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PROYECTO FIN DE CARRERA
DISEÑO DE SISTEMAS DE GESTIÓN DE BATERÍAS
Ingeniero Industrial Escuela Superior de Ingenieros
Universidad de Sevilla
Autor
Jesús Guerra Estévez Tutor
Alfredo Pérez Vega-Leal
Jesús Guerra Estévez – PFC – Diseño de un sistema de Gestión de Batería
Dto. Ingeniería Electrónica – Escuela Superior de Ingenieros – Universidad de Sevilla
1
Índice de contenido
ÍNDICE DE ESQUEMÁTICOS ........................................................................................................... 3
ÍNDICE DE GRÁFICAS ..................................................................................................................... 4
ÍNDICE DE TABLAS......................................................................................................................... 5
ÍNDICE DE ILUSTRACIONES ............................................................................................................ 7
INTRODUCCIÓN A LAS BMS .......................................................................................................... 8
BREVE HISTORIA DE LAS BATERÍAS Y JUSTIFICACIÓN DE LA BMS .................................................................... 8
PARÁMETROS CLAVE DE LAS BATERÍAS ...................................................................................... 11
DENSIDAD DE ENERGÍA ....................................................................................................................... 12 VOLTAJE NOMINAL DE CELDA ............................................................................................................... 13 ESTABILIDAD EN VOLTAJE .................................................................................................................... 13 AUTO-DESCARGA .............................................................................................................................. 14 COSTE ............................................................................................................................................. 15
TIPOS DE BMS ............................................................................................................................. 17
POR LA QUÍMICA DE LAS CELDAS ........................................................................................................... 17 EL NÚMERO DE CELDAS EN SERIE .......................................................................................................... 18 8.2.1 BMS de una celda en serie .................................................................................................. 18 8.2.2 BMS para 2 o más celdas en serie ...................................................................................... 19
PARTES DE UNA BMS .................................................................................................................. 21
MONITORIZACIÓN ............................................................................................................................. 21 9.1.1 Tensiones de Celda ............................................................................................................. 21
9.1.1.1 Divisores resistivos .................................................................................................................. 21 9.1.1.2 Amplificadores diferenciales ................................................................................................... 23
9.1.2 Corriente ............................................................................................................................. 23 9.1.2.1 Resistencia Rds del mosfet ...................................................................................................... 23 9.1.2.2 Resistencia shunt .................................................................................................................... 25 9.1.2.3 Efecto Hall ............................................................................................................................... 27
9.1.3 Temperaturas ..................................................................................................................... 27 PROTECCIONES ................................................................................................................................. 28 9.2.1 Circuitos de protección ....................................................................................................... 28
9.2.1.1 Fusibles.................................................................................................................................... 28 9.2.1.2 Mosfet ..................................................................................................................................... 28 9.2.1.3 Relés ........................................................................................................................................ 30 9.2.1.4 Circuito de Precarga ................................................................................................................ 32 9.2.1.5 Protecciones en baterías modulares ....................................................................................... 33
9.2.2 Tipos de Protecciones y fallos permanentes ....................................................................... 38 9.2.2.1 Protecciones ............................................................................................................................ 38
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9.2.2.2 Fallos permanentes ................................................................................................................. 49 GESTIÓN ......................................................................................................................................... 55 9.3.1 Balanceo ............................................................................................................................. 55
9.3.1.1 Balanceo pasivo ....................................................................................................................... 56 9.3.1.2 Balanceo activo ....................................................................................................................... 59
9.3.2 Estimación de estado de carga SOC ................................................................................... 61 9.3.2.1 Estimación por voltaje ............................................................................................................. 61 9.3.2.2 Estimación con contador de Culombios .................................................................................. 63 9.3.2.3 Estimación por Contador de culombios con compensación de final de carga ........................ 64
9.3.3 Comunicaciones .................................................................................................................. 65 9.3.3.1 SMbus ..................................................................................................................................... 66 9.3.3.2 CANopen ................................................................................................................................. 69
EJEMPLOS DE DISEÑO ................................................................................................................. 72
BATERÍA CUSTOM DE 20AH 48V LI-PO ............................................................................................ 72 BATERÍA 45AH 48V LIFEPO4 APILABLE ............................................................................................ 79 BATERÍA 10AH 48V LIFEPO4......................................................................................................... 84
BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................................. 89
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Índice de esquemáticos
Esquemático 1 BQ2970 ________________________________________________________________ 18 Esquemático 2 LTC6803 en configuración serie _____________________________________________ 20 Esquemático 3 Medida de voltaje con divisores resistivos _____________________________________ 22 Esquemático 4 Medida de corriente mediande Rds __________________________________________ 24 Esquemático 5 Protecciones con mosfet P en lado alto _______________________________________ 29 Esquemático 6 Control de mosfets N en lado bajo ___________________________________________ 30 Esquemático 7 Protecciones con relés y caminos separados de carga y descarga __________________ 31 Esquemático 8 Protecciones con un único relé ______________________________________________ 32 Esquemático 9 Circuito de protecciones con precarga ________________________________________ 33 Esquemático 10 Circuito de simulación de protección de pack _________________________________ 34 Esquemático 11 Circuito de simulación de descarga _________________________________________ 35 Esquemático 12 Circuito de simulación de carga ____________________________________________ 37 Esquemático 13 Ejemplo de balanceo pasivo de 3 celdas _____________________________________ 57 Esquemático 14 Balanceo con carga capacitiva _____________________________________________ 60 Esquemático 15 Balanceo con carga inductiva ______________________________________________ 61 Esquemático 16 Detección de baja tensión de alimentación ___________________________________ 75 Esquemático 17 Circuito eléctrico del amplificador de corriente ________________________________ 77
