Equilibrado de celdas

slug: "battery/cellbalancing" articleType: "Technology" category: "technology" status: "Published" language: "es" version: 7 title: "Equilibrado de celdas" linkTitle: "Equilibrado de celdas" description: "Cómo corrige el equilibrado las diferencias de carga en una batería de vehículo eléctrico, por qué un grupo limita el pack y qué problemas no puede solucionar." translationStatus: "Translated" storageType: "Database" contentHash: "849b286ac408204b4329a3a36f90d4dfd4c2361375924160d82871604d344962"

El equilibrado de celdas corrige las diferencias de nivel de carga entre los grupos de celdas conectados en serie de una batería de vehículo eléctrico. Ayuda a evitar que un grupo termine la carga o la descarga demasiado pronto, pero no puede recuperar capacidad perdida ni reparar una celda degradada.

Qué equilibra realmente el equilibrado de celdas

El nombre equilibrado de celdas puede sugerir que el sistema de gestión de la batería (BMS) mide y ajusta por separado cada celda física. No siempre es así como está construida una batería de vehículo eléctrico.

Las celdas conectadas en paralelo comparten la misma tensión en sus terminales y normalmente se supervisan como un único grupo. Por ejemplo, en una batería 108s4p, hay 108 grupos conectados en serie y cada grupo contiene cuatro celdas en paralelo. El pack tiene 432 celdas físicas, pero normalmente contará con 108 vías de medición de tensión y equilibrado.

En todo este artículo, grupo de celdas significa una posición supervisada dentro de la cadena en serie. Puede ser una celda grande o varias celdas en paralelo.

Todos los grupos conectados en serie conducen la misma corriente del pack. Si por la batería circulan 50 A, esos mismos 50 A pasan por cada posición en serie. Sin embargo, los grupos pueden alcanzar estados de carga diferentes porque su capacidad, resistencia, temperatura, autodescarga y envejecimiento no son perfectamente idénticos.

El equilibrado es la función del BMS que reduce esas diferencias de nivel de carga. El sistema más amplio de supervisión, estimación y protección se explica en Sistema de gestión de la batería.

Por qué se desajustan los grupos de celdas

Las celdas se seleccionan y emparejan durante la producción de la batería, pero ninguna pareja permanece exactamente igual durante toda su vida útil. Las pequeñas diferencias se acumulan a lo largo de repetidos periodos de carga, conducción y estacionamiento.

Entre las causas principales se incluyen:

Variaciones de fabricación y de capacidad inicial
Diferentes ritmos de envejecimiento y pérdida de capacidad
Diferencias de resistencia interna
Temperatura y refrigeración desiguales
Pequeñas variaciones de autodescarga
Fugas a través de la electrónica de medición o equilibrado
Una celda débil dentro de un grupo en paralelo
Diferencias en las barras colectoras, los terminales u otras conexiones eléctricas
Desviación del sensor de tensión o fallo de un cable de medida

Estas causas no representan todas el mismo problema.

Desequilibrio del estado de carga

Un desequilibrio del estado de carga significa que dos grupos contienen distintas cantidades de carga en relación con sus propias capacidades utilizables. Si dos grupos idénticos de 100 Ah contienen 80 Ah y 78 Ah, sus estados de carga son del 80% y el 78%.

Este es el desajuste que el equilibrado pretende corregir.

Desequilibrio de capacidad

Existe un desequilibrio de capacidad cuando un grupo puede almacenar menos carga que los demás. Un grupo degradado de 90 Ah y otro sano de 100 Ah pueden estar ambos al 100% de SOC, pero el grupo degradado contiene menos carga y normalmente llegará antes al vacío.

El equilibrado puede alinear ambos grupos en un punto elegido de la ventana de funcionamiento. No puede recuperar los 10 Ah que faltan. Por tanto, el grupo de menor capacidad puede seguir limitando la energía utilizable del pack después del equilibrado.

Diferencias de resistencia y temperatura

Un grupo con alta resistencia muestra un mayor aumento de tensión durante la carga y una mayor caída de tensión durante la aceleración. Un grupo frío también puede sufrir una caída mayor bajo carga que uno caliente con el mismo SOC.

Estas diferencias transitorias de tensión no representan necesariamente diferencias de carga. Equilibrar únicamente a partir de la tensión instantánea mientras circula una corriente elevada puede extraer carga del grupo equivocado.

Autodescarga

Un grupo con mayor autodescarga se va quedando atrás mientras el vehículo está estacionado. El equilibrado puede devolverlo repetidamente a la alineación, pero una desviación persistente puede indicar un defecto de celda, contaminación, una fuga a través del equipo de supervisión u otro fallo que requiera diagnóstico.

