Battery pack: asociación de módulos y celdas (ej. 96s2p)

Los generadores son los elementos que alimentan los circuitos eléctricos. Estos pueden ser de varios tipos. En primer lugar, pueden suministrar corriente continua o corriente alterna. En este blog se estudiarán los generadores que suministran corriente continua, debido a que son los únicos que pueden acumular energía eléctrica (acumuladores). Esto es debido a disponerse siempre la corriente como positiva o negativa, pero no en ambas, como sucede con la corriente alterna, la cual se genera por medio de generadores eléctricos rotativos que generan corrientes en los semiciclos positivos y negativos.

Figura 1_Arriba: representación de la onda de corriente alterna. Centro – arriba: onda de corriente alterna donde se pueden apreciar los semiciclos positivos (+) y negativos (-), y los pasos por cero en círculos de color verde. Abajo: señal de corriente continua en color rojo donde se aprecia que no existe variación de la señal, toda ella permanece de modo continuo en el semiciclo positivo en este caso.

Por otro lado, al igual que las resistencias y otros componentes electrónicos, como puede ser el condensador, los acumuladores, pueden asociarse en serie o en paralelo. A partir de dichas conexiones en serie o en paralelo se definen tensiones e intensidades de los acumuladores.

Cabe mencionar que existen diversos tipos de acumuladores;

• Pila primaria: acumuladores de un único uso, se denominan comúnmente como “pila”. Cuando se agotan, de deben desechar en los puntos adecuados, puesto que son altamente contaminantes.
• Pila secundaria: acumuladores que una vez que se agota su energía, pueden volver a cargarse. El número de cargas es lo que se denomina como “número de ciclos”, que evidentemente es limitado. Una vez que se llega a este número de ciclos, la capacidad del acumulador se reduce sustancialmente y es necesario reemplazar dicha pila.
• Baterías y “battery pack”: asociaciones (serie y paralelo) de pilas secundarias para obtener tensiones y corriente requeridas. El battery pack incluye además otros dispositivos de control y actuadores; Battery Management System (BMS), Thermal Management System (TMS), contactores, transformadores de corriente, fusibles, sensores de tempetura, sistema de comunicación, etc.

Cabe recalcar, que en el caso de los vehículos eléctricos (VE), las celdas se definen como unidades básicas de los elementos de acumulación, siendo el equivalente a las pilas secundarias. Estas celdas se agrupan en módulos, y dichos módulos forman el denominado “battery pack”, que además incluye los sensores, sistemas de control y comunicación y los actuadores. Es necesario destacar, que la asociación de las celdas en serie y paralelo en los diferentes módulos, definen los valores de las tensiones nominales del conjunto del battery pack que alimentará al compresor del aire acondicionado del vehículo y al resto del power train (sistema de tracción) formado por el inversor y motor eléctrico.

Figura 2_Imagen de un battery pack donde se puede observar las partes internas y el agrupamiento de los sistemas de acumulación; celdas de color plateado y en el interior de piezas de plástico, agrupadas en una carcasa metálica que forma el battery pack.

Las asociaciones de celdas en el interior del battery pack pueden ser en serie o paralelo, o formando circuitos mixtos, siendo dichos circuitos mixtos, los que acostumbran a implementarse en los battery packs de los VE.

Generalmente las asociaciones de celdas o pilas secundarias se disponen en serie. En primer lugar, puesto que las tensiones nominales de las baterías son pequeñas para alimentar sistemas de potencia. Por ejemplo, las tensiones nominales de los battery packs de los VE suelen estar en rangos de tensión mínima de 350 V / 400 V, aunque cabe indicar que algunos fabricantes ya trabajan a tensiones nominales de unos 800 V. Por tanto, si las tensiones de las celdas de ion-litio suelen estar en torno a los 3,7 V, es necesarios disponer de ciertas asociaciones de dichas celdas, para obtener el valor de 350 V / 400 V.

En la asociación en serie, se conecta el negativo de la batería de una celda al positivo de la siguiente, y el negativo de esta segunda celda a una tercera celda. En dicha agrupación, se obtiene un polo positivo y otro negativo de la última y primera celda respectivamente. Las tensiones nominales de cada batería conectada en serie se deben sumar, en cambio la densidad de corriente (Ah) es igual para todo el circuito. Véase un ejemplo gráfico.

Figura 3_Arriba: Esquema de tres celdas asociadas en serie con tensión nominal de 3.7 V y densidad de corriente de 750 mAh. Abajo: Celda equivalente del esquema con la suma de las tensiones (11,1 V).

Puede apreciarse que el resultado obtenido de 11,1 V es el resultado de la suma de 3,7 V de cada una de las tres celdas. En cambio el resultado de la corriente permanece constante al ser un circuito en asociación en serie.

Se debe realizar una pequeña indicación, si se procede a realizar el mismo ejercicio, pero con una batería mermada en términos de capacidad, es decir, una tensión por debajo de la nominal. En este caso, imagínese que una de las celdas dispone de una tensión nominal de 2,8 V. En la suma de las tensiones, se obtiene un valor de la tensión en la asociación de 10,2 V, no los 11.1 V del ejemplo anterior. A partir de lo indicado, se obtiene un valor del conjunto de la asociación por debajo de lo que sería la tensión nominal ideal. Por ello, es de suma importancia que las celdas dispongan de una tensión nominal correcta, pero esto nunca es así, puesto que las celdas nunca son exactamente iguales en su proceso de producción, y además el sistema de refrigeración del conjunto del battery pack no refrigera por igual a todas las celdas

Además, se debe mencionar, que el circuito con asociación de celdas en serie es un circuito ideal, en realidad, debe considerarse que las celdas incluyen una resistencia interna, puesto que ningún circuito es perfecto, todos los circuitos, cableados etc., presentan una resistencia interna. Esta resistencia interna de las celdas, afecta también a las tensiones nominales del conjunto del battery pack. Esto se debe, a que se produce una caída de tensión, y en consecuencia, se reduce, en cierto modo, la tensión nominal de los acumuladores en general, tanto celdas o pilas secundarias como pilas primarias, añadiendo una merma en la tensión final del conjunto del battery pack.

