Cuándo los sistemas de almacenamiento de energía necesitan un equilibrado activo (y cuándo el equilibrado pasivo es suficiente)

El problema del ciclismo diario para el que no se diseñó el equilibrio pasivo

Una batería para bicicleta eléctrica de consumo se usa quizás una vez al día, a menudo menos. Una herramienta eléctrica se usa en ráfagas cortas. En la mayoría de las aplicaciones de litio, la batería tiene suficiente tiempo para descansar, y cualquier pequeño desequilibrio entre las celdas se corrige lentamente en segundo plano. El balanceo pasivo —normalmente unos 100 mA aplicados a la celda con mayor carga durante la fase máxima de carga— funciona perfectamente para este perfil de uso.

El almacenamiento de energía es diferente. Una batería doméstica con energía solar se descarga profundamente cada día, año tras año. Un sistema de almacenamiento comercial puede descargarse varias veces al día. A lo largo de miles de ciclos, incluso pequeñas diferencias entre las celdas (tolerancia de fabricación, ligeras diferencias de antigüedad, gradientes de temperatura en un paquete de 16 celdas) se acumulan y generan una deriva de voltaje medible. El paquete deja de ser una cadena uniforme y comienza a comportarse como su celda más débil. La capacidad total del paquete disminuye, el desequilibrio se amplía y, finalmente, el sistema de gestión de baterías (BMS) tiene que desconectarse prematuramente para proteger la celda más débil, dejando capacidad útil sin utilizar.

Este es el modo de fallo que lleva a los compradores de sistemas de almacenamiento de energía a optar por el balanceo activo. La cuestión no es si el balanceo activo es mejor en general, sino si el ciclo de trabajo de su proyecto es lo suficientemente exigente como para que el balanceo pasivo no pueda satisfacer sus necesidades.

Qué hace realmente el balanceo pasivo de 100 mA (y en qué aspectos se queda corto para los sistemas de almacenamiento de energía)

El balanceo pasivo funciona disipando el exceso de energía de las celdas que alcanzan la carga completa primero, en forma de pequeñas cantidades de calor a través de una resistencia de derivación. Una corriente típica de balanceo pasivo de 100 mA es suficiente para gestionar la deriva que se acumula en aplicaciones de menor potencia, pero tiene dos limitaciones estructurales que son importantes para el almacenamiento:

• Solo actúa cuando la carga está al máximo.Un sistema pasivo necesita que las celdas alcancen el umbral de equilibrio (generalmente un estado de carga alto) antes de poder igualarlas. En el almacenamiento de ciclo parcial, donde rara vez se alcanza una carga completa, el equilibrio pasivo tiene menos oportunidades de funcionar.
• Su tasa es pequeña en relación con la deriva que puede acumularse diariamente.En algunos ciclos de trabajo de los sistemas de almacenamiento de energía (ESS), el desequilibrio puede acumularse más rápido de lo que un sistema de equilibrio pasivo de 100 mA —aplicado solo en un intervalo limitado al inicio de la carga— es capaz de corregir, por lo que la brecha puede ampliarse a lo largo de los meses en lugar de cerrarse.

Para aplicaciones de ciclo corto, el equilibrado pasivo se ajusta bien al ciclo de trabajo y genera el menor coste. El problema específico para los sistemas de almacenamiento de energía (ESS) radica en la discrepancia entre la tasa de deriva y la tasa de corrección cuando el ciclo de trabajo es intenso.

Qué aporta el equilibrio activo (y dónde reside su verdadero valor)

El balanceo activo funciona transfiriendo energía de celdas de mayor voltaje a celdas de menor voltaje —generalmente a través de un circuito de transferencia inductivo o capacitivo— en lugar de disiparla en forma de calor. De esto se derivan dos consecuencias prácticas:

• Mayor corriente de equilibrio.Mientras que el balanceo pasivo ronda los 100 mA, el balanceo activo dedicado en los sistemas de gestión de baterías (BMS) de almacenamiento suele estar en el rango de 1 A, lo que supone una corrección mucho más rápida.
• Puede funcionar en una gama más amplia de SOC,No solo cuando la carga está al máximo. Esto es importante durante el almacenamiento, donde la batería rara vez alcanza el 100 % de su capacidad.

