valor de R2 se selecciona de tal manera que la caída de voltaje que ocurre a través de él debido al flujo de corriente de descarga (polarización I) es suficiente para activar el segundo MOSFET de canal N. Este voltaje se llama voltaje de fuente de puerta (Vgs) y la corriente requerida para polarizar el MOSFET se denomina corriente de polarización (I-bias).

Una vez que se enciende el MOSFET de canal N, la corriente fluye a través de la resistencia de equilibrio R-Bal . El valor de esta resistencia puede ser bajo, lo que permite que pase más corriente a través de ella y, por lo tanto, se descarga la batería más rápido. Esta corriente se denomina corriente de drenaje (I-drenaje). En este circuito, la corriente de descarga total es la suma de la corriente de drenaje y la corriente de polarización. Cuando el controlador apaga el MOSFET del canal P, la corriente de polarización es cero y, por lo tanto, el voltaje Vgs también es cero. Esto apaga el MOSFET de canal N dejando que la batería vuelva a ser ideal.

Circuitos integrados de equilibrio de células pasivas

Aunque la técnica de equilibrado pasivo no es eficiente, se usa más comúnmente debido a esta simplicidad y bajo costo. En lugar de diseñar el hardware, también puede utilizar algunos circuitos integrados disponibles como LTC6804 y BQ77PL900 de fabricantes de renombre como los instrumentos Linear y Texas, respectivamente. Estos circuitos integrados se pueden conectar en cascada para monitorear múltiples celdas y ahorran tiempo y costos de desarrollo.

Limitación de carga

El método de limitación de carga es el método más ineficaz de todos. Aquí solo se considera la seguridad y la vida útil de la batería mientras se renuncia a la eficiencia. En este método, los voltajes de las celdas individuales se controlan continuamente.

Durante el proceso de carga, incluso si una celda alcanza el voltaje de carga completo, la carga se detiene dejando las otras celdas a la mitad. De manera similar, durante la descarga, incluso si una celda alcanza el voltaje de corte mínimo, el paquete de baterías se desconecta de la carga hasta que el paquete se vuelve a cargar.

Aunque este método es ineficaz, reduce los requisitos de costo y tamaño. Por lo tanto, se utiliza en una aplicación en la que las baterías se pueden cargar con frecuencia.

2. Equilibrio celular activo

En el balance de celdas pasivas no se aprovechó el exceso de carga, por lo que se considera ineficaz. Mientras que en el balanceo activo el exceso de carga de una celda se transfiere a otra celda de carga baja para igualarlas. Esto se logra mediante la utilización de elementos de almacenamiento de carga como condensadores e inductores. Hay muchos métodos para realizar el equilibrio activo de células, analicemos los que se utilizan comúnmente.

Lanzaderas de carga (condensadores voladores)

Este método utiliza condensadores para transferir carga desde la celda de alto voltaje a la celda de bajo voltaje. El capacitor se conecta a través de interruptores SPDT inicialmente, el interruptor conecta el capacitor a la celda de alto voltaje y una vez que el capacitor está cargado, el interruptor lo conecta a la celda de bajo voltaje donde la carga del capacitor fluye hacia la celda. Dado que la carga se desplaza entre las celdas, este método se denomina lanzaderas de carga. La siguiente figura debería ayudarlo a comprender mejor.

Estos condensadores se denominan condensadores volantes porque vuelan entre las celdas de bajo y alto voltaje que llevan cargadores. El inconveniente de este método es que la carga solo se puede transferir entre celdas adyacentes. También lleva más tiempo ya que el capacitor debe cargarse y luego descargarse para transferir las cargas. También es muy menos eficiente ya que habrá pérdida de energía durante la carga y descarga del condensador y las pérdidas de conmutación también deben tenerse en cuenta. La siguiente imagen muestra cómo se conectará el condensador volante en una batería.

Convertidor inductivo (método Buck Boost)

Otro método de equilibrado de células activas es mediante el uso de inductores y circuitos de conmutación. En este método, el circuito de conmutación consta de un convertidor reductor elevador . La carga de la celda de alto voltaje se bombea en el inductor y luego se descarga en la celda de bajo voltaje usando el convertidor reductor. La siguiente figura representa un convertidor inductivo con solo dos celdas y un convertidor elevador reductor simple.

En el circuito anterior, la carga se puede transferir de la celda 1 a la celda 2 cambiando los MOSFETS sw1 y sw2 de la siguiente manera. Primero se cierra el interruptor SW1, esto hará que la carga de la celda 1 fluya hacia el inductor con la carga I actual. Una vez que el inductor está completamente cargado, el interruptor SW1 se abre y el interruptor sw2 se cierra.

Ahora, el inductor que está completamente cargado invertirá su polaridad y comenzará a descargarse. Esta vez, la carga del inductor fluye hacia la celda2 con corriente I-descarga. Una vez que el inductor está completamente descargado, el interruptor sw2 se abre y el interruptor sw1 se cierra para repetir el proceso. Las siguientes formas de onda le ayudarán a obtener una imagen clara.

