Celdas de litio en serie-paralelo: BMS y balanceador

[Homo_non_sapiens]

Intro #1: Qué es un (o una) BMS?
El BMS (Battery Management System) es un dispositivo de seguridad que se conecta a cada una de las celdas -o grupos de celdas en paralelo- de una serie. Es decir que hay muchos cables para conectar. El BMS controla la tensión de cada celda por separado y en caso de que la tensión caiga por debajo de la mínima admitida, desconecta toda el pack de baterías de la carga, p.ej. del motor.
El BMS también desconecta la batería si una de las celdas supera la máxima tensión admitida.
Hay BMS configurables y otros más sencillos, que vienen con los parámetros fijos para un tipo de celdas; por ejemplo Vmin = 2.9V y Vmax = 4.2V para celdas Li-ion, como las 18650.

Intro #2: Qué es un balanceador (o equalizador; en inglés 'equalizer')?
El balanceador es un dispositivo que tambíen se conecta a cada una de las celdas o grupos deceldas en paralelo de una serie. El balanceador descarga las celdas que tienen el SoC (rsp. la tensión) más alto que el SoC medio y entrega los mAh descargados a las celdas que tienen el SoC (rsp. la tensión) más bajo. Con esto consigue que el SoC de todas las celdas (o de todos los grupos) sea siempre el mismo: Las celdas están balanceadas.
Nota: Hay BMS que también hacen la función de balanceador.

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Empecemos: Las baterías de Li-ion y las de LiFePO4 van sustituyendo más y más a las de plomo-ácido.
Supongo que todos habréis oído que las baterías de litio pueden prender fuego e incluso explotar.
En este capítulo os quiero hablar del los peligros y como evitarlos al conectar celdas de litio en serie-paralelo. Por ejemplo, la batería de mi bici eléctrica son celdas 18650 conectadas en 10s5p.
Y para la casa de un familiar he hecho un banco 8s2p 24V 560Ah con celdas prismáticas LiFePO4 chinas.
En ambos casos es indispensable un BMS. Y para el banco 24V 560Ah también un balanceador.
Os explicaré el porque:

Las celdas de Li-ion pueden calentarse mucho o prender fuego en los siguientes casos:
1. Temperatura del entorno muy alta o muy baja
2. Daño mecánico (celda golpeada / deformada, p.ej. por caída)
3. Defecto de fabricación
4. Sobrecarga (tensión superior a 4.30 V)
5. Descarga hasta menos de 2.70 V
6. Intensidad de carga exagerada
7. Conexión errónea (cortocircuito)
Los puntos 5. y 6. son los más peligrosos, porque se dan fácilmente con celdas en serie-paralelo.

Fig.1 muestra una serie de 10 celdas en serie; arriba desbalanceadas y abajo balanceadas.

Cell_balancing.JPG

Arriba, la celda #4 (SoC alto) y la celda #7 (SoC bajo) están muy desbalanceadas.
Que pasará si se descarga esta serie de celdas? Pues que la #7 llegará al SoC = 0% cuando las otras celdas aún tienen bastante carga. En este caso la celda #7 deja de ser una batería y se convierte en una resistencia, calentándose - con todos los posibles efectos secundarios.
Bueno, pero si la celda #7 falla (supongamos que sea una 18650), la tensión de la serie cae de 37V a 32V, aproximadamente, y el controlador (si lo hay) cortará por tensión baja.
Aún mejor si tenemos un BMS, que este ya detectará tensión <2.8V en la celda #7 antes de que se convierta en resistencia y desconectará el motor (la carga) de la batería.
Pero lo ideal es tener además un balanceador, que evitará desde un principio el desequilibrio entre celdas, tal como se muestra abajo en la fig.1

Eso era el caso de una simple serie de celdas 18650. Lo bueno es que el fallo de una celda de la serie es fácil de detectar, el desbalance se evita con un balanceador y es fácil evitar problemas mayores.
Pero qué pasa si tenemos celdas conectadas en serie-paralelo? Pues peor se pone la cosa, como lo muestra la fig.2

Fig-2.JPG

Inicialmente eran 6 celdas 18650 conectadas en 3s2p. Una de las dos celdas de en medio se ha roto, quedando con la Ri muy alta, es como si no estuviera.
Esta batería tiene 11.1V (3 x 3.7V), tanto si en medio hay dos baterías en paralelo como si falta una de ellas, que es lo que se ve en la fig.2
La resistencia R1 a la derecha representa a la carga, digamos un motor. R1 es de 0.001 kOhm o 1.0 Ohm. La tensión de la batería es de 11.1V, por lo que pasarán 11.1A por el circuito y por la batería.
El voltímetro de la derecha mide la tensión de B2 ... y pasado cierto tiempo indica -1.78V, cuando debería ser +3.7V. Una tensión negativa! Cómo es posible eso?
Intentaré explicarlo lo más inteligible posible.

