Una batería de múltiples celdas no balanceada usará la celda más débil para determinar la capacidad de todo el sistema. Esta es una manera ineficaz de determinar la capacidad, ya que las celdas individuales envejecen de forma diferente. No es posible garantizar que todas las celdas tengan la misma capacidad, incluso con una rigurosa selección. Existen distintas soluciones para corregir este problema.
Las baterías de iones de litio, al igual que otros tipos de batería, están sujetas a un proceso de desgaste durante la carga y descarga debido a los cambios químicos. En la batería de iones de litio, el ánodo consiste en una lámina de cobre recubierta de carbono o un compuesto de grafito. El cátodo está formado por un compuesto de litio. El electrolito entre los electrodos es sal de litio disuelta. Según si el electrolito es líquido o sólido, se habla de baterías de iones de litio o de polímeros de litio.
La principal diferencia entre las celdas es el material del cátodo, que puede ser de cobalto, manganeso, níquel‑cobalto, níquel‑cobalto‑manganeso (NKM), fosfato de hierro o titanio. Los distintos materiales del cátodo provocan diferentes densidades de energía y de potencia, tensiones nominales y posibles ciclos de carga.
Carga uniforme
El llamado método de carga IU, que se usa para este tipo de celdas, funciona con corriente y tensión constantes (corriente constante = CC, tensión constante = CV). Según este procedimiento, las baterías primero se cargan con una corriente constante. Esto limita la corriente de carga, lo que evita que esta sea demasiado alta. La carga con corriente constante continúa hasta que se alcanza la tensión de carga final. Luego, la carga continúa con una tensión constante, de modo que no se puede superar la tensión de carga final. La corriente de carga disminuye al aumentar la carga.
Al igual que la vida útil, con mayores capacidades de carga, el tiempo de carga también depende de una serie de factores, sobre todo de la temperatura. Los períodos cortos de carga y descarga tienen un efecto negativo en el material de los electrodos, por lo que la vida útil y el número de ciclos se acortan. Una carga y descarga uniformes aumentan la vida útil de una celda de iones de litio de manera drástica.
Enchapado de litio
La carga de las celdas de iones de litio a corrientes altas de carga o a temperaturas bajas puede provocar el efecto perjudicial de enchapado de litio. Los iones de litio, de preferencia, se depositan en la superficie del ánodo en lugar de intercalarse entre las capas de grafito. Este efecto produce pérdidas importantes de rendimiento, durabilidad y seguridad. En casos extremos, el enchapado de litio puede, incluso, provocar un cortocircuito o, dado que el litio metálico se inflama con rapidez, un incendio.
Según la calidad y el diseño de la batería, son comunes entre 500 y más de 1000 ciclos de carga. Una batería se considera desgastada cuando queda menos del 80 % de su capacidad original.
El problema
Los llamados clústeres o paquetes de batería, por lo general, están formados por varias celdas individuales o en bloques conectadas en serie para aumentar la tensión nominal. A causa del envejecimiento, se producen fluctuaciones en la capacidad, la resistencia interna y otros parámetros de estas celdas. La celda más débil determina cuánto se carga y cuánto puede descargarse.
En el uso práctico de baterías de múltiples celdas conectadas en serie, esto conduce al hecho de que estas se cargan y descargan de manera distinta en serie. La descarga profunda crítica o la sobrecarga se producen en la red o cuando las celdas individuales se sobrecargan y superan la tensión de carga final. Según el tipo de batería, pueden producirse daños irreversibles en las celdas individuales. El resultado: todo el paquete de baterías pierde capacidad.
Sistemas de administración de la batería (BMS)
Los sistemas de administración de la batería (BMS) se encargan de controlar y monitorear el proceso de carga y descarga de los paquetes de batería de alto rendimiento en aplicaciones de electrónica de potencia autónoma (E‑Power) como vehículos eléctricos e híbridos, robótica o similares. Su principal tarea es garantizar que cada celda individual no supere o llegue a un límite de estado de carga (SoC) definido para la aplicación, tanto durante la carga como la descarga. El valor del SoC es la capacidad disponible restante de una batería en relación con su valor nominal. El valor se indica como un porcentaje del estado de carga completa. Ejemplo: 30 % significa que la batería todavía tiene una carga residual del 30 % en relación con la carga completa. Según la aplicación, los valores límite inferior y superior del SoC son de 20 % a 100 % (potencia máxima) o 100 % (potencia máxima). De 30 % a 70 % (vida útil máxima).
Un BMS controla características como la tensión de la batería, la temperatura y la capacidad de la celda, el estado de la carga, el consumo de corriente, el tiempo de funcionamiento restante, el ciclo de carga y mucho más. Estas unidades de control son esenciales, ya que hay que agrupar varias celdas de batería para conseguir una capacidad de la batería total elevada. Los balanceadores desempeñan un papel cada vez más importante en estos sistemas de administración de la batería.
Balance de la batería: pasivo
Un método relativamente sencillo desde el punto de vista técnico y muy usado es el balance pasivo. Esto funciona prácticamente solo al final de la carga, cuando las celdas de un paquete de baterías están cargadas casi por completo. Para las celdas que ya han alcanzado la tensión de carga final, el balanceador conecta un resistor en paralelo, lo que limita el voltaje a la tensión de carga final. De este modo, esta celda solo se carga un poco o, incluso, se descarga, mientras que las celdas de la conexión en serie, que aún no han alcanzado la tensión de carga final, siguen recibiendo la corriente de carga completa. La potencia del resistor paralelo debe adaptarse a la corriente de carga, ya que el exceso de energía se produce en forma de calor en el resistor. La ventaja de este método es que es económico y fácil de aplicar desde un punto de vista técnico. La otra cara de la moneda: el proceso de carga tarda mucho hasta que la celda más débil alcanza el valor del SoC requerido. Además, se desperdicia mucha energía en calor no deseado. Esta pérdida de calor también tiene un efecto negativo en la vida útil de las celdas de la batería y representa un riesgo de incendio considerable.
