Equilibrado activo vs pasivo de celdas: qué efecto tiene realmente en la vida útil del pack

Respuesta rápida: El equilibrado pasivo hace descender las celdas más cargadas de una cadena en serie hasta igualar la más baja, mediante una resistencia y calor, y solo puede actuar mientras el pack está cargando. El equilibrado activo desplaza carga entre celdas en lugar de quemarla, usando una de tres topologías de circuito, y puede actuar durante la carga, la descarga o en reposo. Ninguno de los dos es automáticamente la opción correcta: la decisión depende del ciclo de trabajo, el objetivo de número de ciclos, y cuánto coste, peso y complejidad adicionales puede absorber la aplicación.

Unos pocos milivoltios de desequilibrio por celda no parecen gran cosa. Sin corregir, se acumulan ciclo tras ciclo por el efecto de la celda más débil, y meses después se manifiesta como un pack que llega al final de su vida útil mientras la mayoría de sus celdas aún conservan capacidad real. El método de equilibrado que usa un BMS para corregir ese desequilibrio es una verdadera decisión de ingeniería, no una casilla que marcar en una hoja de datos.

Equivocarse en cualquiera de las dos direcciones tiene un coste. Especificar equilibrado activo en una aplicación de bajo ciclo de trabajo, y habrá pagado por interruptores, componentes magnéticos y superficie de PCB que un circuito pasivo y una buena clasificación de celdas habrían resuelto igual. Especificar equilibrado solo pasivo en una aplicación de ciclos altos y tolerancias estrechas, y el pack no puede corregir con suficiente rapidez, apareciendo la pérdida de capacidad antes de lo que prometía la hoja de datos.

Por qué unos pocos milivoltios de desequilibrio acortan la vida del pack

Las celdas de una cadena en serie llevan todas la misma corriente. Cuando una celda de un pack 6S o 12S tiene una capacidad ligeramente menor o una resistencia interna ligeramente mayor que el resto, alcanza primero su límite de tensión o de estado de carga, en ambos extremos. La carga debe detenerse en cuanto esa única celda alcanza su techo, aunque el resto de las celdas todavía tengan margen. La descarga debe detenerse en cuanto esa misma celda alcanza su suelo, aunque el resto de las celdas todavía tengan energía.

El resultado es una cadena que se comporta como su eslabón más débil, no como su celda promedio. Esa brecha no permanece fija. En cada ciclo, la celda débil se aleja un poco más del resto, porque la pérdida de capacidad y el aumento de resistencia no son perfectamente uniformes entre celdas, incluso procediendo del mismo lote de producción. Sin corregir, la capacidad utilizable de todo el pack se reduce más rápido de lo que sugeriría la propia curva de degradación de una sola celda, y el pack alcanza el final de su vida útil sobre el papel mientras la mayoría de sus celdas aún tienen capacidad real.

Este es un problema más acotado que la vida útil del pack en general. La profundidad de descarga, la tasa C y el envejecimiento calendario determinan todos ellos la rapidez con que una celda se degrada por sí misma, y ese panorama más amplio se trata en qué determina realmente la vida útil en ciclos de las celdas de Li-Ion. Este artículo se centra específicamente en el desequilibrio: cómo corrige un BMS la deriva celda a celda una vez que existe, y cómo se elige ese método de corrección.

Una cifra real que muestra cuánto cambia el resultado un ciclo de trabajo: la SA112 de Amprius, una celda cilíndrica 21700 con la que Dan-Tech construye packs de baterías personalizados, está calificada en la hoja de datos de Amprius en 500 ciclos hasta el 80 % de estado de salud bajo un perfil de descarga más exigente, y en 1000 ciclos hasta el 90 % de estado de salud con una profundidad de descarga más suave del 70 %. Misma celda, aproximadamente el doble de ciclos, porque cambiaron las condiciones de funcionamiento. El desequilibrio se suma a esa variabilidad. Un pack que permite que su celda más débil soporte un ciclo de trabajo local más duro que el resto de la cadena se está comprando en silencio el peor resultado.