Las celdas conectadas en serie divergen de forma natural debido a diferencias de temperatura, impedancia, carga y autodescarga, mientras que el equilibrado pasivo suele bastar para corregir pequeñas diferencias de SOC entre celdas bien emparejadas. (Analog Devices)

Cómo limita un grupo la batería

Cada grupo supervisado debe permanecer dentro de su intervalo permitido de tensión y temperatura. El promedio del pack no puede anular el límite de un grupo individual.

Durante la carga

La carga queda limitada por el grupo que alcanza primero su límite superior de tensión. Imagine cuatro grupos cerca del final de una carga:

El grupo A alcanza su límite superior.
El grupo B está al 98% de SOC.
El grupo C está al 97% de SOC.
El grupo D está al 99% de SOC.

Continuar con la misma corriente sobrecargaría el grupo A, aunque los demás todavía tengan margen. El BMS debe reducir la corriente de carga, equilibrar determinados grupos, detener la carga o combinar estas medidas. Parte de la capacidad de los grupos B y C queda sin utilizar.

Durante la descarga

La descarga queda limitada por el grupo que alcanza primero su límite inferior. Los grupos más fuertes pueden conservar energía, pero el vehículo no puede seguir extrayendo corriente sin restricciones porque descargaría en exceso el grupo limitante.

Normalmente, el BMS reduce la potencia de propulsión disponible antes de que el grupo alcance su límite inferior absoluto. Si es necesario, acaba impidiendo nuevas descargas de tracción.

El grupo que limita la carga no siempre es el que limita la descarga. Un grupo de mayor resistencia puede ser el que más suba de tensión durante la carga y el que más caiga al acelerar, mientras que un grupo de menor capacidad puede ser el primero en alcanzar el final de su carga utilizable. Por eso, una dispersión de tensión necesita contexto y no un único umbral.

Tanto el equilibrado pasivo como el activo pretenden recuperar energía utilizable que, de otro modo, quedaría inaccesible por un desajuste del SOC. Ninguno de los dos métodos modifica la capacidad física de las celdas. (Analog Devices)

Cómo identifica el BMS un desequilibrio

La electrónica de supervisión mide la tensión de cada grupo en serie. A continuación, el BMS evalúa esas lecturas junto con:

Corriente del pack
Temperaturas de las celdas y los módulos
Respuesta de tensión durante la carga y la descarga
Recuperación de la tensión después de que se detenga la corriente
SOC estimado del grupo
Capacidad y resistencia aprendidas
Actividad previa de equilibrado
Autodescarga durante el estacionamiento
Diagnóstico de sensores y comunicaciones

La diferencia entre la tensión más alta y la más baja de los grupos medidos suele denominarse delta de tensión de las celdas o dispersión de tensión. Es útil, pero no representa por sí sola una medida completa del equilibrio.

La tensión resulta más fácil de interpretar cuando la corriente es baja, las temperaturas son similares y se han estabilizado los efectos transitorios de polarización y resistencia. Durante una carga rápida o una aceleración intensa, la dispersión medida puede estar dominada por la resistencia en lugar del SOC.

Un grupo que parece el más alto durante la carga y el más bajo durante la descarga puede tener una resistencia mayor, no un exceso de carga almacenada. El BMS debe distinguir entre:

Una diferencia real de SOC
Una diferencia de capacidad
Una diferencia de tensión relacionada con la resistencia
Un efecto de temperatura
Una autodescarga anómala
Un fallo del sensor, el cable de medida o la conexión

Tomar decisiones de equilibrado solo a partir de la tensión con una corriente elevada puede empeorar el desajuste. Por eso, las guías técnicas de equilibrado destacan la corriente, los efectos de la resistencia y las condiciones próximas al final de la carga, cuando la corriente ha disminuido. (Texas Instruments)

Por qué LFP requiere especial atención

Las celdas de litio-ferrofosfato (LFP) presentan una curva de tensión en circuito abierto relativamente plana en gran parte de su intervalo de SOC. Un cambio significativo en la carga almacenada puede producir una diferencia de tensión muy pequeña, mientras que la temperatura, la histéresis, el error del sensor y el flujo de corriente reciente pueden generar diferencias de magnitud similar.

La tensión aporta más información en las zonas más inclinadas de la curva de LFP, pero un BMS preciso sigue necesitando una integración exacta de la corriente, compensación de temperatura, un modelo específico para la química y condiciones de referencia adecuadas. La guía de Analog Devices sobre la estimación de carga en LFP describe la curva de tensión plana y la histéresis como problemas centrales de estimación. (Analog Devices)

Esto no significa que sea imposible equilibrar una batería LFP. Significa que una regla sencilla como «descargar el grupo de mayor tensión» resulta menos fiable en la zona media y plana del intervalo de funcionamiento.

