Corriente de circulación en cadenas de baterías en paralelo: por qué ocurre y cómo la arquitectura del BMS la previene | JKESS

El escenario de expansión que falla

Considere una expansión ilustrativa comercial e industrial (C&I): una fábrica instala un sistema de baterías de 128 kWh en 2024 y necesita 256 kWh en 2026 a medida que su carga aumenta. El departamento de adquisiciones propone comprar otro sistema idéntico y conectarlo en paralelo. Tres meses después, el equipo de operaciones observa un desequilibrio persistente de corriente y una disminución más rápida del SOC informado en una de las cadenas. Los números de modelo coinciden, pero las baterías ya no tienen la misma historia operativa.

La corriente circulante es una posible explicación, junto con la distribución desigual de la carga, las diferencias de temperatura, la resistencia de conexión, errores de los sensores o fallas en las celdas. Cadenas nuevas y envejecidas pueden tener capacidades y resistencias internas distintas, por lo que sus trayectorias de voltaje interno y SOC divergen durante la operación, incluso si sus lecturas iniciales de SOC coinciden. Un voltaje de fuente más alto puede entonces impulsar corriente hacia la otra cadena. Revise las corrientes de rama con signo y los datos de las celdas antes de diagnosticar la causa.

La transferencia interna no controlada genera pérdidas resistivas y un consumo adicional de la batería. Puede incrementar las tensiones térmica y cíclica, hacer que se alcancen los límites de voltaje de la celda y activar la protección del sistema de gestión de baterías (BMS); corrientes suficientemente altas pueden fundir un fusible o disparar un interruptor. Algunos problemas aparecen en el instante de la conexión, mientras que otros se vuelven más evidentes tras semanas de datos operativos. Esta guía explica la física subyacente, tres contramedidas de ingeniería y el papel del hardware maestro y esclavo de JKESS en un diseño de conexiones en paralelo debidamente ingenierizado.

La física: por qué ocurre la corriente circulante

La corriente circulante, por sí sola, no demuestra una mala calidad de la batería. Surge naturalmente según las leyes de los circuitos cuando fuentes en paralelo presentan distintos voltajes internos. Una estimación útil inicial para dos cadenas sin carga externa es:

I_circulating = ΔV / R_loop

Una vez conectadas, las cadenas comparten un voltaje de barra común, salvo las caídas de voltaje en las interconexiones. El desajuste impulsor se produce entre sus fuentes equivalentes, no entre dos voltajes distintos en el mismo nodo de barra ideal. Bajo carga externa, la corriente de cada rama incluye tanto el reparto de carga como el efecto del desajuste de voltaje. Esta estimación resistiva no modela transitorios de conexión, inductancia ni relajación electroquímica.

2V ÷ 0.05Ω = 40A

P_loss = I² × R_loop       = 40² × 0.05 = 80W

Referencia técnica: Weng et al., investigación sobre el desequilibrio de corriente en baterías conectadas en paralelo no idénticas , desarrolla un modelo de circuito equivalente y analiza cómo las diferencias de capacidad y resistencia afectan la corriente, el SOC y el envejecimiento. El ejemplo numérico anterior es un cálculo ilustrativo del circuito, no un resultado de prueba de producto.

Conexión en paralelo sin protección frente a protección independiente por cadena

La protección independiente por rama facilita la detección y aislamiento de fallos. Debe combinarse con sensores por cadena y una respuesta de control coordinada; los dispositivos de protección solos no eliminan la corriente circulante.

Si una cadena se desconecta, las cadenas restantes pueden recibir mayor corriente. El sistema de gestión energética (EMS) o el convertidor de potencia (PCS) debe reducir la potencia o detener la operación cuando sea necesario para evitar una parada en cascada. La protección independiente no autoriza el mantenimiento en vivo.

Las tres contramedidas de ingeniería

1. Equipar cada cadena con interruptores automáticos y fusibles independientes

   El propósito de la protección de ramas es el aislamiento selectivo de fallos. Especifique un interruptor y un fusible calificados para corriente continua (CC) para cada cadena, junto con contactores controlados por el sistema de gestión de baterías (BMS) o un mecanismo automático de disparo adecuado. Una corriente circulante moderada puede permanecer por debajo del umbral de disparo por sobrecorriente, por lo que un fusible no sustituye al aislamiento controlado.

   Prioridades de selección: coordine la clasificación de corriente continua, las curvas tiempo-corriente, la clasificación de tensión en CC, la corriente de cortocircuito disponible, la capacidad de interrupción, la protección de los conductores y los picos operativos permitidos. Evalúe las contribuciones de fallo de todas las cadenas conectadas. La interrupción selectiva y la operación continuada deben verificarse a nivel de sistema.

