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El sistema de gestión de baterías (BMS, por sus siglas en inglés) es una tecnología dedicada a la supervisión de un paquete de baterías, que es un conjunto de celdas de batería, organizadas eléctricamente en una configuración matricial de fila x columna para permitir la entrega de un rango objetivo de voltaje y corriente durante un periodo de tiempo contra escenarios de carga esperados.

¿Qué es un sistema de gestión de baterías?

BMS es una tecnología desarrollada para prever el Estado de Carga (SOC) y el Estado de Salud (SOH) de la batería. El SOC es la energía disponible que puede convertirse en trabajo en ese momento concreto. El SOH es un factor que indica el ciclo de vida y la durabilidad de la batería.

Cuando se necesita alta tensión, no podemos confiar en una sola célula para generarla. Sólo una conexión en serie o en paralelo de celdas puede satisfacer los requisitos. Muchas celdas dispuestas juntas constituyen un módulo, y varios módulos y un sistema de gestión de baterías forman un pack de baterías. Por ejemplo, un pack de baterías Tesla Model S Plaid consta de 7.920 celdas de iones de litio instaladas en cinco módulos, y su capacidad es de 99 kWh.

1. Estado de carga (SOC)

Un sistema BMS eficaz controla el estado de carga y descarga de cada batería y distribuye la corriente en consecuencia. Garantiza que ninguna célula se sobrecargue o descargue por debajo de su límite inferior y hace que funcione dentro de la zona de funcionamiento seguro (SOA). Garantizará que nunca se supere el límite de tensión.

El BMS realizaría algunos cálculos clave para estimar los límites de corriente de carga y descarga de la célula. Calcula su tiempo de funcionamiento, la energía descargada en el ciclo anterior y el número total de ciclos de carga y descarga. Con la ayuda de estos cálculos, predice el SOC, que es como un indicador de combustible de los vehículos eléctricos.

2. Estado de salud (SOH)

Todas las baterías recargables sólo pueden someterse a un número finito de ciclos de carga y descarga denominado vida útil del ciclo. La duración del ciclo puede optimizarse controlando eficazmente la carga de la batería durante la carga y la descarga. En circunstancias y con un mantenimiento adecuados, una batería puede durar mucho tiempo.

3. Gestión térmica

La gestión térmica es la función más importante del sistema de gestión de la batería. Siempre comprueba la temperatura y enfría la batería cuando es necesario. La refrigeración de las baterías no sólo es vital para evitar el desbordamiento térmico, sino también para optimizar su eficiencia. Los sistemas de gestión térmica se diseñan teniendo en cuenta el tamaño de la batería, el valor de tensión máxima, el coste y la ubicación geográfica. Cada batería tiene una temperatura de funcionamiento especificada a la que puede trabajar con la máxima eficiencia. Un aumento de la temperatura de la batería puede reducir su eficiencia hasta 50%.

Una batería puede utilizar aire o líquido refrigerante para mantenerse dentro del rango de temperatura permitido. La eficacia del refrigerante de aire es relativamente menor que la del refrigerante líquido. Los sistemas de refrigeración por aire suelen ser pasivos y necesitan componentes adicionales como un filtro de aire y un ventilador, lo que aumenta el peso del sistema. El refrigerante líquido tiene un mayor potencial de refrigeración, y las baterías se sumergen en el líquido.

El sistema de gestión de la batería controla todos estos parámetros mediante una supervisión eficaz. Recoge todos los datos relacionados con la temperatura de la batería, el flujo de corriente que entra y sale de la célula, el flujo de refrigerante, la velocidad del vehículo y el estado de la potencia. Cuando la batería se calienta, envía una señal a la unidad de bombeo para que suministre más refrigerante. Del mismo modo, cada vez que aumenta la tensión requerida, envía peticiones para reducir los límites de corriente. Así, el sistema de gestión de la batería ayuda a garantizar la seguridad y la vida útil de la batería.

¿Cuál es la función de un sistema de gestión de baterías?

La función principal del BMS es proteger las celdas de la batería de los daños causados por la sobrecarga o la sobredescarga. Además, el BMS calcula la carga restante, controla la temperatura de la batería, supervisa la salud y la seguridad de la batería comprobando si hay conexiones sueltas o cortocircuitos internos. El BMS también equilibra la carga entre las celdas para que cada una de ellas funcione a su máxima capacidad.

Si detecta alguna condición insegura, el BMS apaga la batería para proteger las celdas de iones de litio y al usuario.

