The Battery Cycle #5: Balanceo de inhomogeneidades, o por qué mi vehículo a veces se detiene

¿Por qué es crucial el balance entre celdas? Acá te explicamos que necesitas saber de este fenomeno

A continuación, una contribución de Claudius Jehle, director general (CEO) de volytica diagnostics GmbH (https://www.volytica.com). Su artículo original se encuentra en https://www.sustainable-bus.com/news/balancing-cells-battery-sudden-depletion-event/

¿Qué es el evento de agotamiento repentino? ¿Por qué es crucial el balance entre celdas? ¿Cómo preservar el SOC de la mejor manera posible? ¿Por qué es fundamental destacar el aspecto del balanceo adecuado?

Bienvenido a un nuevo artículo de la serie Battery Cycle, dedicada a desmitificar esta caja negra en un lenguaje fácil, pero técnicamente a prueba de balas. En nuestros primeros artículos, explicamos las diferentes químicas, arrojamos luz sobre el SOC y dimos ideas sorprendentes sobre la carga. Hoy explicaremos el concepto de homogeneidad o simetría, y la mitigación, el balanceo. Conozca los aspectos técnicos subyacentes, el impacto en el funcionamiento y las estrategias de optimización.

Topología del sistema

Una "batería" no es una celda, aunque queramos reducirla a eso en la conversación cotidiana. Lo ideal sería que se comportara como tal, pero como siempre, las cosas son más complejas en la realidad.

En un sistema de baterías, docenas o normalmente cientos de celdas individuales se conectan en serie (es decir, el positivo de una se conecta al negativo de la siguiente y así sucesivamente), formando una cadena. Cada celda adicional aumenta la tensión total del sistema. Como la "potencia" es "tensión por corriente", duplicar la tensión (poniendo celdas en serie) reduce la corriente necesaria a la mitad, y como el diámetro de los cables está determinado principalmente por la corriente máxima, aumentar la tensión del sistema poniendo celdas en serie ayuda básicamente a reducir el tamaño, el peso y los costes de los cables. Así de sencillo[1]. Si queremos más capacidad, añadimos cadenas enteras en paralelo.

Pero con este simple "truco" surgen nuevos problemas: el desequilibrio, la falta de homogeneidad, la energía inaccesible y la necesidad de compensar.

Inhomogeneidad: Un experimento mental

Si partimos de un sistema en el que todas las celdas son iguales, nos encontramos con graves problemas que explicaremos aquí. Como de costumbre, empezamos con analogías sencillas que nos sirven (casi) perfectamente para las conversaciones cotidianas. Consideremos un sistema de una sola cadena (funciona perfectamente igual con los sistemas de varias cadenas) y figurémoslo -atención: metáfora- como una cascada de los vasos ya introducidos, descargándose unos en otros.

¿Está de acuerdo en que, mientras no haya una fuga, la cantidad de líquido que entra por la parte superior pasa completamente sin cambios por todas y cada una de las celdas?

Analogía de un sistema ideal y homogéneo - todas las celdas son idénticas y su SOC se reduce a la misma velocidad, agotándolas uniformemente. En aras de la simplicidad, omitimos el hecho de que debe haber sobrepotenciales/"espuma".

Por lo tanto, si ahora todas tienen exactamente la misma capacidad (SOH, artículos posteriores), y todas comienzan a la misma altura de llenado (tensión), entonces todas tienen el mismo contenido inicial (SOC). Si la corriente fluye a través de la cascada, cada celda de este ejemplo perfecto se está llenando/vaciando exactamente con la misma cantidad de líquido. Si se siguen descargando, todas se acercan al 0% de SOC simultáneamente[2]. A la inversa, si se siguen llenando, todas estarán llenas al 100% al mismo tiempo.

Si no se compensa, un sistema con SOCs de celdas no homogéneos podría encontrarse tarde o temprano con Eventos de Agotamiento Súbito, teniendo un circuito de seguridad que apague todo el sistema cuando la celda "amarilla" del 45% llegue al 0% antes que todas las demás.

