El número de celdas conectadas en paralelo generalmente mejora el reparto inicial de corriente. A medida que se conectan más celdas en paralelo, el intercambio mutuo de corriente fortalece el efecto de equilibrado espontáneo, reduciendo las diferencias iniciales de corriente en las ramas durante la carga y descarga. Sin embargo, un grupo paralelo más grande no elimina el desequilibrio: las diferencias de capacidad, resistencia interna, polarización y SOC (estado de carga) inicial pueden causar divergencia de corriente más adelante en el ciclo, especialmente cerca del final de la carga.
Conclusión clave: Aumentar el número de celdas en paralelo puede reducir el desequilibrio de corriente inicial al permitir que las celdas se igualen a través de conexiones eléctricas compartidas, pero las diferencias acumuladas de SOC y capacidad aún pueden producir un desequilibrio sustancial en etapas tardías. Los sistemas de pruebas de baterías evalúan este efecto midiendo la corriente de cada rama y comparando el desequilibrio de SOC en diferentes configuraciones paralelas y tasas de C.
Cómo afecta el número de celdas en paralelo al desequilibrio de corriente
Más celdas en paralelo fortalecen la ecualización pasiva
Cuando las celdas están conectadas en paralelo, las celdas con un voltaje ligeramente superior pueden suministrar corriente a las celdas de menor voltaje. Este intercambio mutuo de corriente produce un efecto de equilibrado espontáneo antes y durante el funcionamiento normal.
Aumentar el número de celdas conectadas en paralelo generalmente hace que este efecto sea más pronunciado, ayudando a reducir las diferencias iniciales en la contribución de corriente entre las ramas.
La corriente se rige por las diferencias eléctricas
Una relación simplificada para la corriente de rama es:
[ I = \frac{U_O - U_{OCV} - U_p}{R} ]
donde (U_O) es el voltaje operativo del paquete, (U_{OCV}) es el voltaje de circuito abierto, (U_p) es el voltaje de polarización y (R) es la resistencia interna.
Las celdas con menor resistencia o mayor voltaje efectivo tienden a transportar más corriente. Por lo tanto, simplemente añadir celdas en paralelo no puede compensar diferencias graves en resistencia, capacidad, SOC o comportamiento de polarización.
El comportamiento al inicio y al final del ciclo difiere
Al comienzo de un ciclo de carga o descarga, la ecualización en paralelo puede reducir las diferencias de corriente causadas por variaciones iniciales de voltaje o SOC.
Más adelante en el ciclo, la capacidad acumulada desigual y la polarización pueden hacer que el patrón de corriente cambie. Esta alternancia de corriente significa que una celda o rama que transporta más corriente inicialmente puede no seguir siendo la contribuyente dominante durante todo el ciclo.
Por qué el desequilibrio puede persistir en grupos paralelos más grandes
Las diferencias de capacidad se acumulan con el tiempo
Las celdas con diferentes capacidades no aceptan ni entregan la misma cantidad de carga con la misma corriente. Por lo tanto, los ciclos repetidos aumentan la divergencia del SOC, incluso cuando sus voltajes iniciales parecen estar estrechamente igualados.
La conexión en paralelo puede redistribuir la carga, pero no puede hacer que las celdas con capacidades materialmente diferentes se comporten de manera idéntica.
El desajuste de resistencia causa un reparto desigual de corriente
Pequeñas diferencias en la resistencia interna pueden producir diferencias de corriente significativas, particularmente a tasas de C más altas. La rama de menor resistencia suele transportar una mayor parte de la corriente aplicada.
Esto puede crear un efecto de retroalimentación: la rama con mayor carga experimenta un mayor calentamiento, polarización y envejecimiento, lo que puede cambiar aún más su contribución de corriente posterior.
Las regiones de voltaje plano ocultan diferencias de SOC
Para químicas con una meseta de voltaje de circuito abierto plano, como LiFePO₄, el voltaje es un indicador relativamente insensible del SOC en gran parte del rango operativo.
En esta región, la resistencia interna y el voltaje de polarización dominan la distribución de corriente. Por lo tanto, dos celdas pueden mostrar un voltaje similar mientras contribuyen con corrientes notablemente diferentes.
Cómo evalúan el efecto los sistemas de pruebas de baterías
Probar varias configuraciones paralelas
Un estudio controlado debe comparar diferentes números de celdas o ramas conectadas en paralelo manteniendo las otras condiciones lo más consistentes posible.