El resultado final para un proyecto ESS es que la deriva del voltaje de las celdas se puede corregir a una velocidad que se ajusta mejor a la velocidad a la que se acumula. El balanceo activo puede ayudar a que el paquete mantenga una cadena más uniforme durante su vida útil, reduciendo la probabilidad de que la capacidad útil quede inutilizada por la celda más débil. Es importante tener en cuenta que el rendimiento del balanceo en servicio depende del resto del sistema: la coincidencia de celdas del paquete al inicio, la distribución térmica en la cadena y el punto del rango de SOC en el que se permite que opere el balanceo. Los datos específicos de balanceo para una configuración de paquete determinada deben confirmarse con el equipo de ingeniería en lugar de basarse únicamente en la hoja de datos.

Cuando el equilibrio pasivo es suficiente (no sobredimensionar)

El balanceo activo no es una actualización predeterminada. Para una amplia gama de aplicaciones, el balanceo pasivo es realmente la respuesta correcta:

• Sistemas de respaldo ligeros que se activan con poca frecuencia.
• Paquetes UPS de telecomunicaciones que funcionan principalmente como reserva y rara vez en ciclo profundo.
• Almacenamiento a pequeña escala para consumidores donde la rentabilidad del proyecto no justifica el coste adicional del BMS.
• Células bien emparejadas con una tolerancia inicial estricta, donde la deriva se acumula lentamente.

Especificar el balanceo activo para estas aplicaciones aumenta el costo sin un beneficio proporcional. Un buen proveedor le indicará cuándo el balanceo pasivo es la solución adecuada para su proyecto; y una señal de alerta importante es un proveedor que recomienda el balanceo activo para todos los proyectos sin una justificación técnica clara vinculada a su ciclo de trabajo.

Cuándo conviene especificar el balanceo activo para su proyecto de almacenamiento

Las condiciones del ciclo de trabajo que inclinan la balanza hacia el balance activo para el almacenamiento de energía son bastante específicas. Si su proyecto cumple con varias de estas condiciones, vale la pena especificar el balance activo:

• Ciclismo profundo diario.El almacenamiento acoplado a energía solar que se descarga de forma significativa cada día, año tras año, acumula desviaciones más rápidamente de lo que el reequilibrio periódico al final de la carga puede corregirlas.
• Expectativas de vida útil de varios años.Cuanto más tiempo se prevea que funcione el sistema, mayor será la deriva acumulativa contra la que el equilibrio activo le ayudará a protegerse.
• Configuraciones de paquetes más grandes.Una cadena de 16S tiene más posibilidades de que se produzca deriva que una cadena de 8S, ya que un mayor número de celdas en serie aumenta la probabilidad de variación entre celdas a lo largo de la cadena. Las baterías de 48 V (15-16S) y superiores se benefician más de una corrección más rápida.
• Arquitectura de paquetes paralelos.El equilibrio activo opera a nivel de celda individual dentro de cada paquete; no iguala la señal entre paquetes paralelos, pero ayuda a cada paquete individual a mantener una consistencia interna, lo que favorece un comportamiento más predecible cuando varios paquetes operan juntos en un banco.
• Operación de ciclo parcial.Si tu perfil de almacenamiento rara vez carga completamente la batería (reducción de picos de consumo, optimización del autoconsumo), la dependencia del equilibrio pasivo del período de máxima carga se convierte en una limitación real.

Referencia de selección rápida

En resumen, así es como el balanceo activo y pasivo se relacionan generalmente con las aplicaciones comunes. Considere esto como un punto de partida para su solicitud de cotización, no como un sustituto de la comparación con su ciclo de trabajo específico:

La tabla sirve como referencia inicial; especifique el perfil de ciclo de trabajo real en función de él, en lugar de basarse únicamente en la etiqueta de la aplicación.