¿Por qué son necesarios los sistemas de gestión de baterías (BMS) y cómo funcionan?

Los sistemas de gestión de baterías (BMS) son circuitos electrónicos de control que supervisan y regulan la carga y descarga de las baterías. Entre las características de la batería que deben controlarse se incluyen la detección del tipo de batería, las tensiones, la temperatura, la capacidad, el estado de carga, el consumo de energía, el tiempo de funcionamiento restante, los ciclos de carga y algunas características más.

Por qué es importante un SGE

Los sistemas de gestión de baterías son fundamentales para proteger su salud y longevidad, pero aún más importantes desde el punto de vista de la seguridad. El electrolito líquido de las baterías de iones de litio es muy inflamable.

Por tanto, estas baterías deben funcionar de forma óptima y dentro de los límites de seguridad en todo momento para evitar un incendio.

Protecciones que ofrece un sistema de gestión de baterías

Repasemos las protecciones de un sistema de gestión de baterías:

Subtensión y sobretensión

Los daños se producen si se sobrecarga (el voltaje de la celda es demasiado alto) o se sobredescarga (el voltaje de la celda es demasiado bajo) una celda de la batería de iones de litio. El BMS ayuda a proteger de situaciones de subtensión y sobretensión para que no se produzcan daños en las celdas de la batería.

Temperaturas extremas

La seguridad y estabilidad de las pilas de iones de litio dependen de que la temperatura se mantenga dentro de ciertos límites. Si la temperatura supera el nivel crítico en cualquiera de los extremos, puede producirse un desbordamiento térmico. En consecuencia, esto puede provocar un incendio inextinguible.

El BMS supervisa la temperatura y a veces controla los ventiladores de refrigeración (en el caso de un vehículo eléctrico) para ayudar a mantener las condiciones adecuadas. Incluso desconecta celdas si es necesario para proteger la batería.

Protección contra los pantalones cortos

Los cortocircuitos internos y externos también pueden provocar fugas térmicas. Por esta razón, la protección contra cortocircuitos es otro componente crítico de un sistema de gestión de baterías.

Tipos de sistemas de gestión de baterías

Los sistemas de gestión de baterías van de lo simple a lo complejo y pueden abarcar una amplia gama de tecnologías diferentes para lograr su directiva principal de "cuidar de la batería". Sin embargo, estos sistemas pueden clasificarse en función de su topología, que se refiere a la forma en que están instalados y funcionan sobre las celdas o módulos de todo el paquete de baterías.

Arquitectura BMS centralizada

Tiene un BMS central en el conjunto del paquete de baterías. Todos los paquetes de baterías están conectados directamente al BMS central. La estructura de un BMS centralizado se muestra en la Figura 6. El BMS centralizado tiene algunas ventajas. Es más compacto y tiende a ser el más económico, ya que sólo hay un BMS. Sin embargo, tiene desventajas. Como todas las baterías están conectadas directamente al BMS, éste necesita muchos puertos para conectarse con todos los paquetes de baterías. Esto se traduce en un montón de cables, cableado, conectores, etc. en grandes paquetes de baterías, lo que complica tanto la resolución de problemas como el mantenimiento.

Topología modular BMS

De forma similar a una implementación centralizada, el BMS se divide en varios módulos duplicados, cada uno con un haz de cables dedicado y conexiones a una parte asignada adyacente de una pila de baterías. Véase la figura 7. En algunos casos, estos submódulos BMS pueden residir bajo la supervisión de un módulo BMS principal cuya función es supervisar el estado de los submódulos y comunicarse con los equipos periféricos. Gracias a la modularidad duplicada, la resolución de problemas y el mantenimiento son más fáciles, y la ampliación a paquetes de baterías más grandes es sencilla. La desventaja es que los costes totales son ligeramente superiores y que puede haber funcionalidades duplicadas no utilizadas en función de la aplicación.

Primary/Subordinate BMS

Conceptualmente similar a la topología modular, sin embargo, en este caso, los esclavos se limitan más a retransmitir información de medición, y el maestro se dedica al cálculo y al control, así como a la comunicación externa. Por lo tanto, aunque como en los tipos modulares, los costes pueden ser más bajos, ya que la funcionalidad de los esclavos tiende a ser más simple, con probablemente menos sobrecarga y menos características no utilizadas.

