Equilibrio de la batería
# Equilibrio de la batería

El equilibrio de baterías y la redistribución de baterías se refieren a técnicas que mejoran la capacidad disponible de un paquete de baterías con múltiples celdas (normalmente en serie) y aumentan la longevidad de cada celda. Un equilibrador de baterías o regulador de baterías es un dispositivo eléctrico de un paquete de baterías que realiza el equilibrado de las mismas. Los equilibradores se encuentran a menudo en paquetes de baterías de iones de litio para computadoras portátiles, vehículos eléctricos, etc.

## Fundamento

Las celdas individuales de un paquete de baterías tienen naturalmente capacidades algo diferentes y, por tanto, en el transcurso de los ciclos de carga y descarga, pueden estar en un estado de carga (SOC) diferente. Las variaciones en la capacidad se deben a variaciones en la fabricación, variaciones en el montaje (p. ej., celdas de una producción mezcladas con otras), envejecimiento de las celdas, impurezas o exposición ambiental (p. ej., algunas celdas pueden estar sometidas a calor adicional de fuentes cercanas como motores, componentes electrónicos, etc.), y pueden verse exacerbadas por el efecto acumulativo de cargas parásitas, como los circuitos de monitorización de celdas que suelen encontrarse en un sistema de gestión de baterías (BMS).

El equilibrado de un pack multicelda ayuda a maximizar la capacidad y la vida útil del pack al trabajar para mantener un estado de carga equivalente de cada celda, en la medida de lo posible dadas sus diferentes capacidades, en el rango más amplio posible. El equilibrado sólo es necesario para los packs que contienen más de una célula en serie. Las células en paralelo se equilibrarán de forma natural ya que están conectadas directamente entre sí, pero los grupos de células cableadas en paralelo, cableadas en serie (cableado paralelo-serie) deben equilibrarse entre grupos de celdas.

### Implicaciones para la seguridad

Para evitar condiciones indeseables, y a menudo inseguras, el sistema de gestión de la batería debe controlar el estado de las celdas individuales en cuanto a características operativas como la temperatura, la tensión y, a veces, la corriente consumida, aunque esta última a menudo sólo se mide por paquete en lugar de por celda, quizás con protección de un solo disparo a nivel de celda contra una corriente anormalmente alta (como en un cortocircuito u otra condición de fallo).

En condiciones normales de funcionamiento, la descarga debe detenerse cuando una celda se queda sin carga por primera vez, aunque otras células puedan seguir manteniendo una carga significativa. Del mismo modo, la carga debe detenerse cuando una célula alcanza su tensión de carga máxima segura. En caso contrario, las pilas pueden sufrir daños permanentes o, en casos extremos, pueden invertir la polaridad, provocar gases internos, desbordamiento térmico u otros fallos catastróficos. Si las celdas no están equilibradas, de forma que los puntos de corte alto y bajo estén al menos alineados con el estado de la celda de menor capacidad, la energía que se puede extraer y devolver a la batería será limitada.

Las baterías recargables de iones de litio son bastante más sensibles a la sobrecarga del paquete de baterías, al sobrecalentamiento, a los niveles de carga inadecuados durante el almacenamiento y a otras formas de maltrato que la mayoría de las pilas químicas de uso común (por ejemplo, NiMH). La razón es que las distintas químicas de las baterías de litio son susceptibles de sufrir daños químicos (por ejemplo, ensuciamiento del cátodo, descomposición molecular, etc.) por sobretensiones muy leves (es decir, milivoltios) durante la carga, o más corriente de carga de la que la química interna puede tolerar en este punto de su ciclo de carga/descarga, y así sucesivamente. El calor acelera estas reacciones químicas no deseadas, pero hasta ahora inevitables, y el sobrecalentamiento durante la carga amplifica estos efectos.