Balanceo activo DALY para aplicaciones de almacenamiento

Para proyectos donde el balanceo activo es la especificación adecuada, la línea BMS de almacenamiento de energía de cuarta generación de DALY lo incorpora de forma nativa. La variante LK proporciona balanceo activo de 1 A para configuraciones estándar de almacenamiento doméstico; la variante LM-B proporciona balanceo activo de 2 A para sistemas de mayor corriente y capacidad. Ambas admiten LFP de 8 a 16 celdas y la arquitectura de paquetes en paralelo común en el almacenamiento doméstico y comercial pequeño, con capacidad para hasta 16 paquetes en paralelo (alrededor de 160 kWh por red) para proyectos que crecen con el tiempo.

Dos aspectos importantes a tener en cuenta en cualquier conversación previa a la solicitud de presupuesto: el equilibrio del rendimiento en la implementación depende del resto del sistema, como se mencionó anteriormente, y los datos de configuración específicos, incluida la lógica de activación del equilibrio, la ventana SOC y las directrices de coincidencia de celdas de paquete, son algo que el equipo de ingeniería analizará con usted proyecto por proyecto, en lugar de algo que se pueda asumir a partir de una hoja de datos.

Preguntas frecuentes

Q1¿Es siempre mejor el balanceo activo de 1A que el pasivo de 100mA?

No siempre: lo que se considera mejor depende del impacto que tenga el ciclo de trabajo en la batería. Para aplicaciones donde la deriva se acumula lentamente (baterías de respaldo de baja potencia, ciclos de carga y descarga cortos), la corrección pasiva de 100 mA resuelve el problema y genera el menor costo. Para aplicaciones donde la deriva se acumula más rápido de lo que 100 mA pueden corregir (ciclos de carga y descarga profundos diarios durante el almacenamiento), la corrección activa de 1 A se ajusta mejor al problema. Adapte el método de balanceo a su ciclo de trabajo, no al revés.

Q2¿El equilibrado activo prolonga la vida útil del ciclo?

La vida útil es una propiedad intrínseca de las celdas, no algo que genere el balanceo. El balanceo activo ayuda a que el paquete alcance la vida útil nominal de las celdas al reducir el riesgo de desequilibrio que podría desplazar las celdas individuales fuera de su rango operativo seguro. Las celdas determinan el límite; el balanceo permite acercarse a ese límite en lugar de estar limitado por la celda más débil. Los datos específicos sobre la vida útil de su configuración se discuten con el equipo de ingeniería a nivel de proyecto.

Q3Si no estoy seguro de si mi proyecto necesita ser activo o pasivo, ¿qué debo hacer?

Proporcione al proveedor su perfil de ciclo de trabajo: profundidad del ciclo diario, ciclos anuales previstos, vida útil objetivo, tamaño del paquete y si el sistema alcanzará la carga completa con regularidad. Un proveedor que especifique en función de esta información, en lugar de optar por la opción más cara, es el que debe tomar en serio. Si no puede obtener una justificación de la especificación que se relacione con su ciclo de trabajo, esa es la información que necesita antes de enviar la solicitud de cotización.

Acerca de DALY

DALY diseña y fabrica sistemas de gestión de baterías de litio para fabricantes de equipos originales (OEM), fabricantes de paquetes e integradores, con productos que se utilizan en más de 130 países. Fundada en 2015, DALY opera bajo los sistemas ISO 9001 / ISO 14001 y cumple con las certificaciones CE y RoHS. Su línea de almacenamiento de energía cuenta con la certificación de Componente Reconocido por UL (no con la certificación completa del sistema UL; esta distinción es importante para los proyectos norteamericanos), y se proporciona documentación para respaldar la certificación a nivel de sistema, ya sea a nivel de paquete o de sistema.

¿Desea especificar el balanceo activo para su proyecto de almacenamiento?

Si está planificando un proyecto de almacenamiento solar, batería doméstica o sistema de almacenamiento de energía (ESS) para pequeñas empresas y desea especificar el equilibrio correctamente, el equipo de ingeniería de DALY puede revisar su ciclo de trabajo y ayudarle a adaptar el enfoque del sistema de gestión de baterías (BMS) al mismo.

• Comparta su ciclo de trabajo: profundidad del ciclo diario, vida útil prevista, tamaño del paquete, configuración en paralelo.
• Solicitar la documentación de especificaciones de la cuarta generación LK / LM-B.
• Correo electrónico:dalybms@dalyelec.com

Página del producto de equilibrio activo:https://www.dalybms.com/active-balancing-products/