Equilibrado pasivo: cómo funciona realmente la disipación por resistencia

El equilibrado pasivo es el más simple de los dos enfoques, y sigue siendo el predeterminado en muchos diseños de BMS por buenas razones. Durante la carga, el BMS supervisa cada celda de la cadena. En cuanto la tensión de una celda se adelanta al promedio del pack, una resistencia (fija o conmutada a los terminales de esa celda) deriva una pequeña corriente de esa celda y la disipa como calor, reteniéndola hasta que el resto de la cadena la alcanza.

Adónde va la energía: un ejemplo calculado

Las cifras de eficiencia que se mencionan para los circuitos de equilibrado significan poco sin vatios ligados a un pack real. Tomemos un pack 12S donde tres celdas se sitúan claramente por encima del resto al final de la carga. Un circuito de disipación pasiva típicamente consume entre 50 y 200 mA por celda que se está drenando, lo cual es el rango habitual del sector para diseños de equilibrado por resistencia, no una cifra específica de Dan-Tech. A una tensión nominal de celda de alrededor de 3,6-3,7 V, eso equivale a aproximadamente 0,2-0,7 W disipados como calor por celda activamente drenada, o del orden de 1-2 W en total en esas tres celdas durante la duración de la ventana de equilibrado.

Eso no es una cifra grande aisladamente. Se convierte en una restricción de diseño real cuando el pack se equilibra en cada ciclo de carga dentro de una carcasa sellada con superficie limitada para disipar calor, o cuando la temperatura ambiente ya es alta antes de que la corriente de drenaje añada algo más.

Lo que cuesta el equilibrado pasivo

El mecanismo de drenaje solo funciona durante la carga. No puede corregir un desequilibrio que se desarrolla a mitad de la descarga, y no puede actuar mientras el pack permanece en reposo entre usos. Para un ciclo de trabajo donde la mayor parte del esfuerzo real ocurre durante la descarga o durante largos periodos de reposo entre cargas, el equilibrado pasivo siempre está poniéndose al día en el siguiente ciclo de carga, nunca en tiempo real.

El otro coste es el calor, específicamente dónde se deposita ese calor. En funcionamiento continuo o en entornos de temperatura ambiente alta, las resistencias de drenaje añaden una carga térmica pequeña pero real justo donde la temperatura de la celda ya importa más para la vida útil en ciclos.

Equilibrado activo: tres topologías, no una sola técnica

Se habla del equilibrado activo como si fuera una sola técnica. No lo es. «Activo» solo significa que el circuito desplaza carga entre celdas en lugar de quemar el excedente como calor, y existen tres familias reales de circuitos que hacen esto, cada una con un perfil diferente de coste, complejidad y velocidad. (También vale la pena distinguir aquí: un PCM, un circuito solo de protección sin inteligencia de equilibrado, no es un BMS. Véase PCM vs. BMS si esa distinción importa para su especificación.)

Transferencia por condensadores conmutados

Un banco de condensadores traslada carga de una celda superior a una celda inferior vecina, un ciclo de conmutación cada vez. Es el más barato de construir de los tres enfoques activos: sin componentes magnéticos, superficie de PCB modesta, lógica de control sencilla. La contrapartida está en la velocidad a lo largo de una cadena larga. La carga tiene que saltar de celda en celda para recorrer cualquier distancia, por lo que redistribuir la carga a lo largo de una cadena completa de 12S o 14S lleva notablemente más tiempo que equilibrar dos celdas adyacentes.

Transferencia por convertidor inductivo/CC-CC

Un convertidor basado en inductor (típicamente una etapa reductora-elevadora bidireccional) mueve carga entre una celda y un riel compartido, o entre pares de celdas adyacentes, de forma más directa que el salto por condensadores. Incorpora más componentes que los condensadores conmutados (inductor, interruptores, un lazo de control) y más superficie de PCB, pero en general redistribuye la carga a lo largo de una cadena más larga con mayor rapidez, porque no está limitado a moverse un salto cada vez.

Transferencia por transformador flyback

Un transformador de múltiples devanados conecta cada toma de celda de la cadena a un devanado compartido, de modo que la carga puede moverse de cualquier celda a cualquier otra a través del transformador en lugar de saltar de celda en celda. Este es el más intensivo en componentes y típicamente el más caro de los tres: necesita un transformador dimensionado correctamente para el número total de celdas, y el diseño del transformador se vuelve más difícil, no más fácil, a medida que la cadena se alarga.

