miniaturadeimagen|300x300px|Contactos del battery pack usado en taladros sin cable DeWalt 20V Max (18V XR en Europa). Los contactos C1-C4 están conectados a las células individuales en el battery pack y los utiliza el cargador para el balance de la batería Un paquete de baterías o battery pack, es un conjunto de cualquier número de baterías (preferiblemente) idénticas o células individuales. Las celdas son la unidad básica de energía, los módulos son agrupaciones de celdas para mayor voltaje, y el paquete de baterías (pack) es el sistema final completo, sellado y gestionado (BMS) que impulsa el vehículo, situado comúnmente en el chasis.
Pueden configurarse en serie, en paralelo o en una combinación de ambos para suministrar el voltaje y la corriente deseados. El término paquete de baterías se usa a menudo en referencia a herramientas inalámbricas, juguetes de radiocontrol y vehículos eléctricos .
Los componentes de los paquetes de baterías incluyen las baterías o células individuales y las interconexiones que proporcionan conductividad eléctrica entre ellas. Los paquetes de baterías recargables suelen contener sensores de voltaje y temperatura, que el cargador utiliza para detectar el final de la carga. Las interconexiones también se encuentran en las baterías, ya que son la parte que conecta cada celda, aunque las baterías generalmente solo se organizan en cadenas en serie. Para conformar el paquete, se apilan las células, bien compactadas y se sueldan por puntos con un impulso de corriente que genera el calor suficiente para soldar las conexiones de los terminales.
Cuando un paquete contiene grupos de células en paralelo, existen diferentes configuraciones de cableado que tienen en cuenta el equilibrio eléctrico del circuito. Los sistemas de gestión de baterías se utilizan a veces para equilibrar las células y mantener sus voltajes por debajo de un valor máximo durante la carga, permitiendo así que las baterías más débiles se carguen por completo, restableciendo así el equilibrio del paquete. El equilibrio activo también puede realizarse mediante dispositivos de equilibrio de baterías que transfieren energía de las células fuertes a las más débiles en tiempo real para un mejor equilibrio. Un paquete bien equilibrado dura más y ofrece un mejor rendimiento.
Cálculo del estado de carga miniaturadeimagen|Paquete de baterías de iones de litio para Lucid Motors El SOC (State of charge), es la medida de la cantidad de carga restante. El SOC no se puede determinar con una simple medición de voltaje, ya que el voltaje terminal de una batería puede permanecer prácticamente constante hasta su descarga completa. En algunos tipos de batería, la gravedad específica del electrolito puede estar relacionada con el estado de carga, pero esto no es medible en las células típicas de un paquete de baterías ni se relaciona con el estado de carga en la mayoría de los tipos de baterías. La mayoría de los métodos de SOC tienen en cuenta el voltaje y la corriente, así como la temperatura y otros aspectos del proceso de carga y descarga para, en esencia, calcular el aumento o la disminución dentro de una capacidad predefinida del paquete. Los sistemas más complejos de estimación del estado de carga consideran el efecto Peukert, que relaciona la capacidad de la batería con la velocidad de descarga.
Tabla: Voltaje vs. % de carga para packs de 3 a 7 subgrupos de elementos % de carga3S (11.1 V)4S (14.8 V)5S (18.5 V)6S (22.2 V)7S (25.9 V)100 %12.6 V16.8 V21.0 V25.2 V29.4 V90 %12.4 V16.5 V20.6 V24.8 V28.9 V80 %12.2 V16.2 V20.2 V24.4 V28.4 V70 %12.0 V15.8 V19.8 V24.0 V27.9 V60 %11.8 V15.5 V19.4 V23.6 V27.4 V50 %11.6 V15.2 V19.0 V23.2 V26.9 V40 %11.4 V14.8 V18.6 V22.8 V26.4 V30 %11.2 V14.5 V18.2 V22.4 V25.9 V20 %11.0 V14.2 V17.8 V22.0 V25.4 V10 %10.8 V13.8 V17.4 V21.6 V24.9 V0 %9.0 V12.0 V15.0 V18.0 V21.0 V
Ventajas miniaturadeimagen|Paquete de baterías de plomo-ácido para automóvil compuesto por 28 Optima Yellow Tops Una ventaja de un paquete de baterías es su facilidad para intercambiarlas dentro o fuera de un dispositivo. Esto permite que varios paquetes ofrezcan mayor autonomía, liberando el dispositivo para un uso continuo mientras se carga por separado.el paquete extraído.
Otra ventaja es la flexibilidad de su diseño e implementación, permitiendo el uso de células o baterías de alta producción y más baratas para combinarlas en un paquete para casi cualquier aplicación.
Al final de la vida útil del producto, las baterías se pueden quitar y reciclar por separado, lo que reduce el volumen total de residuos peligrosos.
Desventajas Los paquetes suelen ser más fáciles de reparar o manipular para los usuarios finales que una batería o celda sellada inservible. Si bien algunos podrían considerar esto una ventaja, es importante tomar precauciones de seguridad al realizar el mantenimiento de un paquete de baterías, ya que representan un peligro potencial de incendio, riesgo químico y eléctrico.
Gestión y equilibrado de células
miniaturadeimagen|Diferentes estados de carga en una batería. La celda 5 tiene menor capacidad. La celda 5 tiene una alta tasa de autodescarga. El sistema de equilibrado de batería, (Battery Management System, BMS) hace referencia a las técnicas que maximizan la capacidad de una batería de tener toda su energía disponible para su uso y aumentar la longevidad de la batería. pueden clasificarse según su ubicación y funciones:
BMS en el cargador Este tipo de sistema se encuentra fuera del paquete de baterías y forma parte del circuito de carga. Su función principal es controlar el proceso de carga, incluyendo el corte por sobrevoltaje, la limitación de corriente y, en algunos casos, el equilibrado pasivo de las células. Es común en cargadores externos para baterías de litio.
