Diseño de packs: serie, paralelo, emparejado y protección

Un pack de baterías es un conjunto de celdas conectadas en serie para alcanzar una tensión y en paralelo para alcanzar una capacidad, más la estructura mecánica y electrónica que mantiene cada celda dentro de su ventana especificada. En principio nada de esto es complicado; en la práctica, casi nada de ello perdona un error.

La aritmética, y por qué importa el orden

El redondeo es una decisión de diseño: redondear la serie hacia abajo cuesta tensión; redondear el paralelo hacia abajo cuesta capacidad y sube la corriente por celda.

El número en serie fija la ventana de tensión, y de ahí salen los umbrales de protección del BMS: 13S a 4.2 V por celda son 54.6 V en plena carga, y el corte por baja tensión es 13 veces el límite inferior por celda que usted elija. El número en paralelo fija la corriente que ve cada celda, y esa es la cifra que decide si la celda elegida supera el paso 2 de la secuencia de selección.

Qué debe hacer un BMS y qué puede hacer

Un sistema de gestión de batería (BMS) tiene un conjunto pequeño de funciones obligatorias y otro mayor de opcionales. Confundir ambos produce packs que protegen la celda pero no informan sobre ella, o packs que informan con todo detalle y desconectan demasiado tarde.

La división entre protección (seguridad) y gestión (comodidad) es la línea útil al especificar un BMS.

Un punto estructural: un BMS protege el pack, no cada celda. En un grupo en paralelo todas las celdas comparten la misma tensión y el grupo se protege como una unidad. Una celda que falla en corto dentro del grupo no es visible para el BMS hasta que cambia el comportamiento del grupo; por eso, en diseños con mucho paralelo, la fusión y el control de calidad de la celda pesan más que la sofisticación del BMS.

Emparejado antes del montaje

Las celdas de una cadena en serie llevan la misma corriente. Si una tiene menos capacidad o más impedancia, llega antes al corte y toda la cadena se detiene antes de tiempo; el usuario percibe un pack que ha perdido capacidad cuando la mayoría de sus celdas siguen sanas. El emparejado actúa antes de que eso empiece.

• Agrupar por capacidad medida, normalmente dentro de unos pocos por ciento.
• Agrupar por impedancia, con banda más estrecha en packs de alta corriente.
• Agrupar por tensión en circuito abierto, lo que detecta celdas con distinto estado de carga.
• Mantener un solo lote por cadena cuando sea posible; mezclar lotes reintroduce la dispersión que acaba de eliminar.
• Registrar la agrupación, para poder rastrear un pack devuelto hasta las celdas que se montaron en él.

Interconexiones: la parte que decide la fiabilidad

La celda suele ser el componente más fiable del pack; las uniones son donde se concentran los fallos. Dominan tres métodos:

• Soldadura por resistencia de tira de níquel: rápida, estándar y sensible al estado de los electrodos y a la presión. Una soldadura fría se ve bien y falla después.
• Soldadura por láser: mayor inversión, más constante y la opción habitual en packs cilíndricos de gran volumen.
• Conexión por hilo: se usa cuando se quiere un fusible por celda; cada hilo actúa además como fusible.

Soldar directamente sobre la carcasa de la celda no es un método de producción aceptable. El calor necesario daña el cierre y las conexiones internas, y el fallo aparece meses después como fuga o como unión de alta resistencia, no en el banco donde se originó.

Estructura mecánica y térmica

• Las celdas deben quedar sujetas para no moverse con la vibración, pero sin una compresión que deforme la carcasa.
• Los terminales deben quedar separados de cualquier elemento conductor; una tira de níquel suelta dentro del pack es un cortocircuito esperando un golpe.
• La ruta térmica se diseña, no se hereda de la carcasa. Las celdas centrales de un conjunto trabajan más calientes.
• La reparabilidad importa: un pack que no se puede abrir se sustituye en lugar de repararse, y eso cambia la economía de la garantía.

Modos de fallo habituales, por orden de frecuencia

1. Desequilibrio de celdas por un emparejado deficiente, que se manifiesta como pérdida de capacidad.
2. Fallo de soldadura o de interconexión, que se manifiesta como cadena abierta o unión caliente.
3. Entrada de agua, que se manifiesta como corrosión y finalmente como cortocircuito.
4. Umbral del BMS fuera de la ventana de la celda, que se manifiesta como disparos innecesarios o como ausencia total de protección.
5. Diseño térmico ausente, que se manifiesta como derating o pérdida temprana de capacidad en el centro del pack.

Un orden de montaje que evita la mayoría

Empareje y registre las celdas. Monte el soporte mecánico. Suelde y revise las soldaduras antes de continuar. Instale el mazo de sensado y verifique con un multímetro la tensión de cada grupo. Conecte el BMS al final, con el pack en un estado de carga conocido. Registre el lote, la agrupación y los valores medidos junto al número de serie. Ese registro es lo que hace posible hablar de garantía un año después.

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