Durante el tiempo t0, el interruptor sw1 está cerrado (encendido), lo que hace que la corriente I cargo aumente y el voltaje a través del inductor (VL) aumente. Luego, una vez que el inductor está completamente cargado en el momento t1, el interruptor sw1 se abre (apaga) lo que hace que el inductor descargue la carga que acumuló en el paso anterior. Cuando un inductor se descarga, cambia su polaridad, por lo que el voltaje VL se muestra en negativo. Al descargar la corriente de descarga (descargo) disminuya desde su valor máximo. Toda esta corriente entra en la celda 2 para cargarla. Se permite un pequeño intervalo desde el tiempo t2 al t3 y luego en t3 el ciclo completo se repite nuevamente.

Este método también adolece de la principal desventaja de que la carga sólo se puede transferir de la celda superior a la inferior. También se debe considerar la pérdida en la conmutación y la caída de voltaje del diodo. Pero es más rápido y eficiente que el método del condensador.

Convertidor inductivo (basado en Fly back)

Como comentamos, el método del convertidor reductor elevador solo podía transferir cargas de la celda superior a la celda inferior. Este problema se puede evitar utilizando un convertidor Fly back y un transformador. En un convertidor de tipo flyback, el lado primario del devanado está conectado al paquete de baterías y el lado secundario está conectado a cada celda individual del paquete de baterías como se muestra a continuación.

Como sabemos, la batería funciona con CC y el transformador no tendrá ningún efecto hasta que se cambie el voltaje. Entonces, para comenzar el proceso de carga, se conmuta el interruptor en el lado de la bobina primaria Sp. Esto convierte CC en CC pulsada y se activa el lado primario del transformador.

Ahora, en el lado secundario, cada celda tiene su propio interruptor y la bobina secundaria. Al cambiar el mosfet de la celda de bajo voltaje, podemos hacer que esa bobina en particular actúe como secundaria para el transformador. De esta manera, la carga de la bobina primaria se transfiere a la bobina secundaria. Esto hace que el voltaje total del paquete de baterías se descargue en la celda débil.

La mayor ventaja de este método es que cualquier celda débil del paquete se puede cargar fácilmente con el voltaje del paquete y no se descarga una celda en particular. Pero como se trata de un transformador, ocupa un gran espacio y la complejidad del circuito es alta.

3. Equilibrio sin pérdidas

El equilibrio sin pérdidas es un método desarrollado recientemente que reduce las pérdidas al reducir los componentes de hardware y proporcionar más control por software. Esto también hace que el sistema sea más simple y más fácil de diseñar. Este método utiliza un circuito de conmutación de matriz que proporciona la capacidad de agregar o quitar una celda de un paquete durante la carga y descarga. A continuación se muestra un circuito de conmutación de matriz simple para ocho celdas.

Durante el proceso de carga, la celda que es de alto voltaje se quitará del paquete utilizando las disposiciones del interruptor. En la figura anterior, la celda 5 se extrae del paquete utilizando los interruptores. Considere los círculos de la línea roja como interruptores abiertos y el círculo de la línea azul como interruptores cerrados. Por tanto, el tiempo de reposo de las células más débiles aumenta durante el proceso de carga para equilibrarlas durante la carga. Pero la tensión de carga debe ajustarse en consecuencia. También se puede seguir la misma técnica durante la descarga.

4. Lanzadera Redox

El método final no es para diseñadores de hardware sino para ingenieros químicos. En las baterías de plomo-ácido no tenemos el problema del equilibrio de las celdas porque cuando una batería de plomo-ácido se sobrecarga provoca gases que evitan que se sobrecargue. La idea detrás de la lanzadera Redox es intentar lograr el mismo efecto en las celdas de litio al alterar la química del electrolito de la celda de litio. Este electrolito modificado debería evitar que la celda se sobrecargue.

Algoritmos de equilibrio celular

Una técnica de equilibrio celular eficaz debería combinar el hardware con un algoritmo adecuado. Existen muchos algoritmos para el balanceo de celdas y depende del diseño del hardware. Pero los tipos se pueden resumir en dos secciones diferentes.

Medición de la tensión de circuito abierto (OCV)

Este es el método fácil y más seguido. Aquí se miden los voltajes de celda abierta para cada celda y el circuito de equilibrio de celda trabaja para igualar los valores de voltaje de todas las celdas conectadas en serie. Es simple medir OCV (voltaje de circuito abierto) y, por lo tanto, la complejidad de este algoritmo es menor.

Estado de carga de medición (SOC)

En este método, el SOC de las células se equilibra. Como ya sabemos, medir el SOC de una celda es una tarea compleja, ya que tenemos que tener en cuenta el voltaje y el valor actual de la celda durante un período de tiempo para calcular el valor de SOC. Este algoritmo es complejo y se utiliza en lugares donde se requiere alta eficiencia y seguridad, como en las industrias aeroespacial y espacial.

Con esto concluye el artículo aquí. Espero que ahora tengas una breve idea de qué es el balance de celdas y cómo se implementa a nivel de hardware y software. Si tiene alguna idea o técnica, compártala en la sección de comentarios o utilice los foros para obtener ayuda técnica.