Celdas LiFePO4 conectadas en serie-paralelo - duda !

[Nach]

Con todo eso que hemos hablado, he hecho un 'Gedankenexperiment' (experimento en mente):
¿Qué pasaría si paralelizamos dos celdas de capacidad muy diferente, por ejemplo 50 y 300 Ah?

Empecemos el experimento con la dos celdas al SOC=100%, a una tensión de 3.55V.
Pongamos que la descarga sea constante de 30A.
Al principio, las dos celdas se descargarían a la misma velocidad, porque la tensión de ambas sería casi igual.
Pero al poco tiempo, digamos una hora, se habrán descargado 30 Ah. La celda de 50 Ah estárá al SOC=40%, mientras la de 300 Ah estará al SOC=90%. Esto no es del todo cierto, porque la tensión de la celda pequeña habrá bajado a ~3.20V; mientras la celda de 300 Ah estará a ~3.45 V. Entonces habrá una descarga de la celda mayor a la menor, debido a la diferencia de tensión y al intento de balanceo del BMS. Pero ambos procesos no bastarán para compensar la descarga forzada de 30A.
Es decir que las dos celdas se irán descargando, aunque la menor un poco más lenta que la mayor.
Si esperamos una hora más, la celda de 50 Ah se habrá descargado completamente, hasta una tensión de digamos ~2.6 V. En cambio, la celda de 300 Ah estará al SOC=~85%, a una tensión de ~3.40 V.
Si seguimos con la descarga, la celda de 50 Ah llegará a tensiones muy bajas (~1.0 V) que acabarán rompiéndola. Mientras tanto, la celda de 300 Ah seguirá descargándose a su ritmo correcto.

Conclusión: La celda de 50 Ah acabará destruida al poco tiempo.

¿Estáis de acuerdo con esta conclusión?

Eso que planteas creo que es imposible. Es decir, al estar conectadas en paralelo la tensión en bornes de ambas celdas tiene que ser igual. Por lo tanto, la energía saldrá en mayor medida siempre de la batería de mayor capacidad, de forma que la evolución del SOC (y por tanto el voltaje) en ambas celdas será idéntico hasta que cortes la descarga.

En tu ejemplo, tienes una batería "Frankestein" de 350 Ah de capacidad total, y en cualquier instante de la curva de descarga la celda grande habrá aportado el 85% de la energía y la otra el 15%.

Todo esto suponiendo que la tecnología de las celdas es la misma, en cuanto a que la relación entre SOC y voltaje sea idéntica. Si son distintas, sí podrías tener un problema por estrujar más allá de los límites aconsejables una celda.

La regla en circuitos es simple: Conexión en paralelo, misma tensión. En serie, misma intensidad.

 

[Homo_non_sapiens]

Eso que planteas creo que es imposible. Es decir, al estar conectadas en paralelo la tensión en bornes de ambas celdas tiene que ser igual. Por lo tanto, la energía saldrá en mayor medida siempre de la batería de mayor capacidad, de forma que la evolución del SOC (y por tanto el voltaje) en ambas celdas hasta que cortes la descarga.

En tu ejemplo, tienes una batería "Frankestein" de 350 Ah de capacidad total, y en cualquier instante de la curva de descarga la celda grande habrá aportado el 85% de la energía y la otra el 15%.

Todo esto suponiendo que la tecnología de las celdas es la misma, en cuanto a que la relación entre SOC y voltaje sea idéntica. Si son distintas, sí podrías tener un problema por estrujar más allá de los límites aconsejables una celda.

También había pensado en esta opción. Si el banco de 8s2p está hecho uniendo cada pareja de celdas paralelas (300 Ah + 50 Ah) con puentes, creo que sería como tú dices.
Pero supon que tienes 8 celdas de 50 Ah en 8s0p, y las 8 celdas de 300 Ah también en 8s0p, cada serie con su propio BMS. Entonces, si paralelizas solo los extremos de cada serie, depende de como actúan los BMS y no sabría decirte lo que pasaría.
Posiblemente sería lo mismo: La serie de 300 Ah aporta el 85% de la descarga y la otra serie solo el 15% (¿no sería el 83.3% y el 16.7% ?) - pero no estoy nada seguro.

 

[Nach]

También había pensado en esta opción. Si el banco de 8s2p está hecho uniendo cada pareja de celdas paralelas (300 Ah + 50 Ah) con puentes, creo que sería como tú dices.
Pero supon que tienes 8 celdas de 50 Ah en 8s0p, y las 8 celdas de 300 Ah también en 8s0p, cada serie con su propio BMS. Entonces, si paralelizas solo los extremos de cada serie, depende de como actúan los BMS y no sabría decirte lo que pasaría.