En este mundo ideal no necesitamos ningún balance, ya que no hay ninguna inhomogeneidad. Por supuesto, esto no es así en el mundo real: hay muchas imperfecciones. Veámoslo más de cerca: dejemos el experimento mental anterior tal y como está, pero porla razón que sea, 1 de 100 células tiene un SOC ligeramente inferior, sólo el 45% en lugar del 50%. El SOC medio sigue siendo de aproximadamente el 50%[3], pero a medida que se va descargando la cascada, es evidente que la " celda limón" se vaciará antes que las demás. Esto será detectado por las características de seguridad del sistema de gestión de la batería y el flujo completo se interrumpirá para no realizar una descarga profunda y potencialmente dañar la celda "amarilla", mientras que 99 celdas todavía tienen un SOC de aproximadamente el 5%. Piense en el potencial perdido. Todavía hay un 5% en el sistema, pero es inaccesible.

Vaciado súbito: Si esta desconexión de emergencia del sistema se produce a toda velocidad, el resultado es lo que llamamos un evento de agotamiento repentino (SDE): un vehículo que hasta hace unos segundos o minutos mostraba un SOC sustancial y sin problemas (¡promedio del sistema!), podría detenerse de repente y la pantalla del SOC caer cerca del 0%, para proteger la celda más baja de los daños.

Por cierto: Si has seguido todos los artículos hasta ahora, deberías tener una idea de por qué especialmente el LFP es propenso a ese efecto.

¡El balance es la clave!

¿Qué hace ahora el balanceo? En términos muy sencillos: un sistema de compensación tiene que ocuparse de que todas las celdas tengan el mismo SOC (contenido de llenado), idealmente en todo momento. El enfoque más sencillo, pero también el más común, suele denominarse compensación pasiva, y parece un despilfarro: un alógica maestra determina el SOC de la "amarilla" (o las amarillas) y descarga todas las demás celdas utilizando un circuito de derivación[4]. Sí, en el ejemplo anterior, un sistema de balanceo pasivo comenzaría a filtrar hasta un 5% de las 99 celdas buenas, casi "desangrándolas”[5]. Esta carga se pierde.

La compensación pasiva trata de descargar todas las demás celdas hasta el SOC de la amarilla, desperdiciando de hecho el exceso de energía. Sin embargo, esta filosofía puede ser eficiente y rentable, dado que los sistemas de compensación activa son complejos y caros.

También existen sistemas de compensación activa, que son mucho más sofisticados y propensos a los fallos debido a su complejidad, además de requerir una mayor inversión. El resultado también es que las 100 celdas terminarían con el mismo SOC, pero al trasladar activamente el exceso de carga de las otras 99 pararespaldar a la amarilla, no se pierde carga en el proceso.

¿Cuándo se produce el balance?

En los sistemas estacionarios grandes y muy activos, la compensación activa es cada vez más habitual. Sin embargo, la sencillez y robustez de los sistemas pasivos siguen siendo el medio elegido en las aplicaciones móviles. Así que, para simplificar, lo que sigue es válido sólo para los sistemas pasivos.

Como se ha dicho, un sistema de balanceo debe determinar primero el SOC de cada celda. Como ha aprendido en este artículo, esto es especialmente difícil para la electrónica, sobre todo en situaciones dinámicas "espumosas", es decir, durante el funcionamiento o la carga. Por lo tanto, el sistema de balanceo querrá periodos de inactividad relajados, y está aún más contento si el SOC medio es muy alto, ya que la "forma de vaso" de la mayoría de las químicas permite una conversión precisa de voltaje a SOC cuando están casi llenas. Cuanto más largo sea el periodo de inactividad, más se puede "calentar" el desbalance por las derivaciones.

¿Ahora entiendes por qué los OEMs recomiendan una fase de reposo prolongada directamente después de cargar al 100%? Exactamente: El reposo con un SOC alto facilita el balanceo; cuanto más tiempo, mejor.

