Equilibrado de celdas de baterías de vehículos eléctricos: métodos pasivos y activos

El equilibrado ajusta la carga de los grupos de celdas conectados en serie para que sus diferencias no limiten innecesariamente la energía utilizable de la batería. Los sistemas pasivos extraen carga de determinados grupos; los activos transfieren energía entre partes del pack.

Por qué las diferencias de carga limitan un pack

Un grupo de celdas es una posición supervisada en la cadena en serie de la batería: una sola celda o varias conectadas en paralelo. El capítulo battery pack explica cómo estas conexiones determinan la tensión y la capacidad del pack.

El sistema de gestión de la batería (BMS) debe mantener cada grupo dentro de sus límites de funcionamiento. Durante la carga, un grupo puede alcanzar su límite superior de tensión mientras otros todavía pueden admitir energía. Durante la descarga, uno puede alcanzar su límite inferior mientras otros aún contienen energía. Ambas situaciones restringen lo que puede entregar el pack. El equilibrado ayuda a recuperar la energía utilizable que queda inaccesible por las diferencias de carga. Analog Devices — Maximize the Run Time in Automotive Battery Stacks Even as Cells Age

Tres distinciones explican qué puede conseguir el equilibrado:

• Una diferencia de estado de carga (SOC) significa que los grupos contienen distintas cantidades de carga en relación con sus capacidades.
• Una diferencia de capacidad significa que un grupo puede almacenar menos carga que otro.
• Una diferencia de tensión medida también puede deberse a la resistencia, la temperatura o un error de medición.

La autodescarga desigual y las pequeñas diferencias de consumo eléctrico de cada grupo pueden crear gradualmente un desequilibrio de carga. Las diferencias de capacidad inicial y envejecimiento cambian la rapidez con la que cada grupo recorre su intervalo de SOC. Analog Devices — Maximize the Run Time in Automotive Battery Stacks Even as Cells Age

Consideremos un ejemplo simplificado con dos grupos de 90 Ah y 100 Ah. Ambos pueden empezar completamente cargados, pero, después de entregar cada uno 90 Ah, el menor estará vacío y el mayor aún contendrá 10 Ah. Igualarlos en la parte superior de la ventana de carga no restaura la capacidad que le falta al menor. Este ejemplo omite otros límites que podrían detener antes la descarga. Analog Devices — Maximize the Run Time in Automotive Battery Stacks Even as Cells Age

Equilibrado pasivo

Un circuito de equilibrado pasivo conecta una resistencia en paralelo con un grupo seleccionado mediante un interruptor electrónico. La corriente que circula por esta rama convierte la energía eléctrica en calor. El BMS controla qué ramas funcionan y durante cuánto tiempo. Analog Devices — Passive Battery Cell Balancing

Durante la carga, la corriente que llega a esa posición de la cadena en serie se divide entre las celdas y la rama de equilibrado:

Corriente neta de carga de las celdas = corriente de carga del pack − corriente de derivación

Por ejemplo, si el pack recibe 1 A y una rama seleccionada consume 0,1 A, las celdas de ese grupo reciben 0,9 A. Otro grupo idéntico, pero con su rama de equilibrado desactivada, recibe la totalidad de 1 A y acumula carga más deprisa. Son corrientes ilustrativas que suponen que los demás pequeños consumos eléctricos son despreciables.

La misma rama puede seguir extrayendo carga cuando el cargador se detiene; en ese caso, el grupo seleccionado suministra la corriente de la resistencia. La implementación Orion Jr. 2 descrita más adelante permite este funcionamiento mientras el BMS siga alimentado en modo CHARGE. Ewert Energy Systems — Orion Jr. 2 BMS operation manual

Una corriente de derivación pequeña solo reduce ligeramente la corriente que entra en un grupo durante una carga de alta intensidad. La carga debe seguir reduciéndose o detenerse cuando un grupo alcanza su límite. Por tanto, el equilibrado complementa el control de carga, sin sustituirlo.

El circuito es relativamente sencillo y puede corregir una deriva gradual de carga entre grupos con capacidades similares. Analog Devices — Maximize the Run Time in Automotive Battery Stacks Even as Cells Age La contrapartida es que la energía extraída se convierte en calor. El equilibrado pasivo tampoco dispone de una vía para alimentar un grupo con poca carga desde los restantes durante la descarga. Analog Devices — Passive Battery Cell Balancing

Corriente y tiempo de equilibrado

El punto de partida útil es la cantidad de carga que debe extraerse, medida en amperios-hora (Ah):

Tiempo de equilibrado (h) = diferencia de carga (Ah) ÷ corriente media de equilibrado (A)

En dos grupos por lo demás idénticos de 100 Ah, una diferencia de un punto porcentual de SOC representa 1 Ah. Eliminarla con una corriente continua de 0,1 A lleva 10 horas. Si la rama solo funciona durante la mitad del tiempo transcurrido con esa misma corriente, su corriente media es de 0,05 A y la corrección lleva 20 horas. Ambos cálculos son simplificados y suponen que no aparece una deriva adicional y que el grupo objetivo no cambia.

El controlador de celdas para automoción MC33775A de NXP admite equilibrado pasivo de hasta 300 mA por canal. Sus controles incluyen temporizadores individuales y umbrales de tensión. Pausa automáticamente el equilibrado durante las mediciones y lo interrumpe si las resistencias de equilibrado se sobrecalientan. Los 300 mA son un límite del componente; el circuito instalado y el software determinan la corriente y el tiempo de funcionamiento en el vehículo. NXP — MC33775A product short data sheet, revision 2

La corriente real también depende de la tensión de la celda y de la resistencia de la vía de equilibrado. La guía de diseño BQ7961x-Q1 de TI explica cómo elegir las resistencias y tener en cuenta las restricciones térmicas; su modo automático alterna los canales pares e impares. Texas Instruments — BQ7961x-Q1 automotive BMS design recommendations, revision B Las pausas de medición, las interrupciones térmicas y la secuenciación de canales reducen el tiempo durante el que una rama puede equilibrar. Así se explica que la corriente media pueda ser inferior a la corriente con la rama activada; el 50% de tiempo de funcionamiento del ejemplo de 20 horas es una hipótesis ilustrativa.