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Índice de gráficas Gráfica 1 Evolución en la demanda mundial de baterías secundarias _____________________________ 9 Gráfica 2 Evolución en el coste y densidad de energía de las baterías ___________________________ 10 Gráfica 3 Densidad energética para diferentes tecnologías____________________________________ 12 Gráfica 4 Curvas de descarga para diferentes tecnologías de baterías ___________________________ 14 Gráfica 5 Rds vs Vgs ___________________________________________________________________ 25 Gráfica 6 Tensiones Vds de mosfets de descarga en simulación de descarga ______________________ 36 Gráfica 7 Tensiones Vds de mosfets de carga en simulación de carga ___________________________ 38 Gráfica 8 Tiempos máximos de balanceo según corriente y capacidades _________________________ 58 Gráfica 9 Eficiencia vs corriente de carga del LTC3642 _______________________________________ 74
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Índice de tablas Tabla 1 Comparativa de parámetros para diferentes químicas _________________________________ 11 Tabla 2 Voltaje nominal para diferentes tecnologías _________________________________________ 13 Tabla 3 Valores típicos de autodescarga __________________________________________________ 15 Tabla 4 Coste del kWh _________________________________________________________________ 15 Tabla 5 Resistencia térmica para distintos encapsulados _____________________________________ 26 Tabla 6 comparativa mosfet tip N y tipo P _________________________________________________ 30 Tabla 7 Estados de la protección de subtensión de celda ______________________________________ 39 Tabla 8 Configuración de subtensión de celda ______________________________________________ 39 Tabla 9 Estados de la protección de sobretensión de celda ____________________________________ 40 Tabla 10 Configuración de sobretensión de celda ___________________________________________ 40 Tabla 11 Estados de la protección de sobrecorriente de carga _________________________________ 41 Tabla 12 Configuración de sobrecorriente de carga __________________________________________ 41 Tabla 13 Estados de protección de sobrecorriente de descarga ________________________________ 42 Tabla 14 Configuración de sobrecorriente de descarga _______________________________________ 42 Tabla 15 Estados de protección de sobrecorriente de carga ___________________________________ 43 Tabla 16 Configuración de protección de sobrecarga en descarga ______________________________ 43 Tabla 17 Estados de protección frente a cortocircuito en descarga _____________________________ 44 Tabla 18 Configuración de protección frente a cortocircuitos en descarga ________________________ 44 Tabla 19 Estados de protección por sobretemperatura en carga _______________________________ 45 Tabla 20 Configuración de protección de sobretemperatura en carga ___________________________ 45 Tabla 21 Estados de protección frente a sobretemperatura en descarga _________________________ 46 Tabla 22 Configuración de protección de sobretemperatura en descarga ________________________ 46 Tabla 23 Estado de protección frente a subtemperatura en carga ______________________________ 46 Tabla 24 Configuración de protección frente a subtemperatura en carga ________________________ 47 Tabla 25 Estados de protección frente a subtemperatura en descarga __________________________ 47 Tabla 26 Configuración de protección frente a subtemperatura en descarga _____________________ 47 Tabla 27 Estados de protección por tiempo de precarga ______________________________________ 48 Tabla 28 Configuración de protección por tiempo de precarga _________________________________ 48 Tabla 29 Estados de protección por tiempo en carga rápida ___________________________________ 48 Tabla 30 Configuración de protección por tiempo de carga rápida ______________________________ 49 Tabla 31 Estados de protección por sobrecarga _____________________________________________ 49 Tabla 32 Configuración de protección por sobrecarga ________________________________________ 49 Tabla 33 Estados de FP por subtensión de celda ____________________________________________ 50 Tabla 34 Configuración de subtensión de celda _____________________________________________ 50 Tabla 35 Estados de FP por sobretensión de celda ___________________________________________ 50 Tabla 36 Configuración de FP por sobretensión de celda ______________________________________ 50 Tabla 37 Estados de FP por sobrecorriente de carga _________________________________________ 51 Tabla 38 Configuración de FP por sobrecorriente en carga ____________________________________ 51 Tabla 39 Stados de FP por sobrecorriente de descarga _______________________________________ 51 Tabla 40 Umbrales parámetros FP Sobrecorriente en descarga ________________________________ 51 Tabla 41 Configuración de sobrecorriente de descarga _______________________________________ 51 Tabla 42 Estados de FP por sobretemperatura ______________________________________________ 52
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Tabla 43 Configuración de FP por sobretemperatura _________________________________________ 52 Tabla 44 Estados de fallo permanente por desbalanceo de celdas ______________________________ 52 Tabla 45 Configuración de FP por desbalanceo _____________________________________________ 53 Tabla 46 Estados en FP de fet de carga ____________________________________________________ 53 Tabla 47 Configuración de FP en fet de carga ______________________________________________ 53 Tabla 48 Estados de FP por fet de descarga ________________________________________________ 54 Tabla 49 Configuración de FP por FET de descarga __________________________________________ 54 Tabla 50 Estados de fallo permanente por termistor abierto __________________________________ 54 Tabla 51 Configuración de fallo permanente por termistor abierto _____________________________ 55 Tabla 52 Estimación de la autodescarga en función de la temperatura __________________________ 64 Tabla 53 Diccionario de objetos de la batería _______________________________________________ 71 Tabla 54 Características eléctricas del LT1990 ______________________________________________ 77 Tabla 55 Especificaciones de batería LiFePo4 45Ah __________________________________________ 80 Tabla 56 tabla de especificaciones de batería 10Ah liFePo4 ___________________________________ 85
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Índice de ilustraciones Ilustración 1 Resistencias de sensado de corriente ___________________________________________ 26 Ilustración 2 Transiciones de los mosfets en simulación de descarga ____________________________ 36 Ilustración 3 Transiciones de los mosfets en simulación de carga _______________________________ 37 Ilustración 4 Condiciones Protección Tiempo de carga rápida __________________________________ 49 Ilustración 6 BMSCustom_v1 ____________________________________________________________ 72 Ilustración 7 Mosfets de carga, descarga y precarga _________________________________________ 73 Ilustración 8 Microcontroladores uC1 y uC2 ________________________________________________ 73 Ilustración 9 DCDC conmutado y regulador lineal ___________________________________________ 76 Ilustración 10 Componentes del circuito de balanceo de celdas ________________________________ 78 Ilustración 11 BMS de batería 20A 48V Li-Po _______________________________________________ 79 Ilustración 12 Dimensiones de batería LiFePo4 de 45Ah ______________________________________ 79 Ilustración 13 Placa de control BMS_Control_v1 ____________________________________________ 81 Ilustración 14 Placa de balanceo BMS_Blanaceo_v1 _________________________________________ 82 Ilustración 15 Placa de potencia BMS_power_v1 ____________________________________________ 83 Ilustración 16 Foto de batería 45Ah 48V LiFePo4 ____________________________________________ 83 Ilustración 17 Electrónica de batería 45Ah 48V LiFePo4 ______________________________________ 84 Ilustración 18 Dimensiones de celda prismática de 10Ah liFePo4 _______________________________ 85 Ilustración 19 Vista conjunta le la batería de 10Ah LiFePo4 ___________________________________ 86 Ilustración 20 Conexionado de celdas y balanceo ___________________________________________ 86 Ilustración 21 Protecciones de batería de 10Ah LiFePo4 ______________________________________ 87 Ilustración 22 Placa de control de batería 10Ah LiFePo4 ______________________________________ 88
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Introducción a las BMS
Breve historia de las baterías y justificación de la BMS
Sobre 1800, Volta descubrió que usando ciertos fluidos como conductores para
promover una reacción química entre metales se obtenía un flujo continuo de
electrones. Este hecho llevó a la invención de la pila.