Una vez están conectadas las celdas en un bloque actúan como una sola celda, de la tensión e intensidad que hayas configurado. El funcionamiento teórico ideal es el mismo para una celda que para cien conectadas en serie, por ejemplo.

Lo de la BMS, por lo que yo entiendo, solo hace dos cosas:

-Limitar la carga y descarga por arriba y por abajo para evitar llevar la batería completa a un punto inseguro. Y esto lo hace cortando en caso de llegar al límite.
-Ecualizar las celdas de todo el banco para evitar que haya diferencias importantes de tensión entre ellas, también con el objetivo de protegerlas individualmente. Esto es necesario porque la química de las baterías no es igual al 100% en todas ellas ni están sujetas a las mismas cargas térmicas, entonces puede haber pequeñas diferencias que hacen que si alguna está más cargada o descargada que las demás podría salirse de los límites aunque la batería completa no lo haya hecho.

La regulación de la carga no la hace la BMS, sino el cargador, ajustando la tensión de carga en función del SOC de la batería en cada momento.

Para que la batería Frankestein funcionara bien en parámetros de seguridad creo que debería tener una BMS común, de forma que las vea como una batería grande que tiene que mantener en parámetros y como dos celdas que tiene que ecualizar. Con tu idea de que cada una esté protegida por su BMS en principio no debería pasar nada, pero desde luego no estará funcionando de la mejor forma. Por poner un ejemplo, es como si pones en un coche a dos conductores, cada uno con su volante, a controlar una rueda. En principio parece que si se coordinan bien y saben hacer su trabajo idealmente, pues no habría problemas, pero la realidad es que puede haber pequeñas desviaciones que hagan que no funcione todo de forma correcta. Más cuando una de las ruedas es distinta a la otra.

Parece lógico que lo suyo es que al ser baterías distintas, con distinta fecha de adquisición y vida, cada una esté regulada por su propio cargador y ponerle a la batería nueva un cargador/inversor exclusivo. No se cuánto puede costar dicho aparato, pero imagino que andará por los 300 ó 400 euros, y la seguridad que daría no es comparable con tener la batería apañada así.

Posiblemente sería lo mismo: La serie de 300 Ah aporta el 85% de la descarga y la otra serie solo el 15% (¿no sería el 83.3% y el 16.7% ?) - pero no estoy nada seguro.

Las cifras exactas son 30000/350=85.71% y 5000/350=14.29%

 

[Nach]

Se me ha ocurrido un ejemplo mejor para ver como funcionan dos baterías en paralelo. Imaginemos un coche de caballos tirado por dos caballos, en paralelo, claro, aunque para el ejemplo da lo mismo:

Si los dos caballos son más o menos iguales, con la misma fuerza y resistencia, pues cada uno aportará el 50% del esfuerzo. Ante una aceleración, ambos lo harán con energía parecida y todo irá bastante bien. Lo que está claro es que ambos caballos (y el coche) tienen que ir a la misma velocidad.

Si por el contrario tenemos que uno de los caballos es bastante fuerte y el otro es más pequeño y no tiene tanta energía, pues lo que ocurre es que irán a la misma velocidad, pero uno (el fuerte) estará aportando más al tiro, incluso en momentos de aceleración, por ejemplo, tendrá que usar parte de su fuerza para tirar del caballo débil y ayudarle a conseguir la velocidad seleccionada. Al final del día habrán recorrido una cantidad de km menor que si ambos caballos fueran iguales, puesto que la suma de los dos no da la misma energía que en el primer caso.

 

[Homo_non_sapiens]

Lo de la BMS, por lo que yo entiendo, solo hace dos cosas:

-Limitar la carga y descarga por arriba y por abajo para evitar llevar la batería completa a un punto inseguro. Y esto lo hace cortando en caso de llegar al límite.
-Ecualizar las celdas de todo el banco para evitar que haya diferencias importantes de tensión entre ellas, también con el objetivo de protegerlas individualmente. Esto es necesario porque la química de las baterías no es igual al 100% en todas ellas ni están sujetas a las mismas cargas térmicas, entonces puede haber pequeñas diferencias que hacen que si alguna está más cargada o descargada que las demás podría salirse de los límites aunque la batería completa no lo haya hecho.

Veo igual el funcionamiento de un BMS.

