Balanceo de la batería

Para garantizar un funcionamiento seguro y prevenir situaciones de riesgo, el sistema de gestión de baterías (BMS) monitoriza continuamente parámetros críticos como la temperatura y el voltaje a nivel de cada celda, detectando cualquier desviación que pudiera provocar un fallo. Si bien la corriente se suele monitorizar a nivel del paquete para optimizar el rendimiento, el BMS puede incluir mecanismos de protección de un solo uso a nivel de celda para desconectar rápidamente las celdas en caso de una corriente anormalmente alta, como durante un cortocircuito u otras condiciones de fallo.

En condiciones normales de funcionamiento, la descarga debe detenerse cuando una celda se agota, incluso si otras celdas aún conservan una carga significativa. Del mismo modo, la carga debe detenerse cuando una celda alcanza su voltaje máximo de carga seguro. Si no se cumplen estas instrucciones, las celdas pueden sufrir daños permanentes o, en casos extremos, pueden invertir su polaridad, provocar la emisión de gases internos, un sobrecalentamiento u otras fallas catastróficas. Si las celdas no están equilibradas, de modo que los límites de corte alto y bajo coincidan al menos con el estado de la celda de menor capacidad, la energía que se puede extraer y devolver a la batería será limitada.

Debido a que las composiciones químicas del litio suelen permitir estructuras de membrana flexibles, las celdas de litio pueden utilizarse en bolsas flexibles pero selladas, lo que permite una mayor densidad de empaquetado dentro de un paquete de baterías. Cuando una celda de litio se manipula incorrectamente, algunos de los productos de descomposición (generalmente de los componentes químicos del electrolito o aditivos) se descomponen. Estas celdas se hinchan y están a punto de fallar. En las baterías de iones de litio cilíndricas selladas, esta misma descomposición ha provocado presiones bastante elevadas (se han registrado presiones superiores a 800 psi ); dichas celdas pueden explotar si no cuentan con un mecanismo de alivio de presión. El peligro se agrava porque muchas composiciones químicas de celdas de litio incluyen hidrocarburos (cuya naturaleza exacta suele ser información confidencial), que son inflamables. Por lo tanto, además del riesgo de que una manipulación incorrecta de la celda pueda provocar una explosión, una simple fuga no explosiva puede causar un incendio.

La mayoría de las baterías presentan fallos menos drásticos y peligrosos. Si bien los componentes químicos suelen ser tóxicos en cierta medida, rara vez son explosivos o inflamables ; muchos son corrosivos, lo que justifica la recomendación de no dejar las baterías dentro de los equipos durante largos periodos, ya que podrían tener fugas y dañarlos. Las baterías de plomo-ácido son una excepción, pues su carga genera hidrógeno, un gas que puede explotar al entrar en contacto con una fuente de ignición (por ejemplo, un cigarrillo encendido). Dicha explosión proyectaría ácido sulfúrico en todas direcciones. Dado que este ácido es corrosivo y potencialmente causa ceguera, representa un peligro particular.

En el equilibrio pasivo, la energía se extrae de la celda más cargada y se disipa en forma de calor, generalmente a través de resistencias .

El balanceo pasivo iguala el estado de carga en un punto fijo, generalmente mediante un balanceo superior, donde todas las celdas alcanzan el 100 % de SOC simultáneamente, o un balanceo inferior, donde todas alcanzan el SOC mínimo al mismo tiempo. Esto se logra extrayendo energía de las celdas con mayor estado de carga (por ejemplo, mediante un cortocircuito controlado a través de una resistencia o transistor), o desviando energía a través de una ruta en paralelo con una celda durante el ciclo de carga, de modo que esta consuma menos corriente (normalmente constante y regulada). El balanceo pasivo es intrínsecamente ineficiente, ya que parte de la energía del paquete se disipa en forma de calor para igualar el estado de carga entre las celdas. La acumulación de calor residual también puede limitar la velocidad a la que se produce el balanceo.

En el balanceo activo, la energía puede extraerse de la celda más cargada y transferirse a las celdas menos cargadas, por ejemplo, a través de convertidores basados ​​en capacitores, inductores o CC-CC . ^{[ 6 ]}

El balanceo activo intenta redistribuir la energía de las celdas con carga completa a aquellas con un estado de carga inferior. Se puede extraer energía de una celda con un estado de carga más alto conmutando un condensador de reserva en el circuito con la celda, desconectándolo y volviéndolo a conectar a una celda con un estado de carga inferior, o mediante un convertidor CC-CC conectado a todo el paquete. Debido a las ineficiencias, todavía se desperdicia algo de energía en forma de calor, pero no en la misma medida. A pesar de las ventajas evidentes, el coste adicional y la complejidad de una topología de balanceo activo pueden ser considerables y no siempre resultan convenientes según la aplicación.

Otra variante, utilizada a veces en baterías de bicicletas eléctricas, emplea un conector multipin con una resistencia y un diodo en serie en cada nodo. Al conocerse las caídas de tensión, el cargador aplica una corriente de descarga adecuada o carga las celdas más débiles hasta que todas registren la misma tensión en los terminales. Esto tiene la ventaja de reducir ligeramente el peso de la batería y el consumo parásito, además de permitir el balanceo multipunto.

• Patente estadounidense 384,447 , E. Julien, Conmutador regulador para batería secundaria