En 1802, el Dr. William Cruickshank diseña la primera pila capaz de ser fabricada en serie.
Colocó placas de cobre intercaladas con placas de zinc. Como electrolito se usaba agua
salada.
En este punto hacemos una distinción entre pila y batería. Si bien en inglés battery
define a todo tipo de baterías, en español se hace distinción entre pila y batería,
utilizando el término batería para las recargables y el término pila para las no
recargables.
No es hasta 1859 cuando se fabrica la primera batería. Hasta ese momento eran celdas
primarias y por tanto no podían ser recargadas. Fue el físico Francés Gaston Planté
quien basándose en la química plomo-ácido consigue un sistema recargable. Este
sistema se sigue usando a día de hoy.
En 1899 el sueco Waldman Jungner descubre la batería de Níquel-Cadmio. El níquel hace
de electrodo positivo y el cadmio de negatio. La carestía en los materiales hace inviable
su comercialización hasta la década de los 50.
En 1960 aparece la pila alcalina, inventada por la empresa Unión Carbide, extendiendo
su uso para dispositivos portátiles.
En 1970 aparece la batería de níquel e hidruro metálico NiMH. Inventada por Standford
Ovshinsky, sustituye el cadmio por una aleación que almacena hidrógeno. Su uso
comercial no llega hasta los 90 con la aparición de la telefonía móvil.
En 1991 comienza la comercialización de las baterías de iones de litio. No obstante fue
inventada en 1912, pero por razones de seguridad en el manejo del litio se retrasó varias
décadas su comercialización.
Los sistemas de gestión de baterías están estrechamente ligados a la aparición de las
baterías recargables y más en concreto a la aparición de las baterías de litio, que exigen
sistemas de protecciones más complejos. Para un funcionamiento correcto y seguro
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necesitan trabajar en unas condiciones apropiadas y de que esto ocurra se ocupará la
BMS.
Podemos ver la evolución en la demanda mundial de baterías recargables en la gráfica
1. Observando la figura, queda claro que la demanda es creciente. Este incremento se
debe al gran uso de baterías de ácido-plomo y sobre todo a las baterías de Li-Ion,
integrada en dispositivos de consumos masivos como móviles o tablets. Este
crecimiento implica a su vez una necesidad cada vez mayor de sistemas de gestión.
Gráfica 1 Evolución en la demanda mundial de baterías secundarias
También podemos observar la evolución en términos de densidad de energía y coste.
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Gráfica 2 Evolución en el coste y densidad de energía de las baterías
De la gráfica 2 se traduce que el coste por Wh. se ha reducido en un periodo de 14 años
en un 91%, si bien esta tendencia fue menor en los últimos años. Este hecho unido al
aumento en la densidad de energía de estos sistemas explican el por qué la demanda es
creciente.
En los últimos años han aparecido muchas variantes de baterías con tecnología de lito,
aportando un amplio abanico de posibilidades para distintas aplicaciones.
En la tabla siguiente se muestran algunas de estas nuevas tecnologías y aplicaciones
típicas de uso.
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Parámetros clave de las Baterías
Podría hacerse una clasificación de las baterías en función de las reacciones
electroquímicas que se producen. Así podemos hablar de celdas de plomo-ácido, Ni-Cd,
Li-Ion, Ni-MH, LiFePO4, Ni-Fe, etc…
Haciendo una comparación de los principales parámetros para cada una de las
tecnologías existentes podremos conocer los pros y contras de cada una y poder decidir
qué opción en la más idónea en cada tipo de aplicación.
Tabla 1 Comparativa de parámetros para diferentes químicas
Si bien los sistemas BMS no son exclusivos para baterías con tecnología de litio, si es
cierto que la sofisticación y amplio uso de estos sistemas electrónicos está íntimamente
ligado a esta tecnología. La razón es clara, ya que si bien las baterías con tecnología de
litio ofrecen características muy ventajosas como puede observarse en la tabla
comparativa, requieren de sistemas de monitorización y protección más exigentes.
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A continuación se describen los parámetros más importantes que definen a una batería.
Densidad de Energía
La densidad de energía de una batería puede expresarse de dos maneras:
La densidad de energía gravimétrica (W-hr/kg) es una medida de la cantidad de energía
almacenada por la batería en función de su peso.
La densidad de energía volumétrica (W-hr/L) es una medida de la cantidad de energía
almacenada por la batería en función de su volumen.
Gráfica 3 Densidad energética para diferentes tecnologías
En la gráfica 3 podemos ver estos parámetros para distintas químicas. Claramente
apreciamos como las baterías de plomo están a la cola en este aspecto mientras que las
baterías con tecnología de litio son las que tienen una mayor densidad energética.
Es importante comparar estos valores de densidad energética con el de la gasolina por
ejemplo, que es unos 12kWh/kg, es decir, de 25 a 50 veces mayor que las baterías de
Litio. Esto da una idea del camino que aún queda por recorrer en el campo de las baterías
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a la hora de reemplazar con total capacidad a otros vectores energéticos como la
gasolina. En este sentido, han aparecido estudios recientes de baterías con tecnología
Litio-Aire que hablan de densidades energéticas por encima de los 10kWh/kg.
En aplicaciones en las que el volumen sea un factor restrictivo, como por ejemplo
Smartphones o tabletas el parámetro de densidad de energía volumétrica será decisivo.
De igual forma, en sistemas en los que el peso sea un factor clave, como pueden ser en
aplicaciones de aeromodelismo, el parámetro de densidad de carga gravimétrica será
determinante.
Voltaje nominal de celda
El voltaje nominal de una celda es el voltaje medido entre sus terminales cuando la celda
ha descargado el 50% del total de su energía.