Por otro lado, la otra posibilidad que existe a la hora de realizar asociaciones de baterías es la asociación de baterías en paralelo. En este caso, todos los positivos se conectan a los positivos, por ello, las tensiones de salida permanecen constantes, aunque en este caso, se suman las corrientes. Este es el modo de poder aumentar la densidad de corriente, puesto que se obtiene la misma tensión de salida, pero se suman las corrientes de cada batería

En el caso, que exista una celda débil en términos de capacidad, no afectará al voltaje, puesto que en las asociaciones en paralelo, la tensión es la misma en todas las celdas, pero su capacidad se verá reducida. Véase un ejemplo en el cual una de las celdas, dispone de una densidad de corriente limitada por ejemplo a 550 mA. Este factor afecta al resultado total de la asociación. Si la suma de los valores de 750 mA de cada una de las tres celdas, debería dar un resultado de 2250 mA, con la merma de una de las celdas a 550 mA, el resultado final de la capacidad de corriente se reduce de 2250 mA a 2050 mA.

Figura 4_Izquierda: Esquema de tres celdas en asociación en paralelo con tensión nominal de 3.7 V y densidad de corriente de 750 mAh en dos de las celdas, y 550 mAh en la tercera celda. Abajo: Celda equivalente de la asociación en paralelo de las celdas, donde se mantiene el valor de la tensión y se suman los valores de las corrientes, considerando la celda más débil.

Sobre la asociación en paralelo, es necesario puntualizar que presenta un inconveniente. Este inconveniente se debe a que las celdas pueden actuar como receptores en el momento que exista una diferencia de tensión entre ellas, y esto es inherente a las celdas, debido a que nunca se pueden fabricar dos celdas iguales. Cuando existe una diferencia de tensión entre ellas, la celda que dispone de mayor tensión descarga la energía en la que esta a menor tensión situada inmediatamente junto a ella, de modo que actúa como un receptor, actuando como carga y no como generador. Por ello, es tan importante realizar el balanceo de celdas. El balanceo es un complejo proceso que realiza el battery pack para igualar las tensiones de todas las celdas por igual.

En lo que respecta a la resistencia interna de cada celda, en las asociaciones en paralelo, dicha resistencia interna es despreciable, puesto que en una asociación en paralelo se realiza la suma inversa, y en consecuencia, el valor resistivo de la asociación es incluso menor que el propio valor de las resistencias internas de cada celda, por ello en la asociación de celdas en paralelo, del valor de la resistencia interna es despreciable.

Un aspecto relevante a destacar en la asociación en paralelo en aplicación a los battery packs de los VE, es su determinación en el proceso de generación de par en el arranque, siendo necesario un alto nivel de corriente para generar par y así desplazar el VE desde velocidad cero, cosa que con un vehículo de combustión interna (VCI), se realiza acelerando el vehículo y utilizando el embrague.

Para poder comprender mejor lo indicado, se procede a realizar un ejemplo práctico. Por ejemplo, un VE dispone de un battery pack con tensión nominal de 350 V. Para lograr dicha tensión nominal del battery pack de 350 V a partir de celdas de ion-litio de tensión nominal de 3,7 V, se deben realizar asociaciones serie paralelo para establecer dicha tensión nominal de 350 V

Indicar, que los primeros battery packs que se lanzarón al mercado de ciertos VE fueron de alrededor de 20 kW. Posteriormente, se lanzaron battery packs de 40 kW, y posteriormente se comercializaron battery packs de 52 kW, aunque existen modelos de mayor capacidad pero de mayor coste.

Figura 5_Ilustración de un VE en pleno proceso de carga

Si se atiende a las características del battery pack de 22 kW, consta de 192 celdas de ion-litio de 3,7 V de tensión nominal distribuidas en 12 módulos. Si se realizan los cálculos, se puede observar que cuadran los números con lo que se especifica. Si se dividen las 192 celdas entre 2, se obtienen el número de celdas que multiplicadas por la tensión nominal de las celdas (3.7 V) se disponen los 350 V de tensión nominal del Battery Pack.

Tensión nominal del battery pack = 192 celdas / 2 = 96 celdas

Si se multiplican las 96 celdas por la tensión nominal de las celdas (3,7 V) se obtiene la tensión nominal del Battery Pack.

Tensión nominal del battery pack = 96 celdas * 3,7 V = 355 V ≅ 350

Como último cálculo, se dispone a calcular la corriente de cada celda a partir de la potencia y tensión nominal del conjunto del battery pack (22 kW).

Itotal = Battery pack / Nominal = 22.000 W / 350 V = 62 A

Este resultado es para el conjunto del battery pack, el cual consta de 96 celdas en serie. A esto se le asocia en paralelo otras 96 celdas, por ello, la corriente de 62 A, se divide entre dos para saber la corriente de las celdas y el resultado es de 31 A.

A esta configuración se le denomina 96s2p, que significa 96 celdas en serie en dos asociaciones en paralelo. Cabe indicar que actualmente se pueden encontrar celdas de corrientes superiores a los 50 Ah.

Figura 6_Esquema de asociación en paralelo de dos asociaciones serie de 96 celdas de 355 V / 31 Ah del battery pack del Ve para obtener 22 kW.