Nada de esto es una mejora gratuita. Cada topología activa añade componentes, y cada componente añadido es un posible punto de fallo, una línea en la lista de materiales, y superficie de PCB que un diseño pasivo más ligero no necesitaría. Las cifras de eficiencia y velocidad que publican los proveedores para estas topologías (habitualmente muy por encima del 90 % y, en algunos diseños, en la franja alta de los 90) describen circuitos de referencia cuidadosamente probados, no una garantía de que una implementación concreta las alcance. Trate las cifras publicadas como un límite superior hacia el que diseñar, no como una especificación que dar por hecha.

Cómo decide el BMS cuándo equilibrar: control basado en SOC vs. basado en tensión

Todo circuito de equilibrado, pasivo o activo, necesita un disparador. La mayoría de los diseños usan una banda de histéresis: el equilibrado comienza en cuanto la tensión de una celda (o su estado de carga estimado) supera un umbral establecido por encima del promedio del pack, y se detiene en cuanto vuelve a caer dentro de una banda más estrecha cercana al promedio. La brecha entre los umbrales de inicio y parada existe para que el circuito no oscile encendiéndose y apagándose en torno a una única lectura ruidosa.

El problema es que la tensión es un indicador indirecto del estado de carga, y ese indicador se vuelve poco fiable justo donde un BMS más necesita precisión: el punto medio del rango de carga. Las químicas con una curva tensión-SOC plana en esa región (el LFP es el caso extremo bien conocido en la ingeniería de baterías en general, aunque cada química presenta alguna versión de esto) pueden situarse en casi la misma tensión a lo largo de un amplio rango de estados de carga reales. Un umbral basado en tensión que interprete dos celdas como «suficientemente cercanas» en esa región plana puede en realidad estar observando celdas que difieren en decenas de puntos porcentuales de estado de carga real. El control basado en SOC, estimado mediante conteo de culombios o un modelo en lugar de solo la tensión, se comporta mejor en esa región, a costa de necesitar más cálculo y una calibración inicial más cuidadosa.

En cualquier caso, el algoritmo de control solo es tan bueno como lo que lee. La precisión del equilibrado depende del front-end analógico del BMS: la resolución de la medición de tensión por celda, y la sincronización de esa medición en todas las celdas de la cadena en el mismo instante. Un lazo de control con una estrategia de umbral bien diseñada pero un front-end ruidoso o mal sincronizado equilibrará a la resolución de su peor medición, no a la de su mejor algoritmo.

La palanca que la competencia pasa por alto: clasificación y emparejamiento de celdas en el momento de construcción

Toda comparación entre equilibrado activo y pasivo trata el desequilibrio como algo que el BMS debe corregir después del hecho. La palanca más potente está aguas arriba de ambos: emparejar celdas por resistencia interna y capacidad en el momento de construir el pack, antes de que entren siquiera en una cadena.

Un lote de celdas de la misma producción sigue variando. La clasificación divide ese lote por resistencia interna y capacidad medidas en clases estrechas, de modo que las celdas que terminan en una misma cadena en serie partían ya más cercanas entre sí de lo que permitiría un lote sin clasificar. Eso reduce el desequilibrio que cualquiera de los métodos de equilibrado debe corregir a lo largo de la vida del pack. No elimina por completo la necesidad de equilibrado (las celdas siguen separándose con el uso, incluso si empezaron emparejadas), pero cambia la base de partida desde la que trabaja el circuito de equilibrado.

Un conjunto emparejado de celdas cilíndricas Molicel M65A, o celdas cilíndricas Reliance RS60 (un formato 21700 que Dan-Tech también utiliza), clasificadas en una clase estrecha de resistencia interna antes del ensamblaje, comienza la vida de un pack con menos dispersión de la que tendría un lote sin clasificar de las mismas celdas. Molicel no ha publicado una cifra independiente de vida útil en ciclos para la M65A, por lo que esa cifra no se cita aquí; la práctica de clasificación es relevante independientemente de a qué celda se aplique. Dan-Tech también puede construir en torno a celdas que un cliente ya adquiere y suministra, aplicando la misma disciplina de clasificación al propio lote de celdas de un cliente, no solo a las celdas de su propio catálogo.