Tecnología Voltaje nominal (V)
Plomo-Ácido 2
Ni-Cd 1,25
Li-Ion 3,6
LiFePo4 3,2
Tabla 2 Voltaje nominal para diferentes tecnologías
Comparemos el voltaje nominal de dos químicas como son Ni-Cd y Li-Ion. En el caso de
las primeras es de 1,25V mientras que en las celdas de Li-Ion es de 3,6V. Esto significa
que el diseñador necesitará utilizar 3 celdas en serie de Ni-Cd para obtener una tensión
nominal equivalente a utilizar una sola celda de Li-Ion. Esto es un factor importante a la
hora de simplificar el sistema de alimentación aún más cuando por razones de seguridad
o información se han de monitorizar todas las celdas de un sistema.
Estabilidad en voltaje
Si observamos la gráfica 4, la tensión de la celda de Li-Ion sufre una gran variación. Por
el contrario la curva de descarga de la celda de Ni-CD es extremadamente plana. Esto
implica que las celdas de Ni-CD son más estables en tensión y pueden usarse con
reguladores lineales obteniendo buena eficiencia. En el caso de las celdas de Li-Ion será
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recomendable utilizar reguladores conmutados si se pretende tener un sistema
eficiente.
Gráfica 4 Curvas de descarga para diferentes tecnologías de baterías
Auto-Descarga
En el interior de las baterías, sea cual sea su tecnología, en estado de reposo se produce
un cierto nivel de reacción química que se traduce en una corriente de descarga a lo que
comúnmente se le llama autodescarga.
Este parámetro será importante en aplicaciones de bajo consumo, en los que los ciclos
de carga están muy distanciados en el tiempo. En estos casos, debe optarse por químicas
como Li-Ion de baja autodescarga, de modo que el estado de carga no se veo
deteriorado por este factor.
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Según la química de la batería este efecto es más o menos importante
Química % de autodescarga/mes
Plomo-Ácido 4-6%
Ni-Cd 15-20%
Li-Ion 2-3%
LiFePo4 2-3%
Tabla 3 Valores típicos de autodescarga
Otra derivada asociada a este aspecto es la necesidad de un mantenimiento de las
baterías para evitar que la autodescarga lleve a las celdas a niveles de carga
excesivamente bajos que puedan provocar el deterioro o incluso su total inutilización.
Coste
Otro de los parámetros importantes a la hora de decidirnos por una tecnología
determinada es el coste por kWh. A rasgos generales, la tecnología más económica es la
de plomo ácido mientas que la de litio es la más cara.
Si profundizamos algo más en el coste real por kWh habría que considerar otros
aspectos importantes como el número de ciclos de carga y descarga que soportan cada
una de las químicas.
Química Cost ($/kWh)
Plomo-Ácido 100
Ni-Cd 293
Li-Ion 390
LiFePo4 450
Tabla 4 Coste del kWh
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Para hacer una comparación más realista sobre costes, habría que hablar de
$/kwh/ciclo. Hagamos una comparación entre las baterías de plomo-ácido y LiFePo4. El
ciclado de una batería de litio (3000 a 8000) puede ser entre 6 y 10 veces la de una
batería de plomo (500 a 800). Basándonos en los precios de la tabla se tiene que el coste
del litio es de 0,15$/kwh/ciclo mientras que para plomo-ácido 0,2$/kwh/ciclo.
Según esto, en aplicaciones que requieran ciclados continuos será más rentable a largo
plazo el uso de baterías de Litio.
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Tipos de BMS
Según el tipo de batería a gestionar, la BMS contará con características diferenciadas.
Podemos hacer aquí tres tipos de clasificación.
Por la química de las celdas
En el apartado anterior se describieron los parámetros más importantes a la hora de
optar por una u otra tecnología. Por otro lado está el diseño de la BMS, que será muy
dependiente de la química escogida.
Cada tecnología lleva implícita unos aspectos de seguridad y robustez que deben ser
garantizados por la BMS para evitar en lo posible dañar o deteriorar las celdas.
Para exponer esto, se hará una comparación de las tradicionales baterías de plomo-
ácido con una de las tecnologías más recientes como es LiFePo4.
Una celda de LiFePo4 fallará si la tensión de la misma cae por debajo de 2,5V o si
aumenta por encima de 4,2V. Es por esto que requerirán que la BMS monitorice las
tensiones y detenga la descarga en el caso de que haya una subtensión de celda.
Análogamente deberá detener la carga si existe una sobretensión de celda. Una batería
de plomo-ácido puede recuperarse incluso de una descarga total, incluso si se ha
quedado en este estado durante días o semanas.
Por otro lado, las diferencias entre celdas provocan que haya celdas más cargadas que
otras. En el caso de LiFePo4 será necesario BMS con sistemas de balanceos que eliminen
estos desbalanceos o de lo contrario la batería perderá funcionalidad. En el caso de las
baterías de plomo-ácido, se produce un efecto interno de las celdas más cargadas desde
las que fluye una pequeña corriente hacia las celdas menos cargadas. El efecto es una
autoecualización.
Esta descripción explica el por qué la mayoría de las baterías de plomo-ácido no llevan
sistemas electrónicos de monitorización y protección como tal, a diferencia de las
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tecnologías de Litio. Estas últimas son más exigentes en aspectos de seguridad, y por
tanto, deben ir gestionadas por una BMS.
El número de celdas en serie
8.2.1 BMS de una celda en serie La BMS se simplifica en gran medida cuando la batería se compone de una sola celda.
En este caso la monitorización de tensión es única. Desaparece la posibilidad de
desbalanceo de celdas, con lo cual no hay necesidad de mecanismos de balanceo.
Existen en el mercado gran cantidad de sistemas de gestión de una celda. Estos sistemas
integran las protecciones necesarias para garantizar la buena salud de la batería. Un
ejemplo es el BQ2970 de Texas instruments. Cuenta con protecciones de sobrecarga,
sobredescarga, sobrecorriente de carga y de descarga y cortocircuito. Tiene dos drivers
que manejan dos mosfets de modo que abrirá o cerrará estos según el estado de las
protecciones.
Esquemático 1 BQ2970
Otras opciones más completas añaden características de comunicaciones para poder
manejar información referente a la celda como el estado de carga, estado de
protecciones, etc…
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8.2.2 BMS para 2 o más celdas en serie
En el mercado existe gran cantidad de IC con funcionalidades diversas como
monitorización, protección o identificación.