   Ubicación de instalación: utilice el diagrama unifilar aprobado y la disposición de puesta a tierra para determinar qué conductores requieren protección y aislamiento. No existe una regla universal que establezca que el interruptor automático debe ubicarse en el conductor positivo y el fusible en el conductor negativo. Confirme la secuencia de precarga y conexión del equipo suministrado; un circuito de precarga del enlace de corriente continua (DC-link) no está automáticamente calificado para igualar cadenas de baterías desalineadas.

2. Supervise cada cadena durante la carga, la descarga y el estado de espera

   Instale un canal independiente de detección de corriente bidireccional en cada cadena en paralelo y conserve su signo. Un sistema con solo un sensor de corriente total no puede identificar la transferencia interna oculta por la suma. Por ejemplo, con corriente de descarga positiva, +40 A en una cadena y −40 A en otra dan aproximadamente 0 A en la conexión externa.

   Registro actual con tensiones de celda, tensión de cadena, temperatura, SOC, estado de los contactores y modo de funcionamiento. Configurar umbrales y retardos temporales teniendo en cuenta la precisión de los sensores, la distribución esperada de carga, las calificaciones de las cadenas y la estrategia de control aprobada. Responder con alarmas, inhibición de conexión, límites de potencia o aislamiento según corresponda; establecer la potencia externa en cero puede no detener la corriente interna.

   Para una comparación entre dos cadenas con corrientes en la misma dirección y por encima del umbral mínimo de medición, una métrica descriptiva de desequilibrio es:

   Current imbalance (%) =100 × |I1 − I2| / max(|I1|, |I2|)

   Cerca del estado de espera, utilizar amperios con signo y umbrales absolutos. Los porcentajes se vuelven inestables cerca de cero. Las direcciones opuestas de corriente requieren evaluaciones independientes, y cadenas de capacidad desigual pueden transportar legítimamente corrientes distintas; comparar cada rama con su asignación esperada y sus límites.

3. Utilizar la supervisión a nivel maestro para limitar la discrepancia de SOC y tensión

   La discrepancia en el SOC es uno de los factores que contribuyen a la corriente circulante, pero la respuesta de voltaje también depende de la resistencia, la temperatura, el estado de la celda y la operación reciente. Los controladores maestros de cadena y el supervisor del sistema deben intercambiar mediciones y límites validados mediante el protocolo CAN/RS485 aprobado, y luego aplicar los criterios de coincidencia de voltaje y SOC antes de conectar una rama.

   Durante la operación, el control supervisor puede revisar las desviaciones, reducir la potencia del sistema, inhibir la reconexión o aislar una rama inadecuada. Una desviación de 5 puntos porcentuales en el SOC puede servir únicamente como un umbral ilustrativo para su revisión, siempre que se haya aceptado específicamente para el proyecto; no constituye un umbral universal de conexión. En un bus de CC conectado directamente en paralelo, el software del BMS no puede establecer de forma independiente la corriente continua de cada cadena sin hardware de potencia adecuado, como una etapa DC/DC específica por cadena.

   JKESS describe la gestión en cadena de 4 a 16 cajas esclavas por cada caja maestra. Combine el hardware adecuado para la gestión de módulos con un canal definido de protección y detección para cada cadena en paralelo, y confirme las funciones supervisoras entre cadenas según el firmware y el diseño del sistema seleccionados. El equilibrado activo a nivel de celda favorece la coherencia dentro de los módulos; no sustituye el control de corriente entre cadenas.

Referencia de arquitectura: Nota de aplicación para cadenas en paralelo: consideraciones sobre protección y topología (PDF) esta referencia técnica externa analiza la supervisión independiente de cadenas, el aislamiento automático y las compensaciones topológicas; no constituye una prueba de ninguna característica del producto JKESS ni una declaración de compatibilidad.

Cómo gestiona la arquitectura JKESS HV BESS las cadenas en paralelo

Una caja maestra, unidades de gestión de baterías esclavas (BMU) y un controlador a nivel de sistema desempeñan funciones distintas. La plataforma maestro-esclavo JKESS proporciona bloques funcionales para mediciones a nivel de módulo, comunicación y protección. En un proyecto con cadenas en paralelo también debe definirse la detección, el aislamiento y el control supervisorio de cada cadena completa.

La configuración es fundamental. La página principal del producto publica dos rangos de celdas en serie, por lo que esta guía no los considera intercambiables. La capacidad energética depende de las celdas seleccionadas y de la configuración eléctrica, no únicamente del número de cajas. Asegúrese de que la especificación de compra coincida exactamente con el hardware, el firmware y el plano del sistema aprobado.

