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Porqué el equilibrio apropiado de la célula es necesario en comentario contribuido las baterías de Anton Beck, Director de producto de la batería, Epec

June 21, 2022

Comentario aportado por Anton Beck, gerente de productos de batería,Epec

Cuando se diseña un paquete de baterías de litio con múltiples celdas en serie, es muy importante diseñar las características electrónicas para equilibrar continuamente los voltajes de las celdas.Esto no es solo para el rendimiento de la batería, sino también para ciclos de vida óptimos.

El uso del balanceo de celdas nos permite diseñar una batería con mayor capacidad para una aplicación porque el balanceo permite que la batería alcance un mayor estado de carga (SOC).Muchas empresas optan por no utilizar el equilibrio de celdas al comienzo de su diseño para reducir los costos, pero sin la inversión en el hardware y el software de equilibrio de celdas, el diseño no permite que el SOC se acerque al 100 por ciento.

¿Qué es el desequilibrio celular?
Si las celdas de litio se sobrecalientan o sobrecargan, son propensas a una degradación acelerada de la celda.Pueden incendiarse o incluso explotar, ya que puede ocurrir una condición de fuga térmica si el voltaje de una celda de iones de litio supera los 4,2 V incluso en unos pocos cientos de milivoltios.

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Paquete de batería con balance de celdas

Cada paquete que diseñamos y fabricamos en Epec tiene un circuito de protección contra sobrevoltaje (a veces incluso un respaldo) junto con el balanceo de celdas estándar que evitará que ocurra tal evento.En un paquete de baterías de celdas múltiples, que se usa comúnmente en computadoras portátiles y equipos médicos, la colocación de celdas en serie abre la posibilidad de un desequilibrio de celdas, una degradación más lenta pero persistente de la batería.

¿Qué es el Equilibrio Celular?
El balanceo de celdas es el proceso de igualar los voltajes y el estado de carga entre las celdas cuando están completamente cargadas.No hay dos celdas idénticas.Siempre hay ligeras diferencias en el estado de carga, tasa de autodescarga, capacidad, impedancia y características de temperatura.Esto es cierto incluso si las celdas son del mismo modelo, del mismo fabricante y del mismo lote de producción.Los fabricantes clasificarán las celdas por voltaje similar para que coincidan lo más cerca posible, pero todavía hay ligeras variaciones en la impedancia, la capacidad y la tasa de autodescarga de las celdas individuales que eventualmente pueden conducir a una divergencia en el voltaje con el tiempo.

La mayoría de los cargadores de batería típicos detectan la carga completa al verificar si el voltaje de toda la cadena de celdas ha alcanzado el punto de regulación de voltaje.Los voltajes de las celdas individuales pueden variar siempre que no excedan los límites de protección contra sobretensiones.Sin embargo, las celdas débiles (las que tienen menor capacidad/mayor impedancia interna) tienden a exhibir un voltaje más alto que el resto de las celdas en serie cuando termina la carga completa.Luego, estas celdas se debilitan aún más mediante ciclos de sobrecarga continuos.El mayor voltaje de las celdas más débiles al completar la carga provoca una degradación acelerada de la capacidad.Si el voltaje de carga máximo recomendado se excede incluso en un 10 por ciento, la tasa de degradación aumentará en un 30 por ciento.

En el lado de la descarga, las celdas débiles tienden a tener un voltaje más bajo que las otras celdas, ya sea debido a una mayor resistencia interna o a una velocidad de descarga más rápida que resulta de la menor capacidad.Esto significa que si alguna de las celdas débiles alcanza el límite de protección de bajo voltaje de la celda mientras el voltaje del paquete aún es suficiente para alimentar el sistema, la capacidad total de la batería nunca se usará ya que el protector del paquete evitará la sobredescarga (lo que dañaría la celda) deteniendo la descarga de todo el paquete cuando el voltaje de una celda cae por debajo del umbral de bajo voltaje de la celda (generalmente alrededor de 2,7 V).

Técnicas de equilibrio celular
La solución fundamental del equilibrio de celdas iguala el voltaje y el estado de carga entre las celdas cuando se encuentran en un estado de carga completa.El equilibrio de celdas generalmente se clasifica en dos tipos:

  1. Pasivo
  2. Activo

Equilibrio celular pasivo
El método de equilibrio celular pasivo es algo simple y directo.Descargue las celdas a través de una ruta de derivación disipativa.Este bypass puede ser integrado o externo al circuito integrado (IC).Tal enfoque es favorable en la aplicación de sistemas de bajo costo.El hecho de que el 100 % del exceso de energía de una celda de mayor energía se disipe en forma de calor hace que el método pasivo sea menos preferible durante la descarga debido al impacto obvio en el tiempo de funcionamiento de la batería.

Equilibrio celular activo
El balanceo activo de celdas, que utiliza transferencia de carga capacitiva o inductiva para transferir la carga entre las celdas de la batería, es significativamente más eficiente porque la energía se transfiere a donde se necesita en lugar de purgarse.Por supuesto, la contrapartida de esta eficiencia mejorada es la necesidad de componentes adicionales a un costo mayor.

Resumen
El equilibrio de celdas no solo es importante para mejorar el rendimiento y los ciclos de vida de la batería, sino que agrega un elemento de seguridad a la batería.Una de las tecnologías emergentes para mejorar la seguridad de las baterías y prolongar su vida útil es el equilibrio avanzado de celdas.Dado que las nuevas tecnologías de balanceo de celdas rastrean la cantidad de balanceo que necesitan las celdas individuales, se incrementa la vida útil de los paquetes de baterías y se mejora la seguridad general de la batería.

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