En general, existen IC que actúan como BMS para baterías con un número de celdas no
mayor a 15 en serie. Para sistemas con más de 15 celdas en serie, las posibilidad que
ofrece el mercado son pocas, si bien ha y fabricantes que tienen en su catálogo sistemas
apilables que salvan en cierto modo este problema. Un ejemplo de esto es el LT6803 de
Linear Technology que permite conectar en serie el IC de modo que se puedan
monitorizar una batería con una gran cantidad de celdas.
Hay que tener en cuenta, no obstante, que el LT6803 solo ofrece la posibilidad de
monitorización. Es decir, solo realiza una de las funcionalidades de la BMS, con lo cual
tendremos que utilizar otros integrados que actúen como protecciones.
Con esto podemos entender que cuando se diseñan baterías con grandes potencias,
gran número de celdas, u otras características especiales como comunicaciones CAN,
capacidad de apilamiento… no se ofertan soluciones completas y hay que optar por
diseños customizados.
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Esquemático 2 LTC6803 en configuración serie
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Partes de una BMS
Un sistema de gestión de baterías lo podemos dividir en cuatro partes: Monitorización,
protección, gestión y comunicaciones.
Monitorización
9.1.1 Tensiones de Celda EL sistema debe contar con un convertidor analógico-digital que permita monitorizar los
valores de tensión de las celdas. Esto permitirá tomar decisiones como por ejemplo
detener la carga si hay alguna celda que entra en sobretensión o detener la descarga si
alguna celda tiene una tensión demasiado baja.
El muestreo de las tensiones no requiere una velocidad excesiva teniendo en cuenta que
el carácter principalmente capacitivo de las baterías hace que las variaciones de tensión
sean lentas. Esto implica que las protecciones asociadas a las tensiones no tengan que
ser excesivamente rápidas y por tanto pueden ser manejadas vía software. Velocidades
de muestreo de entre 100ms y 500ms son comunes. Par exigente es la resolución, que
debe garantizar unas medidas adecuadas para realizar con suficiente capacidad
algoritmos como el de balanceo.
Para adaptar las medidas a la entrada del convertidor ADC, dos métodos son los más
comunes, el uso de divisores resistivos y el de amplificadores diferenciales.
9.1.1.1 Divisores resistivos
Se utilizan divisores resistivos de manera que las tensiones de entrada al convertidor
quedan reducidas a valores adecuados para su lectura. Es una forma barata de conseguir
la adaptación si bien tiene dos inconvenientes principales como son la pérdida de
resolución y el consumo (empeoran cuanta más tensión tiene el pack). Además debe
añadirse una etapa seguidora que evite conectar el divisor directamente al ADC.
Observando el esquemático 3, otro aspecto a tener en cuenta es que la medida en el
nodo no es la tensión de la celda sino la suma de las tensiones desde la celda 1 hasta n,
con lo cual debe hacerse en el microcontrolador una operación de resta para obtener la
tensión de cada celda: Vcelln=Vsn-Vsn-1
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Esquemático 3 Medida de voltaje con divisores resistivos
Ejemplo de diseño:
Datos de partida:
Batería de 15 Celdas en serie de LiPo (Vcellmax=4,2V)
ADC de 12 bits con rango de medida de 0 a 3,3V
Lo primero que debemos considerar es la relación del divisor resistivo para evitar que
en la medida del ADC haya más de 3,3V, Ya sea para evitar la saturación de la medida
así como para proteger a la electrónica. Teniendo en cuenta que la tensión máxima a la
que deben trabajar las celdas es 4,2V, consideraremos un rango de medida máximo de
4,5V por celda. Esto equivale a tener una tensión total de 4,5*15= 67,5V. Así, el divisor
resistivo debe tener una relación 3,3/67,5. Por otro lado, la suma del valor de las
resistencias de cada rama debe ser alto para reducir el consumo, pero no excesivamente
alto para evitar que la impedancia de entrada desvirtué la medida a la entrada del
seguidor de tensión.
Como antes se comentó, uno de los problemas de medir con divisores resistivos es la
pérdida de resolución, principalmente en las celdas altas.
Resolución en Celda 1: 4,5/3,3*4096= 0,3mV
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Resolución en celda 15:67,5/3,3*4096= 5 mV
9.1.1.2 Amplificadores diferenciales
Esta es la forma que permite mayor precisión. Cada amplificador diferencial censará el
terminal positivo y negativo de cada celda y su salida se conectará al ADC. El amplificador
debe poder trabajar con rangos de entrada acordes a las tensiones del pack. Para
baterías con un número alto de celdas (>10) las opciones que se encuentran son pocas
y caras. Para la elección del amplificador una característica que debe tener es que sea
de bajo consumo.
Si el número de celdas es grande, la tensión en modo común será alta y esto limitará y
encarecerá el amplificador a utilizar. Una opción es utilizar alimentaciones con tierras
intermedias de manera que el modo común máximo al que se someten los
amplificadores se ve reducido.
Esta solución es cara en tanto en cuando son amplificadores con características muy
específicas, además, deben elegirse con un criterio de bajo consumo.
9.1.2 Corriente En cuanto a la medida de corriente, debemos contar con dos tipos de monitorización.
Por un lado, un hardware que permita a las protecciones actuar de forma rápida ante
eventuales condiciones de cortocircuito. No requiere una medida precisa pero sí rápida,
del orden de us.
Además necesitaremos un muestreo de la corriente que permita al sistema de gestión
llevar un control de la carga y descarga de la batería (contador de Culombios), así como
permitir la actuación de la protección de sobrecorriente en carga o descarga. Esta
medida si debe tener una precisión alta. Si así no lo fuera, el cálculo de culombios podría
desviarse en alto grado del valor real y provocar estimaciones de estado de carga con
errores grandes.
9.1.2.1 Resistencia Rds del mosfet
Consiste en monitorizar la caída de tensión Vds del mosfet para deducir la corriente que
está circulando. Para ello se debe conocer la resistencia Rds.
Es común en sistemas de bajo coste en los que el mecanismo de corte se hace mediante
mosfets y que tienen comunicaciones, con lo cual no se necesita una monitorización de
la corriente. Es un método poco preciso debido a las características de la resistencia
drenador sumidero de los mosfet. Esta Rds es muy dependiente de la tensión de puerta
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y de la temperatura. Esto hace que la precisión de la medida sea baja. A su favor está el
que es el método más económico y eficiente ya que no requiere añadir componentes
extras y por tanto tampoco supone aumento de pérdidas en el sistema.