Equilibrado activo

El equilibrado activo utiliza un circuito de conversión de potencia para trasladar energía entre grupos o entre un grupo y una parte mayor del pack. El circuito puede almacenarla temporalmente en un condensador o un componente magnético antes de entregarla en otro punto. Su arquitectura determina qué grupos pueden intercambiar energía. Ashraf et al. — Review of Cell-Balancing Schemes for Electric Vehicle Battery Management Systems

Un diseño que admita transferencias durante la descarga puede alimentar un grupo próximo a su límite inferior desde otros que aún contienen energía. Esto puede prolongar la descarga útil del pack incluso cuando las capacidades de los grupos difieren. Durante la carga, un circuito adecuado puede retirar energía de un grupo próximo a su límite superior. Analog Devices — Active Battery Cell Balancing

La corriente de transferencia y el tiempo disponible para equilibrar limitan ese beneficio, como señala ADI. Analog Devices — Active Battery Cell Balancing Una consecuencia práctica es que un circuito de transferencia puede aportar demasiado poca energía para mantener el grupo limitante por encima de su límite inferior ante una demanda elevada de potencia. Redistribuir energía mejora el aprovechamiento del pack; la capacidad de almacenamiento de cada grupo permanece igual.

La conmutación y la conversión de energía generan pérdidas, y el hardware adicional aumenta el coste, el tamaño y la complejidad del control. Ashraf et al. — Review of Cell-Balancing Schemes for Electric Vehicle Battery Management Systems La decisión de ingeniería consiste en valorar si la energía recuperada y la velocidad de equilibrado justifican esos elementos adicionales en el pack previsto.

Cómo las lecturas de tensión orientan el equilibrado

La diferencia entre la mayor y la menor tensión de grupo medida suele denominarse dispersión de tensiones o delta de tensión entre celdas. Su significado cambia con la corriente, la temperatura y el SOC.

Un grupo con mayor resistencia interna puede mostrar una tensión superior durante la carga e inferior durante la descarga, incluso sin diferencias de SOC. Extraerle carga solo porque presenta la tensión más alta al circular corriente de carga puede agravar el desequilibrio. Una corriente menor y unas condiciones estabilizadas reducen estos efectos y facilitan la interpretación de la tensión. Texas Instruments — Battery Cell Balancing: What to Balance and How

Las diferencias de temperatura también afectan al comportamiento de la tensión. Un error de offset del sensor o un fallo del cable de medición puede producir una diferencia aparente sin crear un desequilibrio físico de carga. El capítulo battery management system explica cómo se distinguen los fallos de medición de los fallos de las celdas.

El fosfato de hierro y litio (LFP) plantea una dificultad particular: su tensión varía poco en gran parte del intervalo de SOC. Por eso, niveles de carga diferentes pueden producir tensiones similares. La histéresis, por la que la tensión depende del historial reciente de carga o descarga de la celda, complica aún más la comparación. Los tramos de mayor pendiente de la curva de tensión aportan más información sobre las diferencias de carga. Analog Devices — Considerations for Fuel Gauging Lithium-Iron-Phosphate Batteries

La tensión, las mediciones de corriente y los modelos de batería contribuyen a estimar el SOC. El equilibrado modifica físicamente la carga de grupos seleccionados; la calibración del SOC corrige la estimación del BMS. Un cambio en el porcentaje mostrado no demuestra por sí solo que se haya redistribuido carga.

Cuándo funciona el equilibrado y qué puede deducir el conductor

La estrategia de control determina cuándo se activa o se pausa el equilibrado. Las condiciones pueden incluir la tensión de los grupos, la diferencia medida entre ellos, la temperatura y el estado de funcionamiento del vehículo.

El equilibrado superior iguala los grupos cerca del extremo superior de la ventana de carga; el inferior lo hace cerca del extremo inferior. Estos términos describen el punto de igualación. Pasivo y activo describen el mecanismo utilizado para modificar la distribución de carga. Los grupos con capacidades diferentes pueden estar igualados en un extremo y divergir al desplazarse el pack hacia el otro.

Una implementación documentada es el Orion Jr. 2, un BMS para packs de hasta 48 V nominales en vehículos ligeros y aplicaciones estacionarias. Su manual de 2018 describe umbrales de equilibrado ajustables y recomienda el equilibrado superior. El equilibrado intermedio o inferior puede requerir un controlador externo que indique cuándo debe funcionar. Ewert Energy Systems — Orion Jr. 2 BMS operation manual

El 100% mostrado marca la parte superior de la ventana de carga presentada al conductor, en lugar del punto absoluto de carga completa de cada celda, como se explica en battery buffers and the operating window. No revela si se cumplieron las condiciones necesarias ni cuánto tiempo funcionó el equilibrado. Siga las instrucciones de carga del vehículo concreto, en vez de adoptar una rutina universal de carga completa o descarga profunda. El capítulo battery charging explica los factores independientes que determinan la velocidad de carga y su reducción progresiva.

Si un grupo vuelve a desequilibrarse repetidamente, el diagnóstico debe determinar si la causa es una deriva de carga, una capacidad reducida, la resistencia, la temperatura o un problema de medición. Una lectura de dispersión de tensiones resulta más útil junto con las condiciones y el historial que la produjeron. La pérdida permanente de capacidad se trata en battery degradation.