Inicialmente eran 3 grupos paralelos de celdas de 3.7 V: B1||B3 abajo, B2||B6 en medio (B6 no aparece en el esquema) y B4||B5 arriba. Los 3 grupos paralelizados, dando un pack 3s2p de 11.1 V. Supongamos que todas las celdas estaban balanceadas, al principio.
Si la celda B6 'muere', quedando con la Ri muy alta, es como si B6 no estuviera presente, tal como lo muestra el esquema. El pack seguiría siendo de 11.1 V y seguirán pasando 11.1 A por el circuito.
Dado que B2 ahora está sola, llegará al SoC=0%, cuando las otras celdas estarán aún al SoC=50%.
Es en esta situación que tendremos corriente inversa y tensión negativa, en B2.
Pongamos que B2 tenga una Ri de 317 mOhm (en sentido inverso). Si pasarían 11.1 A por ella, la caída de tensión sería de -3.52V. Pero no pasarán 11.1 A, porque la tensión del pack será de solo 2 x 3.7 V - 1.78 V = 5.62 V, y dado que la R1 es de 1 Ohm, pasarán 5.62 A por el circuito y también por B2. Hemos supuesto que B2 tiene la Ri de 317 mOhm, con lo que la tensión negativa en B2 sería de -1.78 V.
No nos fijemos demasiado en los números, que son el resultado de una simulación, sino en el hecho de que si en un pack en serie-paralelo se 'bloquea' una celda, puede dañar a otras celdas sanas.
Es decir, necesitamos un BMS que impida la descarga excesiva de la celda B2.
Si además tenemos un balanceador, mejor.

Para acabar, os pongo un esquema de como se recomienda -o no- conectar celdas en serie-paralelo.

BMS_2.JPG

Son dos posibles formas de paralelizar series (el ejemplo es 8s2p).
El esquema #1 (arriba) es como se recomienda. Los puentes en azul son los que hacen la serie y los puentes en rojo son los que paralelizan cada par de celdas. Es como si se hacen primero 8 parejas de 2 celdas paralelizadas y después se conectan estas parejas en serie. La ventaja es que las parejas paralelizadas se balancean 'automáticamente' entre sí.
El esquema #2 (abajo) es la conexión de dos series en paralelo, como se ve muchas veces, pero que no es recomendable. Se hacen las dos series 8s y solo se paralelizan los polos positivo y negativos que quedan libres. Faltan los puentes rojos. También es un pack 8s2p, pero las celdas intermedias no están paralelizadas y nada impide que se desbalanceen.
Pero hay que tener en cuenta, que si las celdas de un grupo 'en paralelo' no están conectadas entre sí -es decir el esquema #2-, un balanceador solo puede asegurar que el SoC medio de cada grupo sea el mismo. Si una celda de un grupo está con el SoC más bajo y otra con el SoC más alto, el balanceador se da por satisfecho y nada ni nadie impide el desbalance.

Hay casos especiales en los que el pack conviene hacerlo según el esquema #2, como por ejemplo conectar dos BMS independientes a dos serie de celdas en paralelo, pero no son habituales.

[Luisetrix]

Y no sería suficiente un BMS con balanceador? El JK , por ejemplo, lo tiene de 2A

Por el grupo de DIY LiFePo4 tienen mucha paranoía con eso de los paralelos, pero he visto vídeos por ahí de guiris que si las hacen mucho.

[kilopondio]

En el caso de las bicis o patinetes pondría celdas de mayor amperaje bien en lito ion o Lifepo, hacer paralelos en baterías no es buena idea (menos en plomo o nicad) a la hora de donde esta la maldita que me hunde el sistema.

Claro que los inconvenientes aparecen rápido, espacio versus diámetro ganan por goleada las explosivas 18650 contra las 26650, no conozco lifepo prismáticas de menos de 30 Ah.

[Homo_non_sapiens]

Y no sería suficiente un BMS con balanceador? El JK , por ejemplo, lo tiene de 2A

Yo diría que un BMS con balanceador incorporado es lo mismo que un BMS más un balanceador por separado.

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Por el grupo de DIY LiFePo4 tienen mucha paranoía con eso de los paralelos, pero he visto vídeos por ahí de guiris que si las hacen mucho.

Yo también pienso que no hay que ponerse demasiado paranoico con las baterías de litio en serie-paralalo. Pero algo que sí me asombra, es que se hagan (o se han hecho) baterías para VE y Powerwalls con miles de celdas 18650 en serie-paralelo.

[Homo_non_sapiens]

En el caso de las bicis o patinetes pondría celdas de mayor amperaje bien en lito ion o Lifepo, hacer paralelos en baterías no es buena idea (menos en plomo o nicad) a la hora de donde esta la maldita que me hunde el sistema.

Claro que los inconvenientes aparecen rápido, espacio versus diámetro ganan por goleada las explosivas 18650 contra las 26650, no conozco lifepo prismáticas de menos de 30 Ah.

Supongo que te refieres a celdas con mayor capacidad (Ah), no amperaje (intensidad, A).
Estoy de acuerdo; lo malo es que esas celdas son difíciles de encontrar.
Lo que sí he visto, son celdas (prismáticas) LiFePO4 con 20Ah y con 25Ah:
https://es.aliexpress.com/item/1005004651851938.html
https://es.aliexpress.com/item/1005005283269656.html

Ya me gustaría hacerme una batería para bici de 36V 25Ah (12 celdas de 3.2V en serie) - pero esas celdas son caras, voluminosas y pesadas.
Edito (el 06/02/2024): Esas celdas LiFePO4 de 25Ah ya no son caras, pero siguen siendo más voluminosas y pesadas que las celdas de Li-Ion (18650).
Así que seguiremos montando celdas 18650 en serie-paralelo, a pesar de los posibles inconvenientes.