Las comparaciones útiles incluyen:
- Diferentes recuentos de celdas en paralelo
- Celdas igualadas e intencionalmente desajustadas
- Múltiples tasas de C de carga y descarga
- Diferentes condiciones iniciales de SOC
- Ciclos repetidos para observar el crecimiento del desequilibrio
Esto separa el beneficio de ecualización inmediata del número de celdas en paralelo de los efectos a largo plazo de las diferencias de capacidad y envejecimiento.
Medir la corriente en cada rama
El sistema de pruebas debe medir de forma independiente la corriente que fluye a través de cada rama paralela en lugar de depender solo de la corriente total del paquete.
Los sensores de corriente de alta precisión pueden capturar:
- Diferencias de corriente iniciales
- Corrientes circulantes transitorias
- Redistribución de corriente durante el ciclo
- Sobrecorriente máxima de rama
- Divergencia de corriente cerca del final de la carga o descarga
El sistema también debe registrar el voltaje de la celda, la temperatura, el rendimiento de carga y el tiempo de funcionamiento para que el comportamiento de la corriente pueda correlacionarse con las condiciones térmicas y electroquímicas.
Calcular indicadores de equilibrio de corriente
Los datos de corriente de rama se pueden convertir en métricas cuantitativas de desequilibrio. Algunos ejemplos incluyen la desviación de la corriente con respecto a la corriente media de la rama, la suma residual de cuadrados (S) y un índice de relación de rama como (R^2).
Estos indicadores permiten a los ingenieros comparar si un mayor número de celdas en paralelo realmente mejora el equilibrio bajo una condición de prueba definida, en lugar de juzgar el rendimiento solo a partir de la corriente a nivel de paquete.
Seguimiento directo o indirecto del desequilibrio de SOC
El sistema puede calcular el desequilibrio de SOC integrando la corriente medida de cada rama a lo largo del tiempo y comparando el rendimiento de carga o descarga resultante.
Un grado típico de desequilibrio de SOC se puede evaluar a partir de la diferencia entre el SOC de rama estimado más alto y el más bajo, o a partir de la dispersión estadística en todas las ramas. El cálculo debe tener en cuenta la capacidad medida de cada celda, ya que una integración de corriente idéntica no implica un SOC idéntico cuando las capacidades difieren.
Probar la transición del equilibrio inicial al desequilibrio acumulado
Una prueba útil no se detiene después del período inicial de ecualización en paralelo. Sigue al paquete a través de ciclos completos de carga y descarga para determinar cuándo comienza a divergir el reparto de corriente.
Esto revela si una configuración proporciona solo un equilibrio a corto plazo o si también mantiene una distribución de corriente aceptable durante el funcionamiento repetido.
Uso de los resultados de las pruebas en el diseño del paquete
Optimizar la topología serie-paralelo
Los resultados pueden mostrar si aumentar el número de celdas en paralelo proporciona una reducción significativa en el desequilibrio de corriente para el rango operativo previsto.
El ensamblaje en paralelo primero es generalmente ventajoso porque las diferencias de voltaje se limitan a grupos paralelos localizados, lo que limita las pérdidas por carga mutua y permite el autoequilibrado local antes de la conexión en serie.
Definir requisitos de capacidad y emparejamiento
Las pruebas identifican cuánta variación entre celdas puede tolerar un grupo paralelo antes de que el desequilibrio de corriente se vuelva inaceptable.
Esta información respalda los criterios de emparejamiento para:
- Capacidad
- Resistencia interna
- Voltaje inicial u OCV
- Comportamiento de polarización
- Tasa de autodescarga
- Respuesta a la temperatura
El cribado y emparejamiento de celdas antes del ensamblaje sigue siendo importante, ya que el número de celdas en paralelo no sustituye a una calidad constante de las celdas.
Establecer márgenes de capacidad adecuados
Un sistema de pruebas de baterías puede comparar la capacidad utilizable del paquete con la capacidad de celdas o ramas individuales.
Si una rama alcanza un límite de voltaje o térmico prematuramente, todo el paquete puede verse limitado incluso cuando otras ramas todavía tienen capacidad disponible. Por lo tanto, los datos de las pruebas ayudan a determinar los márgenes de diseño adecuados y evitan que el paquete se dimensione únicamente a partir de la capacidad nominal de la celda.