Elegir una estrategia de equilibrado para ciclos de trabajo de drones, robótica e industriales

Ninguno de los contenidos comparativos que posicionan para este tema aborda los ciclos de trabajo que realmente definen el ICP de Dan-Tech. Los packs para drones, robótica e industria no se parecen en nada a los perfiles de VE o solares a los que recurre por defecto la mayoría del contenido sobre equilibrado.

Un pack de dron se descarga en ráfagas, alta corriente durante minutos, luego reposo, luego se carga rápidamente entre vuelos, a menudo en el campo en lugar de en un banco de pruebas. Un robot terrestre añade vibración continua y choque mecánico a ese perfil de descarga. Ambas aplicaciones suelen estar limitadas en peso y superficie de PCB de una forma en que una aplicación estacionaria nunca lo está, lo que convierte la masa y el espacio de placa adicionales del hardware de equilibrado activo en un coste de diseño real, no un error de redondeo.

Para ese tipo de ciclo de trabajo, vale la pena considerar una estrategia híbrida antes de recurrir por defecto a cualquiera de los dos extremos: equilibrado pasivo por arriba durante la carga, cuando el pack tiene tiempo y una fuente de alimentación estable, combinado con redistribución activa durante la descarga o el reposo, cuando el equilibrado pasivo no puede actuar en absoluto. Esa combinación dirige el coste del equilibrado activo precisamente a la parte del ciclo de trabajo donde el pasivo realmente no puede ayudar, en lugar de pagar por un equilibrado activo completo a lo largo de todo el ciclo.

La contrapartida térmica funciona al revés de lo que parece sobre el papel. El calor de drenaje pasivo es una carga real pero modesta y predecible, concentrada en la carga. El equilibrado activo cambia eso por pérdidas de conmutación e interferencias electromagnéticas procedentes del convertidor o de la etapa del transformador, repartidas en una mayor parte del ciclo de trabajo, incluyendo precisamente las ráfagas de descarga de alta corriente donde el resto del pack ya está generando calor. Ninguno de los dos es gratuito; cuál resulta más tolerable depende del presupuesto térmico de la carcasa y de la sensibilidad electromagnética de la aplicación.

El pack Drone Series A, construido con celdas Samsung INR21700-50S o Molicel INR21700-P50B, está calificado a nivel de pack en 1000 ciclos al 80 % de profundidad de descarga. Esa cifra refleja el diseño completo del pack, estrategia de equilibrado incluida, no solo la celda; es una referencia útil de lo que puede soportar un enfoque de equilibrado bien especificado en un ciclo de trabajo real de un dron comercial, en lugar de una cifra de laboratorio aislada.

Cualquier hardware de equilibrado activo añadido, más interruptores, más componentes magnéticos, o un transformador, también añade componentes que se incorporan al alcance de certificación de un proyecto como todo lo demás en el pack. Ese alcance se decide proyecto por proyecto, no se asume solo a partir del método de equilibrado. Si hace falta nombrar una norma en este punto: Dan-Tech diseña packs pensados para cumplir con CE, UN 38.3, RoHS e IEC 62133, según lo que realmente requiera el proyecto específico. Para una visión más completa de la certificación, véase certificaciones de packs de baterías en Europa.

Qué tener en cuenta

• Suponer que lo activo siempre gana. El equilibrado activo no es una mejora estricta sobre el pasivo. Si el ciclo de trabajo no genera suficiente desequilibrio como para que importe, el coste, el peso y los puntos de fallo añadidos no aportan nada.
• Omitir la clasificación de celdas y esperar que el equilibrado corrija un pack mal emparejado. El equilibrado corrige la deriva; no compensa un lote que partía ya mal emparejado por un margen amplio.
• Ignorar la precisión de la medición de tensión. Un algoritmo de control sofisticado que funciona con lecturas de tensión de celda ruidosas o no sincronizadas equilibra a la calidad de la medición, no a la calidad del algoritmo.
• Subestimar el coste en lista de materiales, PCB y certificación del hardware de equilibrado activo. Cada componente añadido es una partida y un posible punto de fallo, no una función gratuita.