Equilibrado pasivo

El equilibrado pasivo elimina una pequeña cantidad de carga de los grupos seleccionados que tienen un SOC más alto. Un transistor conecta una resistencia en paralelo con el grupo y la energía eléctrica desviada se convierte en calor.

Durante la carga, descargar parcialmente un grupo más alto permite que los grupos más bajos lo alcancen mientras el pack sigue recibiendo energía. Algunos sistemas también pueden descargar grupos seleccionados mientras el vehículo está estacionado o después de terminar la carga.

El equilibrado pasivo es habitual porque el circuito es compacto, relativamente económico y fácil de integrar en la electrónica de supervisión de las celdas. Sus principales limitaciones son:

La energía extraída se desecha en forma de calor.
La corriente de equilibrado es pequeña en comparación con la de carga o tracción.
Las diferencias grandes pueden requerir muchas horas.
La temperatura de las resistencias puede limitar cuántos canales funcionan a la vez.
No puede transferir energía a un grupo más bajo durante la descarga.

Corriente y tiempo de equilibrado

El hardware de equilibrado para automoción suele trabajar en el intervalo de los miliamperios. Por ejemplo, el controlador de celdas MC33775A de NXP admite equilibrado pasivo de hasta 300 mA por canal e incorpora controles de tiempo, tensión y temperatura. Es una capacidad de ese componente, no un valor aplicable a todos los vehículos eléctricos. (NXP)

Una estimación sencilla del tiempo es:

Tiempo de equilibrado = diferencia de carga ÷ corriente de equilibrado

Una diferencia de SOC del 1% en un grupo de 100 Ah representa 1 Ah. Con una corriente de equilibrado continua de 0,1 A, eliminar esa diferencia tardaría unas 10 horas.

El equilibrado real puede tardar más porque el BMS puede interrumpirlo para medir la tensión, restringir canales adyacentes, reducir el ciclo de trabajo cuando se calientan los componentes, detenerlo fuera de un intervalo de temperatura permitido o permitir que el vehículo pase a un estado de menor consumo. Los diseños actuales de supervisión para automoción incluyen estos controles térmicos y temporizadores porque es necesario proteger las resistencias de descarga y los dispositivos de conmutación. (Texas Instruments)

Por tanto, el equilibrado pasivo resulta muy adecuado para corregir la desviación gradual entre grupos que, por lo demás, son similares. No es un proceso de reparación rápida para una batería gravemente desajustada.

Equilibrado activo

El equilibrado activo transfiere carga mediante circuitos de electrónica de potencia, en lugar de disiparla toda deliberadamente en resistencias. Según la topología, la energía puede desplazarse:

De un grupo más alto a uno más bajo
Entre un grupo y una sección mayor del pack
Entre módulos o secciones del pack
Desde el pack hacia un grupo con poca carga

El circuito de transferencia puede utilizar condensadores, inductores, transformadores, matrices de conmutación o convertidores CC-CC bidireccionales.

El equilibrado activo puede funcionar con más corriente y redistribuir energía durante la carga, la descarga o el reposo. Por ejemplo, durante la descarga puede suministrar energía de los grupos más fuertes a otro grupo que se aproxima a su límite inferior, retrasando el momento en que ese grupo pone fin a la descarga utilizable del pack.

El método no está exento de pérdidas. Los conductores, interruptores, componentes magnéticos y circuitos de control consumen energía y generan calor. Además, añade:

Coste y número de componentes
Espacio y peso
Complejidad de control
Consideraciones de interferencia electromagnética
Más requisitos de diagnóstico y seguridad funcional
Otros posibles modos de fallo

El equilibrado activo puede hacer utilizable una mayor parte de la energía existente en el pack cuando las capacidades de los grupos han divergido, pero no recupera la capacidad original de un grupo débil. Ese mismo grupo puede volver a ser el limitante en el siguiente ciclo. Analog Devices describe con claridad la diferencia fundamental: el equilibrado pasivo disipa el exceso de carga, mientras que el activo lo redistribuye. (Analog Devices)

El equilibrado activo no es automáticamente el mejor diseño para todos los vehículos eléctricos. El pasivo puede ser suficiente cuando las celdas están bien emparejadas y el BMS corrige regularmente las pequeñas desviaciones. El activo resulta más atractivo cuando el beneficio en energía utilizable justifica el hardware adicional y la carga de validación. Las revisiones de arquitecturas de equilibrado para vehículos eléctricos llegan al mismo compromiso general: los sistemas activos ofrecen una transferencia de energía más flexible, mientras que los pasivos conservan ventajas de coste y sencillez. (Energies)