Refinar las estrategias de ecualización del BMS
La divergencia medida de corriente y SOC puede indicar si el BMS requiere equilibrio activo, equilibrio pasivo o una mejor sincronización del control.
Los resultados también ayudan a definir los umbrales de equilibrio, los niveles de corriente y los ciclos de trabajo sin especificar innecesariamente hardware de equilibrio que añade coste, calor y pérdida de energía.
Comprender las compensaciones
Más celdas en paralelo no garantizan una mejora proporcional
El beneficio de equilibrio espontáneo puede aumentar con el número de celdas en paralelo, pero la mejora depende de la consistencia de las celdas y las condiciones operativas.
Un grupo más grande que contenga celdas mal emparejadas aún puede experimentar un desequilibrio grave de corriente de rama, sobrecorriente localizada y envejecimiento desigual.
Las tasas de C más altas exponen el desajuste más claramente
A mayor corriente, las diferencias de resistencia y polarización tienen una mayor influencia en la distribución de la corriente.
Por lo tanto, las pruebas a alta tasa de C son valiosas para identificar el peor escenario de desequilibrio, pero deben combinarse con pruebas de baja tasa y ciclos repetidos para evitar confundir el comportamiento de estrés a corto plazo con el rendimiento operativo normal.
La ecualización puede tener su propio coste
La carga mutua entre celdas en paralelo puede producir pérdidas de energía localizadas y calor.
En cadenas conectadas en serie, el equilibrio deliberado también requiere compensaciones: el equilibrio pasivo disipa energía en forma de calor, mientras que el equilibrio activo requiere circuitos adicionales. La sobrecarga excesiva utilizada para igualar la capacidad puede acelerar el desgaste de las celdas y aumentar el riesgo de sobrecalentamiento.
Las mediciones a nivel de paquete pueden ocultar problemas de rama
La corriente total del paquete y el voltaje total del paquete pueden parecer normales mientras que las ramas individuales transportan corrientes significativamente diferentes.
Por lo tanto, la instrumentación a nivel de rama es esencial para diagnosticar el desequilibrio de corriente y validar el efecto del número de celdas en paralelo.
Cómo aplicar esto a su proyecto
Utilice un sistema de pruebas de baterías para comparar el número de celdas en paralelo bajo condiciones idénticas, medir cada rama de forma independiente y evaluar tanto el reparto de corriente inmediato como el desequilibrio después de ciclos repetidos.
- Si su objetivo principal es reducir el desequilibrio de corriente inicial: Aumente el número de celdas en paralelo donde sea práctico, pero primero empareje las celdas por resistencia, capacidad, voltaje inicial y comportamiento de polarización.
- Si su objetivo principal es la vida útil del paquete a largo plazo: Mida las corrientes de rama, la temperatura y la divergencia de SOC a lo largo de ciclos repetidos en lugar de confiar en la ecualización de voltaje inicial.
- Si su objetivo principal es la selección de topología: Pruebe múltiples configuraciones paralelas y tasas de C utilizando métricas de desviación de corriente y desequilibrio de SOC.
- Si su objetivo principal es el diseño del BMS: Utilice el crecimiento del desequilibrio medido para establecer la corriente de equilibrio, los umbrales, el ciclo de trabajo y el margen de capacidad requerido.
El número correcto de celdas en paralelo es aquel validado por pruebas a nivel de rama bajo las condiciones operativas reales del paquete, no el elegido únicamente a partir de la capacidad nominal.
Tabla resumen:
| Factor | Efecto de más celdas en paralelo | Evaluación mediante sistemas de pruebas de baterías |
|---|---|---|
| Reparto inicial de corriente | Mejora debido al equilibrio espontáneo | Medir corrientes de rama y calcular la desviación |
| Desequilibrio al final del ciclo | Puede persistir debido a diferencias de capacidad y resistencia | Seguir la divergencia de SOC en ciclos repetidos |
| Desajuste de capacidad | No se puede compensar completamente; se acumula con el tiempo | Integrar corrientes de rama para estimar el desequilibrio de SOC |
| Desajuste de resistencia | Reparto desigual de corriente; la menor resistencia transporta más | Comparar corrientes de rama a diferentes tasas de C |
| Regiones de voltaje plano | El voltaje oculta diferencias de SOC; la resistencia domina | Utilizar sensores de corriente y estimación de SOC |
| Implicaciones de diseño | Optimizar el número de celdas en paralelo con celdas emparejadas | Probar configuraciones y establecer criterios de emparejamiento |
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