Lista de verificación de selección: qué preguntar antes de especificar un pack

• ¿Cómo es realmente el ciclo de trabajo: sobre todo esfuerzo en la etapa de carga, o riesgo real de desequilibrio también durante la descarga y el reposo?
• ¿Qué objetivo de número de ciclos debe alcanzar la aplicación, y a qué profundidad de descarga?
• ¿Qué presupuesto de peso y superficie de PCB está realmente disponible para el hardware de equilibrado?
• ¿El riesgo de desequilibrio se concentra solo en la carga, o a lo largo de todo el ciclo?
• ¿Qué alcance de certificación necesita este proyecto, y el hardware de equilibrado activo añadido cambia ese alcance?
• ¿Se ha clasificado el lote de celdas por resistencia interna y capacidad antes de la construcción, o se le está pidiendo al equilibrado que haga ese trabajo solo?

Si está especificando el BMS completo en lugar de solo la estrategia de equilibrado, qué especificar en un BMS personalizado cubre conectores, protocolo de comunicación y diseño térmico junto con el equilibrado. Para opciones de pack específicas para drones construidas en torno a estas mismas decisiones de equilibrado, véanse los packs de baterías para drones y UAV de Dan-Tech.

Preguntas frecuentes

¿Cuál es la diferencia real entre el equilibrado activo y pasivo de celdas?

El equilibrado pasivo hace descender las celdas de mayor tensión de una cadena a través de una resistencia durante la carga, disipando el excedente como calor. El equilibrado activo desplaza carga entre celdas en lugar de quemarla, mediante un circuito de condensadores conmutados, inductivo/CC-CC, o de transformador flyback, y puede actuar durante la carga, la descarga o el reposo en lugar de solo durante la carga.

¿El equilibrado activo prolonga realmente la vida útil de un pack de baterías?

Solo si el factor limitante real del pack es, en primer lugar, el desequilibrio de celdas. Si las celdas se clasificaron y emparejaron mal en la construcción, el equilibrado activo ayuda más de lo que lo haría el pasivo. Si las celdas ya estaban bien emparejadas desde el principio, la ganancia de vida útil al pasar a equilibrado activo es pequeña, porque queda poco desequilibrio por corregir.

¿Merece la pena el equilibrado activo para un pack de batería de dron?

Depende del ciclo de trabajo, no de una regla general. Un enfoque híbrido, equilibrado pasivo durante la carga combinado con redistribución activa durante la descarga o el reposo, a menudo se ajusta mejor a los ciclos de trabajo de drones y robótica que comprometerse por completo con cualquiera de los dos extremos, dadas las limitaciones de peso y superficie de PCB de esas aplicaciones.

¿Puede funcionar el equilibrado pasivo para una aplicación de alto número de ciclos?

Sí, si se combina con una buena clasificación de celdas en la construcción y el riesgo de desequilibrio de la aplicación se concentra en la carga en lugar de repartirse entre la descarga y el reposo. El equilibrado pasivo solo, sobre un lote de celdas mal emparejado, tendrá dificultades para seguir el ritmo de un objetivo de ciclos altos y tolerancias estrechas.

¿Cuánto desequilibrio de tensión entre celdas importa realmente?

No existe un umbral universal único; depende de la curva tensión-SOC de la química y de la propia tolerancia del pack a la pérdida de capacidad. Lo que importa más que una cifra aislada es que la brecha se acumula ciclo tras ciclo si no se corrige, por el efecto de la celda más débil descrito anteriormente.

¿Listo para especificar el equilibrado en la construcción de un pack personalizado? Dan-Tech Energy, fabricante de packs de baterías Li-ion personalizados con producción en Alemania y Estados Unidos, integra estrategias de equilibrado activo y pasivo en packs para drones, robótica e industria para ajustarse al ciclo de trabajo real. Especifique los requisitos de equilibrado de su pack a través de la ToolBox de Dan-Tech, o explore el catálogo de packs de baterías de iones de litio para ver cómo se aplica la estrategia de equilibrado en las familias de packs existentes de Dan-Tech.