Balance de la batería: activo
Los balanceadores activos son mucho más complejos, pero más eficientes. Sirven para transferir la carga entre celdas: la energía de las celdas con mayor carga se transfiere a las que tienen menos. En principio, el control de la carga se compone de varios reguladores de conmutación, especialmente optimizados para la aplicación, que funcionan por celda y transfieren la energía de manera activa. Dicho proceso puede realizarse ya durante el período de carga. Sin embargo, al igual que en el caso del balance pasivo, por lo general, solo comienza en el área del extremo de carga. En los sistemas balanceadores bidireccionales, este intercambio de cargas ocurre tanto durante el proceso de carga como de descarga. Por lo tanto, los balanceadores bidireccionales son aún más eficientes.
Una de las principales ventajas del balance activo es la eficiencia significativamente mayor, ya que la energía sobrante solo se convierte en calor en una pequeña proporción. El balance activo se usa en la actualidad para salidas mayores (E‑Power) en ámbitos como la movilidad eléctrica (EV = vehículo eléctrico, BEV = vehículo eléctrico alimentado por batería, HEV = vehículo eléctrico híbrido y PHEV = vehículo híbrido de carga eléctrica).
El mayor esfuerzo de conmutación del sistema de control se traduce, por supuesto, en mayores costos iniciales. Pero, a cambio, este sistema de control para la administración de la batería ofrece ventajas tangibles. Mediante un control de carga superior con software inteligente y adaptativo, esta redistribución de la carga de las celdas fuertes a las débiles, incluso a través de diferentes circuitos en serie, puede prolongar de manera significativa la vida útil de un paquete de baterías de alto rendimiento.
Circuito principal de un balanceador activo con bobinas, dos pasos. Fuente: Wikipedia
Protección
En las aplicaciones E‑Power, como los vehículos eléctricos, los paquetes de baterías suelen ser el mayor factor de costo. El cliente exige la máxima capacidad de rendimiento, el proceso de carga más rápido posible, una larga vida útil y una confiabilidad absoluta. Requisitos que no son simplemente compatibles.
Las baterías de litio tienen una densidad de potencia mucho mayor que las robustas de ácido‑plomo. Sin embargo, son muy sensibles a las sobretensiones y subtensiones. Esto requiere monitoreo y protección para evitar de forma confiable un fallo prematuro, un sobrecalentamiento o, incluso, un cortocircuito de las celdas individuales. Estos respaldos de seguridad deben funcionar sin problemas durante muchos años. Tienen que soportar el frío del invierno y el calor del verano, así como los golpes y las vibraciones.
Deben permitir el paso de las máximas corrientes de carga y descarga con mínimas pérdidas. Encender y apagar, acelerar: la resistencia cíclica también es indispensable.
Método de carga IU con corriente constante (CC) y tensión constante (CV)
Fusibles personalizados
Sin embargo, los mayores enemigos de los paquetes de baterías son la sobretemperatura, los cortocircuitos y las sobrecorrientes pulsadas. Según el diseño y la finalidad del pack de baterías de alto rendimiento, hay que centrarse en la protección contra la sobrecorriente o más en la temperatura. Sin embargo, en la mayoría de los casos, confluyen varios problemas potenciales al mismo tiempo. En la práctica, esto significa que se necesitan soluciones personalizadas para la protección. Los fusibles combinados a prueba de pulsos para la protección contra la sobrecorriente y la sobretemperatura son posibles, y ya se implementaron. Para ello, se usa la tecnología de chip a fin de garantizar la resistencia mecánica necesaria.
Máxima densidad de potencia con la mayor seguridad y durabilidad: este enfoque se aplica no solo a las celdas individuales, sino a toda la unidad de energía.
Economía
Por supuesto, siempre se puede usar la última tecnología de baterías y ofrecer la mayor capacidad posible de rendimiento. Sin embargo, esto siempre está asociado a unos costos elevados, y se carece por completo de experiencia a largo plazo. Por este motivo, la industria tiende a enfocarse en desarrollar tecnologías establecidas que han demostrado su eficacia millones de veces en aplicaciones estándar (por ejemplo, en computadoras portátiles). En un paso siguiente, se optimizan los procesos de fabricación, se determinan los límites del flujo de entrada y salida, y se desarrollan mecanismos para alcanzar la mayor escala posible. El proceso inteligente de carga y descarga tendrá una importancia enorme en el futuro. El balance optimizado combina el máximo rendimiento con la mayor esperanza de vida.
Un socio con experiencia
SCHURTER ahora ofrece una amplia gama de fusibles acordes con la norma AEC‑Q200 para diversas aplicaciones (administración de la batería, control de climatización, electrónica relacionada con los motores diésel o de gasolina, y muchas más). En todo el mundo, se usan millones de fusibles para proteger contra la sobrecorriente y la sobretemperatura, así como su combinación. La estrecha conexión con las organizaciones internacionales automotrices y la propia industria hacen de SCHURTER un socio competente para todas las cuestiones relativas a la protección de la electrónica en la ingeniería automovilística.
PRODUCTOS DE PROTECCIÓN DE SOBRECORRIENTE DE SCHURTER