Para que la batería Frankestein funcionara bien en parámetros de seguridad creo que debería tener una BMS común, de forma que las vea como una batería grande que tiene que mantener en parámetros y como dos celdas que tiene que ecualizar. Con tu idea de que cada una esté protegida por su BMS en principio no debería pasar nada, pero desde luego no estará funcionando de la mejor forma.

Yo también creo que un BMS en común es la mejor opcion para celdas paralelizadas. Un ejemplo es la celda de 300 Ah en paralelo a una de 50 Ah. Entiendo bien lo que me has explicado, que el grupo actúa como si fuese una sola celda de 350 Ah, porque la conexión en paralelo obliga a las dos celdas estar a la misma tensión en cada momento. En este ejemplo se ve que no aporta ninguna ventaja, tener dos BMS, uno para la celda de 50 Ah y otro para la celda de 300 Ah.

Conclusión: Una batería 'Frankenstein', como tú la llamas, me parece ser una buena opción.

Parece lógico que lo suyo es que al ser baterías distintas, con distinta fecha de adquisición y vida, cada una esté regulada por su propio cargador y ponerle a la batería nueva un cargador/inversor exclusivo. No se cuánto puede costar dicho aparato, pero imagino que andará por los 300 ó 400 euros, y la seguridad que daría no es comparable con tener la batería apañada así.

Creo que para baterías en paralelo, el problema de poder ser un poco diferentes no es grave, porque a pesar de esas diferencias estarán siempre a la misma tensión.
Además, con un inversor / cargador para cada banco de batería, tienes más aparatos que pueden fallar.

Las cifras exactas son 30000/350=85.71% y 5000/350=14.29%

Cierto, esas son las cifras exactas.
La capacidad total es de 350 Ah; la celda de 300 Ah aporta el 85.7% y la de 50 Ah aporta el 14.3%.

 

[Homo_non_sapiens]

Yo también creo que un BMS en común es la mejor opcion para celdas paralelizadas. Un ejemplo es la celda de 300 Ah en paralelo a una de 50 Ah. Entiendo bien lo que me has explicado, que el grupo actúa como si fuese una sola celda de 350 Ah, porque la conexión en paralelo obliga a las dos celdas estar a la misma tensión en cada momento. En este ejemplo se ve que no aporta ninguna ventaja, tener dos BMS, uno para la celda de 50 Ah y otro para la celda de 300 Ah.

Conclusión: Una batería 'Frankenstein', como tú la llamas, me parece ser una buena opción.

Para ver las (no) diferencias entre las dos opciones (con uno rsp. dos BMS), valga un ejemplo práctico:
Pongamos tener 8 celdas de 250 Ah y 8 celdas de 300 Ah. Queremos hacer un banco 8s2p, de 24 V.

Opción 1: Hacemos 8 grupos 1s2p, de 1 celda de 250 Ah y 1 celda de 300 Ah, conectadas en paralelo. Cada grupo equivale a una celda de 550 Ah, porque las dos celdas estarán siempre exactamente a la misma tensión. Conectando en serie estos 8 grupos, obtenemos el banco 8s2p, de 25.6 V y 550 Ah. Dado que las celdas no necesariamente son 100% iguales, los 8 grupos pueden tener una tensión ligeramente distinta.
Este banco funcionaría correctamente, incluso sin BMS. Podemos conectar un BMS, para que detecte si alguno de los grupos se 'escapa' de tensión hacia arriba o abajo. También se ocuparía de que los 8 grupos 1s2p tengan siempre la misma tensión entre sí, balanceando.

Opción 2: Formamos dos series 8s1p, una con las celdas de 250 Ah, y otra con las de 300 Ah. Cada serie con su BMS, que asegurará que la tensión de las 8 celdas en cada serie sea igual entre sí. Pero las 8 celdas de una serie pueden tener la tensión ligeramente distinta a la de las celdas de la otra serie.
Si ahora conectamos las dos series 8s1p en paralelo, juntando solo los polos pos y neg extremos, también obtenemos un banco 8s2p. Los BMS controlan que las 8 celdas de cada serie tengan todas la misma tensión, y la conexión de las dos series en paralelo garantiza que las dos series tengan la misma tensión. Y claro, eso significa que las 16 celdas estén siempre a la misma tensión.

Conclusión: Las dos opciones son válidas y equivalentes.
Ejemplo: Si la tensión del banco 8s2p es de 25.6 V, cada una de las 16 celdas estará a 3.20 V.
En la opción 1, cada grupo 1s2p estará a 3.20 V, y en la opción 2, cada serie 8s1p estará a 25.6 V.
Y la capacidad del banco es de 550 Ah, en ambos casos.