Igualar el voltaje de las celdas de las baterías de litio, también llamado equilibrado, es un proceso fundamental si quieres que tu batería de litio alcance la vida esperada

Debido a variaciones en la fabricación, el uso y otros factores, las celdas que constituyen las baterías de litio pueden experimentar ligeras diferencias en su estado de carga o capacidad. Si estas diferencias son demasiado grandes, pueden producirse problemas como una reducción de la capacidad total, una disminución del rendimiento o la disminución de la vida útil de la batería. El BMS detecta las diferencias de voltaje entre las distintas celdas. La igualación o equilibrado de las celdas ayuda a garantizar que cada celda del pack de la batería se encuentre en un estado de carga similar.

Existen dos métodos principales de ecualización en las baterías de litio:

1. Métodos de equilibrado PASIVO: consisten en descargar energía de las celdas que tienen exceso de ella, para igualarlas a las que tienen menor energía.
2. Métodos de equilibrado ACTIVO: consisten en traspasar energía de aquellas celdas con exceso a aquellas con menor carga.

Por tanto, el equilibrado PASIVO elimina la energía de las celdas más cargadas, mientras que el equilibrado ACTIVO transfiere la energía a las celdas con menor carga.

Figura 1: Comparación entre equilibrado activo y pasivo (Ahmad y otros, 2019)

Es el BMS (Battery Management System, Sistema de Gestión de Baterías) el que se encarga de realizar el equilibrado de las celdas. Lo realiza mediante unos dispositivos llamados balanceadores. Por tanto, es importante que las baterías de litio, incluso las más pequeñas, tengan BMS/balanceadores para realizar el equilibrado de las celdas.

• Métodos de equilibrado PASIVO:
  Estos métodos se caracterizan por ser relativamente sencillos, principalmente se emplean resistencias para disipar la energía sobrante, por tanto, en el proceso se genera calor, lo cual aumenta la temperatura de la batería. Hay dos métodos principales:
  • Equilibrado con resistencia fija.
  • Equilibrado con resistencia conmutada, la cual se puede realizar mediante interruptores controlados o con diodos Zener.

Figura 2: Esquemas de equilibrado pasivo: (a) resistencia fija, (b) resistencia conmutada, (c) diodo Zener (Plett y otros, 2013).

• Métodos de equilibrado ACTIVO:
  El equilibrado activo implica el uso de componentes electrónicos activos como condensadores, transistores y circuitos de control para redistribuir activamente la carga entre las celdas. Todo ello hace que este método sea más complejo y requiera circuitos adicionales. El fin último es trasvasar energía de las celdas que más tienen a las que menos, hasta conseguir que se igualen.
  Métodos típicos de equilibrado activo son:
  • Equilibrado con condensadores
  • Equilibrado con inductores
  • Equilibrado con transformadores
  • Equilibrado con convertidores

Figura 3: Esquemas de equilibrado con condensadores: (a) condensador conmutado, (b) condensadores conmutados, (c) doble nivel de condensadores conmutados (Daowd, 2013).

Pros y contras de los 2 tipos de equilibrado.

EQUILIBRADO PASIVO:

VENTAJAS:

• Simplicidad: Los circuitos de ecualización pasiva suelen tener un diseño más sencillo que los circuitos de equilibrado activo. Esta simplicidad puede resultar en costes más bajos y menor complejidad en el sistema de gestión de baterías (BMS).
• Fiabilidad: Menos componentes electrónicos significa que hay menos puntos de fallo potencial. La ecualización pasiva tiende a ser más robusta en términos de fiabilidad.

CONTRAS:

• Equilibrado más lento: El equilibrado pasivo se basa en resistencias u otros componentes pasivos para descargar el exceso de energía. Como resultado, tiende a ser más lento en comparación con los métodos de equilibrado activo.
• Menos eficaz: El equilibrado pasivo suele ser menos eficaz que el activo. Puede no ser tan eficaz para igualar completamente celdas con grandes diferencias de tensión. (¿te suena, lo has sufrido alguna vez?)

EQUILIBRADO ACTIVO:

VENTAJAS:

• Ecualización más rápida: Los métodos de equilibrado activo pueden redistribuir la carga más rápidamente que los métodos pasivos, lo que lleva a un equilibrio más rápido de los voltajes de las celdas.
• Mayor eficacia: La equilibrado activo es generalmente más eficiente en términos de transferencia de energía en comparación con los métodos pasivos, se desperdicia menos energía. Puede ser más eficaz para igualar completamente celdas con diferencias de tensión significativas.

CONTRAS:

• Complejidad: Los circuitos de equilibrado activo son más complejos y requieren componentes electrónicos adicionales como interruptores, transistores y circuitos de control. Esta complejidad puede aumentar los costes e introducir más puntos de fallo potencial.
• Coste: Los sistemas de equilibrado activo suelen ser más caros de implementar que los sistemas pasivos, principalmente debido a los componentes electrónicos y circuitos adicionales necesarios. Asimismo, son mucho más complejos de controlar.
• Potencial de ruido eléctrico: Los componentes de conmutación de los sistemas de equilibrado activo pueden introducir ruido eléctrico, que podría interferir con otros sistemas electrónicos. Para mitigar este riesgo se requiere un diseño y blindaje adecuados.

En la inmensa mayoría de las baterías de tracción, por no decir en todas, se realiza un equilibrado pasivo.