¿Necesito un sistema de gestión de batería (BMS) si tengo un controlador?
Las baterías de fosfato de hierro y litio contienen mucha potencia y valor en un paquete pequeño. La química de estas baterías es una parte importante de su rendimiento superior. Pero todas las baterías comerciales de iones de litio conocidas también incluyen otro elemento importante junto con las propias celdas de la batería: un sistema electrónico de gestión de baterías (BMS) cuidadosamente diseñado. Un sistema de gestión de baterías bien diseñado protege y monitorea una batería de iones de litio para optimizar el rendimiento, maximizar la vida útil y garantizar un funcionamiento seguro en una amplia gama de condiciones. Por lo tanto, necesito el BMS incluso si tengo un controlador de carga fotovoltaica.
¿Por qué son tan importantes los BMS para baterías de litio?
Estas baterías son muy potentes, pero sus reacciones ante un uso inadecuado pueden ser peligrosas. Por lo tanto, es necesario monitorear cada celda electroquímica para prevenir casos de uso no autorizado.
Esta labor de seguimiento se realiza gracias a una tarjeta de gestión electrónica denominada BMS “Battery Management System”
Las células de litio son muy sensibles a su entorno: si se exponen a condiciones demasiado severas (tensión, temperatura) o si se someten a golpes, esto puede provocar problemas de seguridad en la batería.
Dado que el electrolito es líquido, el riesgo de cortocircuito debido a fugas puede volverse rápidamente peligroso. El líquido reacciona con el aire o el agua y se vuelve extremadamente corrosivo.
Un BMS de calidad hace lo siguiente:
- Detiene la descarga de la celda antes de que sea crítica para la vida útil de la batería.
- Detiene la carga de las celdas antes de que se sobrecarguen...
- Optimiza una carga homogénea de celda a celda.
- Comprobar la temperatura de las células.
- Protege permanentemente los componentes contra sobretensión o subtensión.
- Amplíe la vida útil de su batería definiendo un rango de uso optimizado para celdas electroquímicas.
- Estima el envejecimiento de la batería a través del “Estado de salud” SOH y puede indicarle la cantidad de ciclos realizados.
- Te permite conocer el estado de carga de tu batería en tiempo real gracias al SOC “State Of Charge”.
- A través de su bus de comunicación, puede controlar cargadores y consumidores de baterías, como un controlador de motor, para optimizar el uso de la batería y el comportamiento general del sistema.
- Puede gestionar varias baterías en paralelo o en serie, para gestionar sistemas más potentes o más capacitivos.
Algunas de las cosas principales que hace un BMS de batería
Echemos un vistazo a cómo un BMS protege y optimiza el funcionamiento de una batería de fosfato de hierro y litio.
- Sobre y bajo voltaje
Las celdas de fosfato de hierro y litio funcionan de manera segura en una variedad de voltajes, generalmente de 2,0 V a 4,2 V. Algunas químicas del litio producen celdas que son altamente sensibles a la sobretensión, pero las celdas de LiFePO4 son más tolerantes.
Sin embargo, una sobretensión significativa durante un período prolongado mientras se carga puede causar un revestimiento de metal de litio en el ánodo de la batería, lo que degrada permanentemente el rendimiento. Además, el material del cátodo puede oxidarse, volverse menos estable y producir dióxido de carbono, lo que puede provocar un aumento de presión en la celda.
Todos los sistemas de gestión de baterías de calidad limitan cada celda y la propia batería a un voltaje máximo. La subtensión durante la descarga de la batería también es un problema, ya que descargar una celda LiFePO4 por debajo de aproximadamente 2,0 V puede provocar la rotura de los materiales de los electrodos.
Las baterías de litio tienen un voltaje de funcionamiento mínimo recomendado. El BMS actúa como un dispositivo de seguridad para desconectar la batería del circuito si alguna celda cae por debajo de 2,0 V.
- Protección contra sobrecorriente y cortocircuito
Cada batería tiene una corriente máxima especificada para un funcionamiento seguro. Si se aplica una carga a la batería que consume una corriente más alta, puede provocar que la batería se sobrecaliente.
Si bien es importante operar la batería de una manera que mantenga el consumo de corriente por debajo de las especificaciones máximas, el BMS nuevamente actúa como un dispositivo de apagado contra condiciones de sobrecorriente y desconecta la batería del funcionamiento.
Un cortocircuito en la batería es la forma más grave de condición de sobrecorriente. Ocurre más comúnmente cuando los electrodos se conectan accidentalmente con una pieza de metal.
El BMS debe detectar rápidamente una condición de cortocircuito antes de que el consumo masivo y repentino de corriente sobrecaliente la batería y cause daños catastróficos.
El BMS debe apagar la batería en caso de un cortocircuito externo y luego reanudar el funcionamiento normal si se elimina la condición de cortocircuito.
- Exceso de temperatura
A diferencia de las baterías de plomo-ácido o de óxido de cobalto y litio, las baterías de fosfato de hierro y litio funcionan de manera eficiente y segura a temperaturas de hasta 60 °C o más. Pero a temperaturas de funcionamiento y almacenamiento más altas, como ocurre con todas las baterías, los materiales de los electrodos comenzarán a degradarse.
El BMS de una batería de litio utiliza termistores incorporados para monitorear activamente la temperatura durante el funcionamiento y desconectará la batería del circuito a una temperatura específica.
- Desequilibrio celular
Las baterías de iones de litio tienen una gran diferencia en comparación con las baterías de plomo-ácido cuando se trata de equilibrar el voltaje en cada celda individual durante la carga. Debido a pequeñas diferencias en las condiciones de fabricación o de funcionamiento, cada celda de una batería se carga a un ritmo ligeramente diferente.
En una batería de plomo-ácido, si una celda se carga más rápido y alcanza su voltaje máximo, el límite de corriente de carga baja típico, junto con el exceso de retorno de carga, garantizará que las otras celdas se carguen completamente. En cierto sentido, las celdas de una batería de plomo-ácido se autoecualizan mientras se cargan.
Este no es el caso de las baterías de iones de litio. Cuando una celda de iones de litio está completamente cargada, su voltaje comienza a aumentar aún más, lo que puede dañar los electrodos.
Si se detiene la carga de toda la batería cuando solo una celda está completamente cargada, las celdas restantes no alcanzarán la carga completa y la batería funcionará por debajo de su capacidad máxima.
Un BMS bien diseñado garantizará que cada celda se cargue de forma segura y completa antes de que se complete todo el proceso de carga.