Ejemplo de diseño:
Datos de partida:
Se utiliza como elemento de protección el BQ2970
Protección de sobrecorriente para 2,5A.
Ya se citó en un apartado anterior el IC BQ2970 de Texas instruments. Este integrado
usa para las protecciones de corriente la resistencia Rds de los mosfets de carga y
descarga. En nuestro caso utilizamos el BQ29700, que tiene un nivel de detección de
sobrecorriente de 100mV (configurado de fábrica). Si observamos el esquemático, esto
implica que entre los nodos A y B, si existe una caída de tensión mayor de 100mV, se
activará la protección de sobrecarga.
Si debe cortar a 4A la Rds de los mosfets debe cumplir Rds<0.1/(2*4)= 12,5mOhm
Esquemático 4 Medida de corriente mediande Rds
Una posible opción es elegir el mosfet CSD17307Q5A, con una Rds (25ºC
3Vgs)=12,8mOhm.
Como ya se ha comentado, este método tiene como inconveniente la falta de precisión
debido a la variaciones que puede sufrir la resistencia Rds. Del datasheet del
componente podemos ver cómo varía Rds en función de la tensión de puerta.
Teniendo en cuenta que la tensión de puerta variará con la tensión de la celda, por tanto
oscilará entre 2,8 y 4,2V, Rds se moverá entre 13 y 10V aproximadamente. Esto quiere
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decir que la precisión en la medida tiene oscilaciones mayores del 20% provocadas por
la tensión de puerta.
Otro aspecto que afecta a Rds es temperatura del mosfet. En el esquemático 5 podemos
ver como para Vgs=3V, la resistencia pasa de 12,5Ohm a 25ºC a 17,5Ohm a 125ºC. Esto
vuelve a enfatizar el hecho de que este método es solo una alternativa en sistemas de
bajo coste, en los que la medida de corriente se realiza solo a efectos de protecciones y
sin la necesidad de precisión.
Gráfica 5 Rds vs Vgs
9.1.2.2 Resistencia shunt
Se basa en colocar una resistencia de valor conocido en el camino de potencia de modo
que la diferencia de tensión sensada en dicha resistencia será proporcional a la corriente
que fluye. Las grandes ventajas de esta técnica son el bajo coste, la precisión y la
velocidad en la medida, mientras que el principal inconveniente son las pérdidas.
Ejemplo de diseño:
Datos de partida:
Corriente máxima de medida 50A
Vsense máxima de 100mV
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Como datos de partida tenemos la corriente máxima que habrá que medir y el rango
máximo de entrada al amplificador de medida.
Según esto, ya tenemos una limitación en el valor de la resistencia máxima a utilizar.
Rsense<0.1/50=2mOhm
Supongamos que queremos aprovechar todo el rango de medida utilizando una
resistencia de 2mOhm. De este modo optimizamos la resolución de la medida.
En términos de potencia, la disipación en la resistencia de sensado para la corriente
máxima es P=0,002*502= 5W.
Tamaño de resistencia Resistencia Térmica (AC/W)
0402 90
0603 63
0805 38
1206 32
2512 25
Tabla 5 Resistencia térmica para distintos encapsulados
La tabla 4 muestra la resistencia térmica para distintos tamaños de resistencia. Según
esto, podríamos poner 5 resistencias de 10mOhm y la temperatura solo subiría unos
25ºC a corriente máxima. Esto en la práctica no es así. El hecho es que esta tabla
considera la resistencia soldada en una PCB ideal que puede absorver toda la
temperatura y sin focos de calor en los alrededores de la resistencia.
Ilustración 1 Resistencias de sensado de corriente
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Si observamos la ilustración 1. Podemos ver 6 resistencias de sensado de tamaño 2512.
En la zona inferior los mosfets de potencia. En efecto, cuando el sistema está a plena
corriente, tenemos focos de calor localizados en cada una de las resistencias y mosfets.
Esto explica que la temperatura real que alcanzan las resistencias es mucho mayor que
la teórica obtenida a partir de la tabla 4.
Es difícil poder cuantificar el incremento en la temperatura que sufrirán las resistenciasa
plena carga, pues esto es muy dependiente de las condiciones ambientales y de como
hemos visto, el rutado y disposición de componentes en la PCB. Como norma práctica,
debe calcularse el conjunto de resistencias para que cada una de ellas disipe como
máximo la 1/4 de su potencia de diseño.
En nuestro caso, tendremos que disipar 5W, con lo que tomando 10 resistencias de
20mOhm y 2W bastaría.
El hecho de limitar el calentamiento de las resitencias de sensado, más allá de evitar
dañarla, se fundamenta en conseguir medidas de corriente precisas. El coeficiente de
temperatura en las resistencias es un factor a tener en cuenta cuando buscamos
medidas con precisión. Este es un factor que suele darse en ppm. Es decir, si una
resistencia tiene un coeficiente de temperatura de 500ppm/ºC quiere decir que su
resistencia cambia un 0,05% por cada grado de variación.
Según esto, supongamos que las resistencias a plena carga incrementa su temperatura
en 75ºC. Si su coeficente de temperatura es de 500ppm/ºC, la variación en la resistencia
es de 3,75%, y esto se traduce en un error en la medida también de 3,75%.
9.1.2.3 Efecto Hall
El principal inconveniente de este método es su alto coste. Su grandes ventajas con
respecto a las resistencia shunt son una mayor eficiencia para grandes potencias y que
ofrecen aislamiento galvánico.
9.1.3 Temperaturas Se usaran sensores que permitan muestrear la temperatura. Este muestreo no requiere
velocidad ni una excesiva precisión. Suele medirse cada segundo.
Una opción muy común por precio y simplicidad es utilizar resistencias NTC.
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Protecciones Es el cometido fundamental de una BMS. Proteger a la batería ante un funcionamiento
inadecuado que pueda provocar un acortamiento en su vida útil, que quede dañada o
que pueda provocar daños en otros equipos o personas.
Las protecciones necesarias y sus valores de configuración dependerán del tipo de
batería a proteger. Se describen a continuación las más comunes.
