Balanceo de batería: qué es, por qué y cómo

El balanceo de baterías es un proceso vital para mantener la eficiencia, el rendimiento y la seguridad de los sistemas de baterías, ya sea para almacenamiento de energía solar, vehículos eléctricos (VE) u otras aplicaciones energéticas. Sin un balanceo adecuado, las baterías pueden desequilibrarse, lo que reduce su vida útil y su rendimiento.

Esta guía explora qué es el equilibrio de la batería, las causas del desequilibrio y cómo solucionarlo , abordando tanto las celdas individuales como los grupos de baterías.

¿Qué significa desequilibrio de batería?

El desequilibrio de la batería se refiere a una condición en la que el voltaje de la batería o el estado de carga (SoC) varía entre las celdas o grupos dentro de un paquete de baterías. Con el tiempo, el desequilibrio crea inconsistencias (diferencias en el rendimiento de las celdas), lo que empeora el problema y forma un círculo vicioso .

Este problema es particularmente común en configuraciones de múltiples celdas y puede generar varios problemas, como una capacidad de almacenamiento de energía reducida, una degradación acelerada de las celdas y mayores riesgos de sobrecarga o subcarga, lo que puede representar riesgos de seguridad. Es importante destacar que el desequilibrio no se limita a celdas individuales; también puede ocurrir entre grupos de baterías.

¿Qué causa el desequilibrio en las baterías?

El desequilibrio de la batería se produce debido a inconsistencias en las celdas individuales, derivadas de diferencias en los parámetros, las condiciones de funcionamiento y los factores ambientales. Las causas principales incluyen:

1. Variaciones de los parámetros celulares

Incluso baterías similares pueden variar en capacidad y resistencia , lo que provoca una carga o descarga desigual. Las celdas con menor capacidad o mayor resistencia se degradan más rápido, ya que se cargan o descargan prematuramente, lo que genera ineficiencias y desequilibrios con el tiempo. Estas variaciones aceleran el desgaste, lo que reduce el rendimiento general y la vida útil de la batería.

2. Condiciones de carga/descarga

Los métodos de carga inadecuados, como la sobrecarga o la descarga excesiva, pueden dañar las celdas y aumentar las disparidades con el tiempo.

3. Efectos de la temperatura

La distribución desigual del calor dentro del paquete o la exposición a temperaturas extremas aceleran la degradación celular debido al aumento de las reacciones químicas, lo que reduce el rendimiento general.

4. Errores de estimación del SOC

Las discrepancias en el estado de carga (SOC) surgen de capacidades iniciales desiguales o diferencias de resistencia, lo que provoca una distribución desigual de la corriente en circuitos paralelos.

5. Edad y degradación

A medida que las baterías envejecen, su capacidad y rendimiento varían, lo que provoca una carga y descarga desiguales.

6. Circuitos externos

Las variaciones en los conectores, las resistencias y los circuitos de entrada del sistema de gestión de batería (BMS) provocan una distribución desigual de la energía, lo que amplifica las inconsistencias.

Si bien el desequilibrio de la batería es inevitable, las medidas proactivas son esenciales para minimizar las inconsistencias y mantener el rendimiento.

¿Por qué es importante equilibrar la batería?

Un sistema o paquete de baterías equilibrado garantiza que cada celda individual funcione dentro de su rango de voltaje seguro. A continuación, se explica por qué es tan importante equilibrar la batería:

Prevención de la pérdida de capacidad utilizable

Las variaciones entre las celdas de la batería en configuraciones en serie y en paralelo reducen la capacidad utilizable del sistema .

Por ejemplo, en un sistema de 500 kWh con 50 celdas en serie, cada una de las cuales almacena 10 kWh, si una celda alcanza solo el 85 % del estado de carga (SoC) mientras que las demás están al 100 %, la energía almacenada del paquete se reduce a 495 kWh. Durante la descarga, se limita a 425 kWh (85 %), lo que resulta en una pérdida de capacidad del 15 %.

Sin equilibrio, esta discrepancia crece, bloqueando más energía y acelerando la degradación celular.

Cómo evitar inconsistencias paralelas

En las configuraciones en paralelo, los desajustes de voltaje provocan corrientes circulantes, lo que obliga a los grupos con menor resistencia a cargarse o descargarse más rápido. Esto provoca paradas prematuras, sobrecalentamiento y pérdida de capacidad .

Por ejemplo, un sistema registró una desviación de la corriente de carga de 60 A, con una diferencia del 40 % con respecto al promedio. Estos desequilibrios reducen la eficiencia, acortan la vida útil y aumentan los riesgos de seguridad.

Mitigación de los efectos de la temperatura

Las temperaturas desiguales entre las celdas exacerban las diferencias de resistencia y capacidad, acelerando la degradación y generando problemas de seguridad. Un aumento de 15 °C puede reducir a la mitad la vida útil del sistema, por lo que es fundamental una gestión constante de la temperatura.

Al abordar estos desafíos, el equilibrio de la batería garantiza la máxima capacidad, eficiencia y confiabilidad, protegiendo su inversión y prolongando la vida útil del sistema.

Cómo solucionar el desequilibrio y la inconsistencia de la batería

Cuando se produce un desequilibrio en la batería o en las celdas, existen varias formas de solucionar el problema, ya sea con herramientas especializadas o con métodos manuales . A continuación, se indican algunas soluciones eficaces:

Utilice un BMS (sistema de gestión de batería)

Un sistema de gestión de baterías (BMS) está diseñado para supervisar y equilibrar el voltaje en las distintas celdas de un paquete de baterías. Equilibra automáticamente las celdas durante el proceso de carga, lo que garantiza que todas alcancen el mismo voltaje.