Razones de la falta de homogeneidad

No hemos respondido a la pregunta de por qué las celdas no se comportan igual. Hemos traído el ejemplo de que una celda está ligeramente más vacía que las demás (es decir, el SOC). La realidad es muy compleja, con muchas interacciones. Para destacar una razón muy significativa, porque se refuerza por sí misma: debido a las imperfecciones de fabricación, a los flujos desiguales de refrigeración/calentamiento, a los problemas de soldadura, a las imperfecciones de la electrónica, etc., algunas celdas se degradan ligeramente más rápido que otras -en realidad, sólo ligeramente-, lo que da lugar a una dispersión de la capacidad (es decir, el SOH, no el SOC). Cuando se cargan y descargan continuamente, las diferencias en el SOH llevarán a que los SOC de todas las celdas empiecen a divergir de forma comparable al ejemplo del primer razonamiento. La parte media es la siguiente: una celda que es ligeramente más pequeña que las demás experimenta más corriente por capacidad (tasa C), incluso aumentando el estrés por degradación. Además, es probable que tenga una resistencia ligeramente mayor, lo que provoca un aumento de la temperatura. Además, la ventana SOC se ve afectada. Por lo tanto, es probable que una "celda pre-amarilla" continúe con una espiral descendente. De forma irreversible.

Aunque el sistema de balanceo siempre intenta nivelar el SOC, no puede afectar a la propagación irreversible del SOH. Esto se puede mitigar con un sistema de balanceo durante algunos meses o años, al menos el operador no sentirá directamente el proceso en curso. Pero en un momento dado, los tiempos de balanceo tardarían tanto en nivelar todo por completo, que el funcionamiento se vería gravemente afectado. O, si se mantuviera demasiado tiempo, el riesgo de SDE aumentaría considerablemente.

Recomendaciones

Es fundamental destacar el aspecto del balanceo adecuado. A continuación, es pertinente adherirse a las recomendaciones de compensación de los OEM, y supervisar tanto su cumplimiento como su eficacia. Merece la pena solicitar información sobre la falta de homogeneidad interna, reversible e irreversible, y la eficacia del equilibrado de cada activo, ya que todo ello tiene un gran impacto en el funcionamiento diario y el valor a largo plazo.

Mensajes para llevar a casa 👇

  • Los sistemas de baterías son complejos: están formados por cientos de celdas individuales. Si no actúan todas en perfecta armonía, no se puede extraer de ellas toda la energía aparentemente disponible.
  • En el peor de los casos, los sistemas desequilibrados pueden "autoagotarse" de repente en "eventos de agotamiento repentino", lo que provoca paradas rápidas y potencialmente peligrosas en ruta.
  • El balanceo necesita tiempo y condiciones particulares para sobresalir - la mayoría de las veces ocurre durante las fases de inactividad prolongadas después de una carga completa
  • Las razones del desequilibrio y la falta de homogeneidad son muy complejas, y un desequilibrio previo puede conducir a una degradación interna autoimpuesta, agravando el problema
  • Es aconsejable seguir las recomendaciones del fabricante, pero también llevar un control independiente de la falta de homogeneidad, reversible e irreversible, y de la eficacia del equilibrado 


[1] Muchos lectores podrían objetar que la electrónica de potencia también funciona mejor con tensiones más altas.

[2] Obsérvese que por el momento pensamos que el proceso es extremadamente rápido, es decir, que la resistencia de las celdas es extremadamente baja, y de nuevo la misma para todas y cada una de las celdas. Por supuesto, esto no es así en la realidad.

[3] En realidad, es el 49,95% (1×45% + 99×50%), pero nunca se da un SOC con 2 decimales

[4] De hecho, cada celda con SOC > amarilla,  se descarga utilizando pequeñas resistencias térmicas.

[5] De hecho, este proceso se denomina a veces "sangrado", ya que el circuito utiliza "resistencias de sangrado".