9.2.1 Circuitos de protección
9.2.1.1 Fusibles
Es conveniente que cada pack lleve un fusible hardware como protección primaria
frente a cortocircuitos en sus bornas. Esto evitará que ante una falla en las demás
protecciones frente a un cortocircuito se pueda provocar daños en equipos y personas
y también impedirá que se produzcan daños irreversibles en la batería por excesiva
corriente de descarga. Este fusible se colocará en el camino de potencia positivo.
Además es aconsejable usar fusibles en los caminos de unión de las celdas y el control.
Con esto protegemos el control ante posibles errores del conexionado además de evitar
descargas inapropiadas de las celdas por mal funcionamiento del control.
9.2.1.2 Mosfet
El uso de mosfets es el modo más común de realizar las protecciones en un sistema
BMS. En general se utilizan un par de mosfets dispuestos en serie en sentido contrario.
El mosfet de carga, en estado OFF impide el flujo de corriente hacia el pack. El mosfet
de descarga, en estado OFF, impide el flujo de corriente desde el pack.
El mosfet de carga no puede bloquear la corriente de descarga pues si el mosfet está en
OFF, la corriente circulará por su diodo parásito. Algo análogo ocurre con la corriente de
carga en el mosfet de descarga.
Una de los aspectos importantes es decidir si cortar en el lado alto o en el lado bajo, es
decir, si colocar los mosfet de corte en el camino positivo del pack (lado alto) o colocarlos
en el camino negativo (lado bajo). Varios son los aspectos que harán decantarnos por
una u otra opción.
9.2.1.2.1 Mosfet en lado alto
Esta es la opción más común es las BMS con comunicaciones de media o baja potencia.
La gran ventaja de contar en el lado alto es el hecho de tener a un potencial común el
terminal negativo de potencia del pack y la tierra del sistema de control. Es decir, se
tiene una tierra bien referenciada al resto del circuito, mientras que al cortar en el lado
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bajo la tierra del pack queda flotante, haciendo que las medidas sean más susceptibles
a ruidos.
Además es posible tener comunicaciones sin la necesidad de que estas sean aisladas,
aspecto que encarece el sistema además de aumentar el consumo de la electrónica de
control.
Si se usan mosfets de canal P, la electrónica de control de puertas es simple, barata, y
de bajo consumo.
El inconveniente de usar mosfets de canal P es que para una misma tensión de bloqueo
son elementos más caros y con mayor resistencia Rds que las alternativas de mosfets de
canal N. Así, solo en las baterías de baja y media potencia es una alternativa adecuada.
Esquemático 5 Protecciones con mosfet P en lado alto
En la siguiente tabla podemos ver una comparativa de las prestaciones de dos mosfets
equivalentes, uno de canal P u otro de canal N. Se observa que el de canal N tiene
mejores características para un mismo coste. Atención especial a la resistencia serie,
que es casi 6 veces menor. Esto implicará que habrá que poner más mosfets P en
paralelo para una misma potencia disipada en relación a la opción con mosfets tipo N,
con lo cual no es un asunto solo de pérdidas sino también de coste y espacio.
Mosfet Coste (€) Vds (V) Ids (A) Rds (mOhm)
SUM110P08 (P) 5 -80 110 9,3
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IPB019N08 (N) 5 80 180 1,6
Tabla 6 comparativa mosfet tip N y tipo P
La otra opción es el uso de mosfets de canal N. En este caso, el principal inconveniente
es que la electrónica de control de puertas se complica, pues requerirá drivers con
bombas de carga o aislados. Esto supone un mayor coste en la electrónica y mayores
consumos. EL consumo se verá compensado con las menores pérdidas en la conducción
con lo que es una opción adecuada en sistemas de media y alta potencia.
9.2.1.2.2 Mosfet en lado bajo
En este caso, los mosfets de protección se sitúan en el camino negativo de los terminales
de potencia del pack. Se usan mosfets de canal N, siendo la electrónica de control de
puertas sencilla. Esta es la configuración más común es sistemas de alta potencia.
En el esquemático siguiente podemos ver un ejemplo de control en el lado bajo.
Esquemático 6 Control de mosfets N en lado bajo
9.2.1.3 Relés
El uso de relés es otra alternativa de protección de baterías. Si bien tiene un alto
consumo debido a la corriente necesaria para polarizar las bobinas, las pérdidas por
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conducción que son un factor importante en los mosfets aquí se hacen prácticamente
nulas, con lo cual esta es una opción solo interesante en sistemas de alta potencia.
Como gran desventaja está el hecho de que no puede distinguir la direccionalidad de la
corriente como ocurre con los mosfets. Hay dos maneras muy comunes de solucionar
esto.
Una es utilizar dos caminos independientes para la carga y la descarga, con sus
correspondientes relés. Esto implicará que exista un bus de carga en el que se conectará
el cargador y otro bus de descarga, ambos independientes.
Esquemático 7 Protecciones con relés y caminos separados de carga y descarga
La otra forma es monitorizar la tensión aguas arriba del relé y decidir si debe activarse
el relé o no. Como ejemplo, supongamos que la batería llega a un final de carga y el relé
se abre. El cargador impondrá en el terminal externo del relé una tensión mayor que la
que tiene la batería. Solo cuando esta tensión sea menor se volverá a activar el relé
permitiendo la descarga de la batería.
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Esquemático 8 Protecciones con un único relé
9.2.1.4 Circuito de Precarga
El circuito de precarga es una característica que no es imprescindible en una BMS pero
sí muy recomendable.
Cuando una batería tiene una o más celdas en un estado excesivamente bajo de tensión,
fuera de los límites de tensiones adecuados lo ideal es realizar una carga lenta para no
dañar irreversiblemente las celdas. Lo ideal sería que el propio cargador del sistema
fuese el que inyecte en la batería una corriente adecuada de precarga.
En general, los cargadores no cuentan con esta característica de modo que es la BMS la
encargada de asegurar una baja corriente. Una forma de hacerlo es utilizar un camino
alternativo al del mosfet de carga. Este camino tendrá un mosfet y un juego de
resistencias. Serán estas resistencias las que limiten la corriente de carga.
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Esquemático 9 Circuito de protecciones con precarga
9.2.1.5 Protecciones en baterías modulares
Cuando se trata de instalaciones de alta potencia, en muchos casos los bancos de
baterías se componen de packs individuales que se conectan ya sea en serie o paralelo
para conseguir sistemas con las características de tensión y corriente determinadas.
Uno de los aspectos más complejos es diseñar los sistemas de protección teniendo en
cuenta estas características de modularidad.