Cuándo se realiza el equilibrado

No existe un programa de equilibrado universal. Según la batería y la estrategia del BMS, puede realizarse:

Durante la carga en corriente alterna
Cerca del final de la carga
Después de terminar la carga
Mientras el vehículo permanece conectado
Durante determinadas condiciones de estacionamiento o conducción
Siempre que la tensión, la corriente y la temperatura cumplan los criterios programados

Muchos sistemas realizan gran parte del equilibrado con un SOC alto. La corriente de carga es menor, el BMS puede identificar qué grupo alcanza primero el límite superior y el vehículo conectado puede disponer de tiempo suficiente para efectuar una corrección lenta.

Esto suele denominarse equilibrado superior, aunque otras estrategias pueden alinear los grupos cerca del extremo inferior o utilizar un equilibrado basado en modelos en una zona más amplia del intervalo de funcionamiento. El método elegido depende de la química de las celdas, el diseño del pack, la ventana operativa y las prioridades del fabricante.

Cargar hasta el 100% indicado no demuestra que se haya realizado el equilibrado. El BMS también puede exigir una temperatura adecuada, una diferencia mínima de tensión o de SOC estimado, una corriente baja, más tiempo conectado u otra condición específica del fabricante.

El equilibrado y la calibración del SOC son procesos distintos

El equilibrado modifica la distribución de carga entre los grupos conectados en serie. La calibración del SOC modifica la estimación del BMS sobre el nivel de carga de la batería.

Un punto de referencia alto o bajo puede ayudar al BMS a recalibrar el SOC, y una carga prolongada también puede proporcionar tiempo para el equilibrado, pero siguen siendo dos procesos distintos. Un vehículo puede actualizar el porcentaje indicado sin transferir una cantidad significativa de carga entre grupos. También puede equilibrar los grupos sin que se produzca un cambio visible en el cuadro de instrumentos.

Por tanto, los conductores deben seguir las recomendaciones de carga de su vehículo concreto, en vez de aplicar una regla genérica de «cargar al 100% para equilibrar». La química, la estrategia del BMS, el software, el tiempo de almacenamiento y las necesidades diarias de autonomía influyen en la rutina adecuada. El rendimiento de carga y la reducción de potencia con un SOC alto se tratan por separado en Carga de la batería y rendimiento de carga.

Qué no puede solucionar el equilibrado

El equilibrado de celdas no puede:

Recuperar la capacidad perdida por degradación
Revertir un aumento permanente de la resistencia
Reparar un cortocircuito interno
Detener una autodescarga anómala
Reparar una barra colectora, un terminal o un cable de medida dañados
Corregir una refrigeración insuficiente
Reparar un sensor de tensión o temperatura impreciso
Hacer que todos los grupos envejezcan al mismo ritmo
Recuperar litio o material activo que ya se haya perdido dentro de una celda

Si un grupo vuelve a desajustarse poco después del equilibrado, la batería puede tener un problema subyacente de capacidad, resistencia, autodescarga, temperatura, conexión o medición. El equilibrado puede alinear temporalmente el grupo, pero un desequilibrio persistente requiere diagnóstico.

La mayoría de los vehículos eléctricos no muestran directamente la actividad de equilibrado. Entre los posibles síntomas indirectos se encuentran:

La carga reduce su potencia o termina antes de lo esperado
Menor energía utilizable
Una corrección repentina del SOC indicado
Descenso más rápido del SOC cerca del vacío
Menor potencia de propulsión con un SOC bajo
Una gran dispersión de tensión comunicada
El vehículo permanece activo después de la carga
Un aviso de la batería o del sistema de propulsión

Ninguno de estos síntomas demuestra por sí solo un desequilibrio. La temperatura, la reducción normal de potencia al final de la carga, un error de estimación del SOC, los límites del cargador, la degradación general, los fallos de refrigeración y la estrategia de software pueden producir un comportamiento parecido.

Un diagnóstico fiable compara la tensión, la temperatura, la resistencia, la autodescarga y el historial de los grupos bajo condiciones controladas. Una sola captura de pantalla del delta de tensión o una única sesión de carga no son suficientes. La pérdida permanente de capacidad y la evaluación del estado de la batería se explican en Degradación de la batería.

El equilibrado de celdas resulta más eficaz cuando corrige discretamente las pequeñas diferencias antes de que el conductor las note. Una vez que un grupo se ha debilitado lo suficiente como para limitar repetidamente el pack, el equilibrado puede gestionar la consecuencia, pero no eliminar la causa.