Utilice un ecualizador de batería

Un ecualizador de batería es un dispositivo diseñado para equilibrar los niveles de voltaje y carga entre celdas individuales o grupos de celdas en un paquete de baterías. Un ecualizador de batería funciona redistribuyendo la carga entre celdas, lo que garantiza que todas mantengan el mismo nivel de voltaje.

Equilibrar baterías en paralelo

Cuando las baterías conectadas en paralelo experimentan diferencias de voltaje, a menudo puedes resolver el problema con un proceso sencillo:

1. Desconectarse y descansar en paralelo:

Desconecte las baterías de la fuente de carga y de las cargas. Luego, conéctelas en paralelo directamente. Deje que las baterías descansen durante aproximadamente 3 horas . Durante este tiempo, las baterías de mayor voltaje transferirán naturalmente la carga a las de menor voltaje, lo que ayudará a que sus voltajes se igualen.

2. Realice ciclos completos de carga y descarga si es necesario:

Si la diferencia de voltaje persiste después de descansar, deberá desconectar las baterías y realizar uno o dos ciclos completos de carga y descarga para cada batería individualmente . Este proceso restablece el sistema de administración de baterías (BMS), lo que le permite recalibrar y leer con precisión los niveles de voltaje de cada batería.

Solucionar el desequilibrio de la batería causado por diferencias de capacidad

Al utilizar varias baterías del mismo modelo, las diferencias de capacidad pueden provocar desequilibrios, especialmente cuando se conectan en paralelo.

Evite la conexión en paralelo para grandes diferencias de capacidad:

Si la diferencia de capacidad entre las baterías es significativa, no se recomienda conectarlas en paralelo. La batería más pequeña se cargará primero, dejando a la más grande con poca carga, lo que empeorará el desequilibrio con el tiempo.

Pruebe y reemplace las celdas de baja capacidad:

Si aún desea utilizar las baterías en paralelo, pruebe la capacidad de la batería de menor rendimiento. Reemplace las celdas de bajo rendimiento para restablecer el equilibrio y garantizar una carga uniforme en todo el paquete de baterías.

Equilibrar las celdas de las baterías

Si el voltaje de las celdas individuales de la batería se desequilibra, se pueden tomar los siguientes pasos para restablecer el equilibrio:

1. Desmontar la batería

Abra la carcasa de la batería con cuidado para acceder a cada celda. Asegúrese de seguir todas las precauciones de seguridad, como usar guantes aislantes y trabajar en un área bien ventilada.

2. Medir los voltajes de las celdas

Utilice un multímetro para medir el voltaje de cada celda. Identifique las celdas con voltajes más bajos que las demás, ya que estas son la causa principal del desequilibrio.

3. Cargar celdas de bajo voltaje

Utilizando una fuente de alimentación programable, cargue las celdas con voltajes más bajos hasta que coincidan con el voltaje de las demás. Este paso iguala los niveles de carga y ayuda a restablecer el equilibrio.

4. Inspeccione si hay problemas de resistencia interna

Si el desequilibrio de voltaje persiste incluso después de la carga, el problema puede deberse a un aumento de la resistencia interna en una o más celdas. Esto suele ser un signo de envejecimiento o daño.

5. Reemplace las celdas defectuosas

Retire las celdas que tengan una resistencia interna significativamente mayor . Reemplácelas con celdas nuevas que tengan valores de resistencia interna consistentes. Para este paso, utilice una soldadora por puntos o una soldadora láser para conectar de forma segura las celdas de repuesto al paquete de baterías.

Consejos prácticos para minimizar el desequilibrio o la inconsistencia de la batería

Para minimizar la inconsistencia y el desequilibrio de la batería durante el uso diario, es fundamental seguir las mejores prácticas de mantenimiento y funcionamiento.

• Limite la cantidad de conexiones en paralelo: asegúrese de que no haya más de ocho baterías conectadas en paralelo. Retire las baterías sobrantes si se excede este límite.
• Utilice baterías idénticas: confirme que todas las baterías conectadas en paralelo sean idénticas en cuanto a marca, modelo, capacidad y nivel de voltaje. Mezclar baterías puede provocar desequilibrios.
• Igualar los voltajes iniciales: antes de la conexión en paralelo, cargue cada batería individualmente para garantizar que las diferencias de voltaje (Voc) sean inferiores a 0,1 V.
• Estandarizar el cableado: utilice el método de cableado especificado, mantenga longitudes de cable constantes, utilice el mismo calibre de cable (AWG) y garantice conexiones seguras.
• Ajuste las corrientes de carga y descarga: mantenga las corrientes por encima de 0,2 C para lograr un equilibrio óptimo. Por ejemplo, cargue o descargue una batería de 100 Ah a 20 A o más.
• Evite temperaturas extremas: evite que las baterías funcionen en entornos de alta temperatura para reducir el estrés y el desequilibrio.
• Controle las tasas de autodescarga: verifique y equilibre periódicamente los voltajes para tener en cuenta las diferencias en las tasas de autodescarga.
• Conectar a una barra colectora común: asegúrese de que todas las baterías conectadas en paralelo compartan la misma barra colectora de CC para minimizar las inconsistencias.

Al implementar estas medidas, el riesgo de desequilibrio se reduce significativamente, promoviendo un mejor rendimiento y longevidad de la batería.