Ventajas: fácil mantenimiento, posibilidad de actualización independiente.
Limitaciones: no protege durante la descarga ni en reposo.
BMS incorporado Está integrado dentro del propio paquete de baterías. Supervisa continuamente el estado de cada celda, controla la carga y descarga, protege contra sobretemperatura, cortocircuitos y desequilibrios de voltaje. Hay de los siguientes tipos:
Centralizado: una sola unidad controla todas las células. Distribuido: cada celda o módulo tiene su propio controlador. Modular: combina aspectos de los anteriores, permitiendo escalabilidad. Integrado: embebido en el paquete, ideal para diseños compactos.
Equilibrado de las células
Las células individuales de un paquete de baterías presentan ligeras diferencias de capacidad debido a variaciones de fabricación, envejecimiento, montaje o condiciones térmicas. Estas diferencias provocan que, tras varios ciclos de carga y descarga, las células alcancen estados de carga (State of Charge, SOC) distintos. Un BMS completo puede incluir el equilibrado activo, así como el control de la temperatura, la carga y otras funciones para maximizar la vida útil de una batería.
El equilibrio de la batería puede realizarse mediante convertidores DC-DC, en una de tres topologías: Celda a batería: energía transferida desde una celda al conjunto. Batería a celda: energía redistribuida desde el conjunto a células individuales. Bidireccional: permite flujo de energía en ambos sentidos.
El equilibrado busca igualar el SOC entre células conectadas en serie, maximizando la capacidad útil y prolongando la vida del paquete. Las células conectadas en paralelo se equilibran naturalmente, pero los grupos en serie-paralelo requieren balanceo activo o pasivo entre bloques.
Regulador de baterías El equilibrio puede ser activo o pasivo. El término regulador de baterías suele referirse únicamente a los dispositivos que realizan un equilibrado pasivo. Equilibrado pasivo: la energía de las células más cargadas se disipa como calor mediante resistencias. Es simple pero menos eficiente. Equilibrado activo: transfiere energía de las células más cargadas a las menos cargadas mediante convertidores DC-DC, condensadores o inductores. Es más eficiente pero complejo.
Equilibrado pasivo En el equilibrado pasivo, la energía se extrae de la célula más cargada y se disipa en forma de calor, normalmente a través de resistencias.
El equilibrio pasivo iguala el estado de carga en un punto fijo, normalmente "equilibrio superior", en el que todas las células alcanzan el 100% de SOC al mismo tiempo, o "equilibrado inferior", en el que todas las células alcanzan el SOC mínimo al mismo tiempo. Esto puede lograrse drenando energía de las células con mayor estado de carga (por ejemplo, un cortocircuito controlado a través de una resistencia o transistor), o derivando energía a través de una ruta en paralelo con una celda durante el ciclo de carga, de modo que la celda consuma menos corriente (normalmente constante regulada). El equilibrado pasivo es inherentemente derrochador, ya que parte de la energía del pack se gasta en forma de calor para igualar el estado de carga entre las celda. La acumulación de calor residual también puede limitar la velocidad a la que puede producirse el equilibrio.
Equilibrado activo El equilibrado activo suele operar con potencias mucho menores que las de carga/descarga del paquete completo, pero mejora significativamente la eficiencia y la durabilidad. En el equilibrio activo, la energía se extrae de la célula más cargada y se transfiere a las células menos cargadas, normalmente a través de convertidores basados en condensadores, inductores o DC-DC.
El equilibrado activo intenta redistribuir la energía de las células con carga completa a las que tienen un estado de carga inferior. La energía se puede purgar de una célula con un SOC más alto conectando un condensador de reserva en circuito con la célula, desconectando después el condensador y volviéndolo a conectar a una célula con un SOC más bajo, o a través de un convertidor CC-CC conectado a todo el pack. Debido a las ineficiencias, parte de la energía se sigue desperdiciando en forma de calor, pero no en la misma medida. A pesar de sus evidentes ventajas, el coste adicional y la complejidad de una topología de equilibrado activo pueden ser considerables y no siempre tienen sentido en función de la aplicación.
Otra variante utilizada a veces en las baterías EAPC utiliza un conector de varias patillas con una resistencia y un diodo en serie en cada nodo: cuando se conocen las caídas, el cargador aplica una corriente de descarga adecuada o carga las células débiles hasta que todas tienen la misma tensión en el terminal cargado. Esto tiene la ventaja de reducir ligeramente el peso del paquete y disminuir el consumo parásito, además de permitir el equilibrio multipunto.
Tecnología de los paquetes de baterías Los packs de baterías necesitan un balanceado de batería, que es una técnica que maximiza la capacidad de una batería de tener toda su energía disponible para su uso y aumentar la longevidad de la batería. Normalmente el regulador de batería es un dispositivo incorporado dentro del paquete de baterías que lleva a cabo el equilibrio de la batería. La mayoría de los packs de baterías modernos utilizan baterías de iones de lito que ofrecen:
Mayor densidad energética. Menor peso. Ausencia de efecto memoria. Carga rápida y vida útil prolongada.
Los fabricantes de herramientas eléctricas ofrecen baterías con distintos voltajes para adaptarse a diversas aplicaciones. Estos voltajes determinan la potencia y autonomía de la herramienta. Las baterías de mayor voltaje suelen usarse en aplicaciones más exigentes, como perforación en hormigón o corte de materiales duros. A continuación se presentan los voltajes más comunes: