La importancia de la ecualización para optimizar el rendimiento del banco de baterías.
Los paquetes de baterías, especialmente los que se utilizan en vehículos eléctricos y sistemas de almacenamiento de energía, suelen estar compuestos por varias unidades de baterías conectadas en serie. Si bien esta configuración ofrece un voltaje más alto, puede generar ineficiencias si las baterías individuales no funcionan de la misma manera. Aquí es donde entra en juego la ecualización de baterías.
Ecualización: equilibrio para una mejor vida útil de la batería
La ecualización de baterías es un proceso que garantiza que todas las baterías de un paquete alcancen el mismo estado de carga (SOC). Los métodos de equilibrio de celdas activo eliminan la carga de una o más celdas altas y la entregan a una o más celdas bajas. Las técnicas disipativas encuentran las celdas altas en el paquete y eliminan el exceso de energía a través de un elemento resistivo hasta que sus cargas coincidan con las celdas bajas.
Beneficios de las baterías equilibradas
Mayor capacidad utilizable: al mantener todas las baterías sincronizadas, la ecualización libera todo el potencial del paquete. Obtiene más "energía utilizable" de cada unidad.
Mayor seguridad: la sobrecarga o la descarga excesiva de baterías individuales puede provocar daños y riesgos de seguridad. La ecualización evita esto al mantener niveles de voltaje equilibrados. Mayor vida útil de la batería: las baterías equilibradas experimentan menos estrés y desgaste, lo que genera una vida útil general más larga para el paquete.
Por qué el equilibrio de la batería es fundamental
Las baterías tienen ligeras variaciones en la capacidad y las tasas de descarga. Cuando no están equilibradas, la batería más débil del paquete determina el rendimiento general. Continuar descargándolas cuando una sola unidad está agotada puede dañarla. De manera similar, cargar un paquete desequilibrado puede provocar la sobrecarga de baterías en buen estado.
Las baterías de litio se pueden sobrecargar sin dañar los materiales activos. El voltaje de ruptura del electrolito está peligrosamente cerca del voltaje terminal de carga completa, generalmente en el rango de 4,1 a 4,3 voltios/celda. Por lo tanto, se deben implementar controles y monitoreo cuidadosos para evitar que una sola celda experimente un sobrevoltaje debido a una carga excesiva.
Las celdas individuales basadas en litio requieren monitoreo para que el voltaje de la celda no exceda los límites predefinidos de la química. Las celdas de litio conectadas en serie plantean un problema más complejo: cada celda de la cadena debe ser monitoreada y controlada. Aunque el voltaje del paquete puede parecer estar dentro de límites aceptables, una celda de la cadena en serie puede estar experimentando un voltaje dañino debido a desequilibrios entre celdas.
En el caso de las aplicaciones de vehículos eléctricos, es conveniente equilibrar las celdas para obtener la máxima capacidad utilizable del paquete de baterías. Durante la carga, una celda desequilibrada puede acercarse prematuramente al voltaje de fin de carga (normalmente de 4,1 a 4,3 voltios por celda) y hacer que el cargador se apague. El equilibrio de celdas es útil para controlar las celdas de mayor voltaje hasta que el resto de celdas puedan alcanzarlas. De esta manera, el cargador no se apaga hasta que las celdas alcanzan simultáneamente el voltaje de fin de carga.
Métodos de equilibrio de celdas al final de la carga
Desviación de carga
El método de equilibrado de celdas mediante derivación de carga desvía selectivamente la corriente de carga alrededor de cada celda a medida que se cargan por completo (Figura 1). Este método se emplea de manera más eficiente en sistemas con índices de carga conocidos. La resistencia de derivación R está dimensionada para derivar exactamente la corriente de carga I cuando se alcanza el voltaje de celda completamente cargada V. Si la corriente de carga disminuye, la resistencia R descargará la celda derivada. Para evitar disipaciones de potencia extremadamente grandes debido a R, este método se utiliza mejor con cargadores de corriente escalonada con una corriente de fin de carga pequeña.
Las desventajas del método de derivación de carga son la necesidad de utilizar grandes resistencias de disipación de potencia, interruptores de alta corriente y requisitos de gestión térmica. Este método es más adecuado para sistemas que se cargan a menudo con pequeñas corrientes de carga.
Métodos de equilibrio de celdas activas
Emplean un elemento de transferencia de carga activa o convertidores de voltaje o corriente para mover energía de una celda a otra. Estos dispositivos pueden ser controlados de forma analógica o digital. Las dos clasificaciones principales de los métodos de equilibrio de células activas son la transferencia de carga y la conversión de energía.
Transferencia de carga
Los mecanismos de equilibrio de células con transferencia de carga consisten en un dispositivo que elimina la carga de una célula seleccionada, la almacena y luego la entrega a otra célula. Existen varias realizaciones de esquemas de transferencia de carga, siendo la más notable un "condensador " (Figura 2).
La electrónica de control cierra los interruptores adecuados para cargar el condensador C a través de la celda B1. Una vez que el condensador está cargado, los interruptores se abren. Luego, los interruptores se cierran para conectar el condensador C a través de la celda B2. Luego, el condensador suministra carga a B2 en función del diferencial de voltaje entre B1 y B2.
Convertidor de energía
El balanceo de celdas mediante dispositivos de conversión de energía emplea inductores o transformadores para mover energía de una celda o grupo de celdas a otra celda o grupo de celdas. Dos métodos de conversión de energía activa son el transformador conmutado y el transformador compartido.
El método del transformador conmutado comparte la misma topología de conmutación que el método del condensador flotante (Figura 6). La corriente I se toma de todo el paquete y se conmuta al transformador T. La salida del transformador se rectifica a través del diodo D y se entrega a la celda Bn, que se determina mediante la configuración de los interruptores S. Se requiere un control electrónico para seleccionar la celda de destino y configurar los interruptores S.
Este método puede equilibrar rápidamente las celdas bajas a costa de quitarle energía a todo el paquete. Las desventajas incluyen una alta complejidad, un gran número de piezas en términos de control, magnetismo e interruptores, y una baja eficiencia debido a las pérdidas de conmutación y las pérdidas magnéticas.
Método pasivo de equilibrio de celdas
Resistencias disipativas
El método disipativo desvía celdas seleccionadas con resistencias de alto valor para quitar carga de las celdas más altas hasta que coincidan con la carga de las celdas más bajas (Figura 9). Este circuito es la implementación de equilibrio de celdas más simple y económica. Si se elige el valor de la resistencia de modo que I sea pequeño (capacidad <10 mA/Ahr), el tamaño de la resistencia física y la clasificación del interruptor pueden ser pequeños. Una resistencia de 10 mA/Ahr podría equilibrar celdas con valores extremadamente altos a una tasa del 1 % por hora.
El método de equilibrio de celdas disipativo puede funcionar de forma continua, con las resistencias encendiéndose y apagándose según sea necesario. La eficacia de la técnica disipativa se puede mejorar mediante la aplicación de algoritmos de control adaptativos y de aprendizaje. Las ventajas son el bajo coste y la baja complejidad. Las desventajas son las elevadas pérdidas de energía. Para aplicaciones de vehículos eléctricos, una resistencia de 10 mA/Ahr podría especificar una corriente de resistencia de 1 A para un paquete de baterías de 100 Ahr, lo que significa una resistencia de 4 W por celda de litio (4 V/celda). Valores tan elevados podrían dar lugar a un diseño costoso con requisitos de gestión térmica.
En resumen
Varios métodos de equilibrio de celdas son adecuados para aplicaciones de vehículos eléctricos. Los métodos de derivación de carga funcionan bien, pero están limitados por la cantidad de corriente que se debe disipar. El método de transformador compartido es aplicable, pero es costoso en términos de magnetismo y cantidad de piezas. El método disipativo es aplicable y es el más rentable. Los métodos de transferencia de carga serían prohibitivamente caros debido a los interruptores necesarios para manejar las grandes corrientes de carga máxima de los condensadores.
Ricardo Berizzo
Ingeniero Electricista 2024.-
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