Lista de comprobación previa a la expansión: 8 elementos antes de conectar en paralelo una nueva cadena

1. Verifique la compatibilidad eléctrica. Confirme la química aprobada idéntica y el número de celdas en serie, las ventanas de voltaje compatibles y la polaridad correcta. Mida las tensiones en circuito abierto (OCV) de los módulos en reposo y utilice el límite de conexión aprobado por el fabricante; ≤2 V no es universalmente seguro en un bucle de baja resistencia.
2. Revise las celdas y su estado. Compare el modelo, los registros de lote, la capacidad, la resistencia interna, la antigüedad, el estado de salud (SOH) y la dispersión de tensión entre celdas. Una etiqueta de producto coincidente o una lectura inicial de SOC no garantiza la compatibilidad.
3. Confirme la protección independiente por rama. Verifique el interruptor, el fusible, la ruta de aislamiento controlada, la coordinación de corriente de falla y la disposición aprobada de precarga/conexión para cada módulo.
4. Valide la detección de corriente. Confirme la detección bidireccional independiente para cada módulo, incluyendo la polaridad del sensor, el desplazamiento en cero, la precisión, el registro de datos y la capacidad de medición en modo de espera.
5. Verifique la estrategia de supervisión. Confirmar los límites de aceptación del SOC y del voltaje, los permisos de conexión, los límites de corriente, las respuestas ante la pérdida de comunicación y la reducción de potencia tras la desconexión de una cadena.
6. Verificar las condiciones térmicas. Comparar las temperaturas de las celdas y del ambiente e inspeccionar el rendimiento del flujo de aire o del sistema de refrigeración líquida. Una diferencia de temperatura ≤ 3 °C puede ser un objetivo del proyecto, no un umbral universal de aprobación o rechazo; utilizar los criterios térmicos aprobados.
7. Realizar las comprobaciones de aislamiento especificadas. El personal calificado debe emplear el procedimiento de aislamiento aprobado para el equipo, el voltaje de ensayo y la resistencia de aceptación. Un criterio como ≥ 1 MΩ a 1000 VCC se aplica únicamente cuando se especifica expresamente; no aplicar una prueba de aislamiento de alta tensión sobre electrónica conectada, a menos que el procedimiento lo autorice.
8. Planificar la puesta en servicio y el seguimiento posterior. Configurar alarmas antes de la conexión, verificar la secuencia aprobada de puesta en servicio y registrar la corriente de cada rama, el estado de carga (SOC), los voltajes de celda y las temperaturas durante un período inicial de observación de 72 horas. Continuar con el monitoreo de tendencias después de dicho período.

5 errores comunes al conectar baterías en paralelo

1. 1. Conectar directamente en paralelo cadenas con distintos niveles de SOC

   Una cadena nueva completamente cargada y una cadena existente al 80 % de SOC pueden intercambiar una corriente considerable al conectarse. Igualar el voltaje y el SOC mediante el procedimiento aprobado, y verificar también los límites por celda, así como el voltaje del paquete completo. No utilizar el contactor principal para igualar una discrepancia no autorizada.

2. 2. Proteger todo el grupo con un solo interruptor automático

   Un interruptor automático compartido no permite la desconexión selectiva de cada rama. Especificar interruptores automáticos y fusibles coordinados por cadena, además de un mecanismo de desconexión controlada. Corrientes internas moderadas podrían nunca alcanzar el umbral de operación de un fusible.

3. 3. Monitorear únicamente la corriente total de la batería

   El total puede parecer normal mientras una cadena se descarga en otra. Proporcione mediciones bidireccionales por cadena y examine la dirección de la corriente, su magnitud absoluta y la distribución esperada de la carga en todos los modos de funcionamiento.

4. 4. Ignorar las diferencias de temperatura

   Un enfriamiento desigual modifica la resistencia, la capacidad disponible y el comportamiento del SOC. Inspeccione las temperaturas medidas de las celdas y las tendencias térmicas, no solo la temperatura ambiente. Mantenga la instalación dentro de sus límites aprobados de uniformidad térmica; 3 °C no es una regla universal de aceptación.

5. 5. Omitir los primeros 72 horas de revisión de tendencias

   Una breve prueba de arranque podría pasar por alto comportamientos que aparecen a un SOC, carga o temperatura distintos. Revise las corrientes firmadas en las derivaciones y las alarmas asociadas durante un período inicial de observación de 72 horas, y luego continúe con el monitoreo a largo plazo. Ni la primera conexión ni 72 horas sin alarmas demuestran compatibilidad para toda la vida útil.

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