Dado que la química del litio suele permitir estructuras de membrana flexibles, las baterías de litio pueden colocarse en bolsas flexibles aunque selladas, lo que permite densidades de empaquetamiento más altas dentro de un paquete de baterías. Cuando una célula de litio se maltrata, algunos de los productos de descomposición (normalmente sustancias químicas del electrolito o aditivos) desprenden gases. Estas pilas se "hinchan" y están a punto de fallar. En las baterías selladas de iones de litio de formato cilíndrico, la misma desgasificación ha provocado presiones bastante elevadas (se han registrado más de 800 psi; estas celdas pueden explotar si no disponen de un mecanismo de alivio de presión. Para agravar el peligro, muchos productos químicos de las baterías de litio incluyen hidrocarburos (cuya naturaleza exacta suele estar patentada), que son inflamables. Por lo tanto, además del riesgo de que el maltrato de la celda pueda causar una explosión, una simple fuga no explosiva puede provocar un incendio.

La mayoría de las baterías tienen modos de fallo menos dramáticos y peligrosos. Los productos químicos de la mayoría de las baterías suelen ser tóxicos en cierta medida, pero rara vez son explosivos o inflamables; muchos son corrosivos, lo que explica la recomendación de evitar dejar las baterías dentro de los equipos durante periodos prolongados, ya que pueden tener fugas y dañar el equipo. Las baterías de plomo-ácido son una excepción, ya que al cargarlas se genera gas hidrógeno, que puede explotar si se expone a una fuente de ignición (por ejemplo, un cigarrillo encendido) y una explosión de este tipo rociará ácido sulfúrico en todas direcciones. Se trata de un peligro especial, ya que es corrosivo y potencialmente cegador.

## Tecnología

El equilibrio puede ser activo o pasivo. El término regulador de baterías suele referirse únicamente a los dispositivos que realizan un equilibrado pasivo.

Un BMS completo puede incluir el equilibrado activo, así como el control de la temperatura, la carga y otras funciones para maximizar la vida útil de una batería.

El equilibrio de la batería puede realizarse mediante convertidores DC-DC, en una de tres topologías:

* Celda a batería
* Batería a celda
* Bidireccional

Normalmente, la potencia gestionada por cada convertidor DC-DC es varios órdenes de magnitud inferior a la potencia gestionada por el conjunto de baterías.

### Equilibrio pasivo

En el equilibrado pasivo, la energía se extrae de la célula más cargada y se disipa en forma de calor, normalmente a través de resistencias.

El equilibrio pasivo iguala el estado de carga en un punto fijo, normalmente "equilibrio superior", en el que todas las células alcanzan el 100% de SOC al mismo tiempo, o "equilibrado inferior", en el que todas las células alcanzan el SOC mínimo al mismo tiempo. Esto puede lograrse drenando energía de las células con mayor estado de carga (por ejemplo, un cortocircuito controlado a través de una resistencia o transistor), o derivando energía a través de una ruta en paralelo con una celda durante el ciclo de carga, de modo que la celda consuma menos corriente (normalmente constante regulada). El equilibrado pasivo es inherentemente derrochador, ya que parte de la energía del pack se gasta en forma de calor para igualar el estado de carga entre las celda. La acumulación de calor residual también puede limitar la velocidad a la que puede producirse el equilibrio.

### Equilibrio activo

En el equilibrio activo, la energía se extrae de la célula más cargada y se transfiere a las células menos cargadas, normalmente a través de convertidores basados en condensadores, inductores o DC-DC.

El equilibrado activo intenta redistribuir la energía de las células con carga completa a las que tienen un estado de carga inferior. La energía se puede purgar de una célula con un SOC más alto conectando un condensador de reserva en circuito con la célula, desconectando después el condensador y volviéndolo a conectar a una célula con un SOC más bajo, o a través de un convertidor CC-CC conectado a todo el pack. Debido a las ineficiencias, parte de la energía se sigue desperdiciando en forma de calor, pero no en la misma medida. A pesar de sus evidentes ventajas, el coste adicional y la complejidad de una topología de equilibrado activo pueden ser considerables y no siempre tienen sentido en función de la aplicación.

Otra variante utilizada a veces en las baterías EAPC utiliza un conector de varias patillas con una resistencia y un diodo en serie en cada nodo: cuando se conocen las caídas, el cargador aplica una corriente de descarga adecuada o carga las celdas débiles hasta que todas tienen la misma tensión en el terminal cargado. Esto tiene la ventaja de reducir ligeramente el peso del paquete y disminuir el consumo parásito, además de permitir el equilibrio multipunto.