Arquitectura BMS distribuida

Es muy diferente de las demás topologías, en las que el hardware y el software electrónicos están encapsulados en módulos que se conectan a las células mediante haces de cables. Un BMS distribuido incorpora todo el hardware electrónico en una placa de control colocada directamente en la célula o módulo que se está supervisando. De este modo, la mayor parte del cableado se reduce a unos pocos cables de sensores y de comunicación entre módulos BMS adyacentes. En consecuencia, cada BMS es más autónomo y gestiona los cálculos y las comunicaciones según sea necesario. Sin embargo, a pesar de esta aparente simplicidad, esta forma integrada hace que la resolución de problemas y el mantenimiento sean potencialmente problemáticos, ya que residen en el interior de un conjunto de módulos blindados. Los costes también tienden a ser más elevados al haber más BMS en la estructura general del pack de baterías.

Ventajas de los sistemas de gestión de baterías

Un sistema completo de almacenamiento de energía en baterías, a menudo denominados BESS, pueden estar formados por decenas, cientos o incluso miles de células de iones de litio estratégicamente agrupadas, en función de la aplicación. Estos sistemas pueden tener una tensión nominal inferior a 100 V, pero puede llegar a 800 V, con corrientes de alimentación de hasta 300 A o más. Cualquier mala gestión de un pack de alto voltaje podría desencadenar un desastre catastrófico y potencialmente mortal. Por tanto, los sistemas de gestión de baterías son absolutamente fundamentales para garantizar un funcionamiento seguro. Las ventajas de los BMS pueden resumirse como sigue.

Seguridad funcional. Sin duda, en el caso de las baterías de iones de litio de gran formato, esto es especialmente prudente y esencial. Pero se sabe que incluso los formatos más pequeños utilizados en, por ejemplo, ordenadores portátiles, se incendian y causan enormes daños. La seguridad personal de los usuarios de productos que incorporan sistemas alimentados por iones de litio deja poco margen para el error en la gestión de las baterías.

Vida útil y fiabilidad. La gestión de la protección del pack de baterías, eléctrica y térmica, garantiza que todas las celdas se utilicen dentro de los requisitos de SOA declarados. Esta delicada supervisión garantiza que las celdas estén protegidas frente al uso agresivo y los ciclos de carga y descarga rápidas, e inevitablemente da como resultado un sistema estable que potencialmente proporcionará muchos años de servicio fiable.

Rendimiento y autonomía. La gestión de la capacidad del pack de baterías BMS, en la que se emplea el equilibrio entre celdas para igualar el SOC de las celdas adyacentes en todo el conjunto del pack, permite obtener una capacidad óptima de la batería. Sin esta función BMS, que tiene en cuenta las variaciones en la autodescarga, los ciclos de carga y descarga, los efectos de la temperatura y el envejecimiento general, un pack de baterías podría acabar resultando inútil.

Diagnóstico, Recogida de datos y comunicación externa. Las tareas de supervisión incluyen la monitorización continua de todas las celdas de la batería, donde el registro de datos puede utilizarse por sí mismo para el diagnóstico, pero a menudo se destina a la tarea de cálculo para estimar el SOC de todas las celdas del conjunto. Esta información se aprovecha para los algoritmos de equilibrado, pero colectivamente puede transmitirse a dispositivos externos y pantallas para indicar la energía residente disponible, estimar la autonomía esperada o la autonomía/vida útil en función del uso actual, y proporcionar el estado de salud del conjunto de baterías.

Reducción de costes y garantías. La introducción de un BMS en un BESS añade costes, y los paquetes de baterías son caros y potencialmente peligrosos. Cuanto más complicado es el sistema, mayores son los requisitos de seguridad, lo que hace necesaria una mayor presencia de supervisión del BMS. Pero la protección y el mantenimiento preventivo de un BMS en relación con la seguridad funcional, la vida útil y la fiabilidad, el rendimiento y la autonomía, el diagnóstico, etc. garantizan que reducirá los costes generales, incluidos los relacionados con la garantía.

Tareas de los sistemas inteligentes de gestión de baterías (BMS)

La tarea de los sistemas de gestión de baterías es garantizar el uso óptimo de la energía residual presente en una batería. Para evitar cargar las baterías, los sistemas BMS las protegen de descargas profundas y sobretensiones, que son el resultado de una carga extremadamente rápida y una corriente de descarga extremadamente alta. En el caso de las baterías multicelda, el sistema de gestión de baterías también proporciona una función de equilibrado de celdas, para gestionar que las distintas celdas de la batería tengan los mismos requisitos de carga y descarga.

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