Aquí habría que diferencias entre dos grupos. Por un lado los pack diseñados para
trabajar de forma tanto aislada como en grupos. Por el otro los pack que se diseñan ex
profeso para sistemas modulares.
9.2.1.5.1 Baterías individuales con opción de modularidad
En este caso, la BMS debe tener todas las características necesarias para un correcto
funcionamiento de la batería de forma autónoma. El hecho de tener características de
modularidad hace necesario prestar atención a aspectos tales como los circuitos de
protección.
Ejemplo de diseño:
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Diseño de una batería de 15 celdas LiFePo4 de 50Ah con capacidad de apilamiento de
hasta 3 elementos. El sistema de protecciones es mediante mosfets en el lado bajo de
la batería.
Puesto que la batería tiene 15 celdas de LiFePo4, la tensión máxima del pack será de
15x3,6=54V por tanto los mosfets de protección deben tener una tensión de ruptura
Vds por encima de ese valor. Una buena elección serían mosfets de 80V de tensión
máxima Vds. Hay que considerar en este punto que en general, una mayor tensión de
ruptura implica mayores resistencias Rds y por tanto mayores pérdidas en conducción.
Si el sistema debe ser capaz de gestionar el apilamiento de 3 packs, esto implicará que
los mosfets de protección deban soportar la tensión de los 3 packs en serie.
Par entender esto se simula en simplorer un sistema de 3 packs en serie con la
electrónica de protección de cada uno de los packs.
Simulación de 3 packs en serie frente a descarga:
El circuito de simulación consta de tres baterías con sus respectivos circuitos de
protección. A los terminales de potencia del conjunto se le conecta una carga resistiva.
Esquemático 10 Circuito de simulación de protección de pack
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Esquemático 11 Circuito de simulación de descarga
En la siguiente imagen se indican las transiciones de los mosfes.
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Ilustración 2 Transiciones de los mosfets en simulación de descarga
Podemos ver como entre 0,5 y 1 ms están los tres mosfets de descarga abiertos. La
tensión que soporta cada uno de ellos es de unos 47,4V. En el intervalo de 1,5ms y 2ms
se pone en OFF el mosfet de descarga del pack superior mientras que los otros mosfets
permanecen en ON. Podemos ver que la tensión que bloquea el mosfet es la suma de
las tensiones de los tres packs, aproximadamente 144V.
Gráfica 6 Tensiones Vds de mosfets de descarga en simulación de descarga
Simulación de 3 packs en serie frente a carga:
En este caso, a los terminales de potencia de el conjunto se le conecta una fuente con
una resistencia en serie que simula un cargador. Establecemos una tensión de carga de
162V.
0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50Time [ms]
-25.00
25.00
75.00
125.00
-25.00
25.00
75.00
125.00
-25.00
25.00
75.00
125.00
Curve Info
Qdsg.VDSTR
Qdsg1.VDSTR
Qdsg2.VDSTR
Simplorer1Tensión Mosfet Descarga
Vmax
Vmed
V_dsg V_no_dsg
Name X Y
Vmax 2.8048 143.3982
Vmed 0.7536 47.3998
V_dsg 0.2664 4.8576
V_no_dsg 1.7590 0.0000
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Ilustración 3 Transiciones de los mosfets en simulación de carga
Esquemático 12 Circuito de simulación de carga
Para los mosfets de carga, como podemos ver, el apilamiento es menos exigente.
Vemos como cuando solo hay un mosfet abierto la tensión que soporta es de unos 16V,
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que es la diferencia entre la tensión del cargador y la suma de las tensiones de celdas.
En el peor caso, cuando las celdas estén muy descargadas (2,5V celda) la tensión que
tendría que soportar es de 160-2,5*15*3= 47,5V.
Debería considerarse la posibilidad de que las baterías pudieran estar extremadamente
descargadas, con lo cual hay que sobredimensionar la tensión de ruptura de los mosfets
de carga para contemplar esta casuística.
Gráfica 7 Tensiones Vds de mosfets de carga en simulación de carga
9.2.2 Tipos de Protecciones y fallos permanentes En general, en las BMS se suele distinguir entre protecciones secundarias (temporales)
y protecciones primarias (permanentes). En el caso de las protecciones secundarias, si
desaparece la causa que ha provocado la activación de la protección, el sistema vuelve
a su estado normal. En el caso de protecciones permanentes, el usuario debe actuar
para poder limpiar el fallo.
9.2.2.1 Protecciones
Para describir los diferentes niveles de protecciones que pueden existir en una BMS
describiremos la configuración del IC BQ78350 de Texas instruments. En este caso como
ejemplo se realiza la configuración para una batería de LiFePo4 de 25Ah.
0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50Time [ms]
0.00
5.00
10.00
15.00
0.00
5.00
10.00
15.00
0.00
5.00
10.00
15.00
Curve Info
Qchg.VDSTR
Qchg1.VDSTR
Qchg2.VDSTR
Simplorer1Tensión Mosfet Carga
V_no_chg_min
Vmed
V_chg
Vmax
Name X Y
Vmed 0.7657 5.3333
V_chg 2.2204 0.3389
V_no_chg_min 2.7673 0.0000
Vmax 3.7533 15.9998
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9.2.2.1.1 Protección Subtensión de celda
Debe impedirse descargar las celdas por debajo de un nivel de seguridad para evitar
daños irreversibles en las celdas. Así pues, cuando la tensión de celda pase a tener una
tensión inferior a CUV:Threshold durante un tiempo superior a CUV:Delay la BMS
desactiva el mosfet de descarga.
La recuperación se dará cuando la celda supere la tensión CUV:Recovery.
Tabla 7 Estados de la protección de subtensión de celda
Parámetro Valor configurado
CUV:Threshold 2500 mV
CUV:Delay 2 s
CUV:Recovery 2700 mV
Tabla 8 Configuración de subtensión de celda
9.2.2.1.2 Protección Sobretensión de celda
Las celdas no deben rebasar un determinado nivel de tensión para evitar ser dañadas.
Cuando una celda supera el valor de tensión COV:Threshold durante un tiempo superior
a COV:Delay la BMS desactiva el mosfet de carga.
La recuperación se da cuando la celda cae por debajo del nivel COV:Recovery.
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Tabla 9 Estados de la protección de sobretensión de celda
Parámetro Valor configurado
COV:Threshold 3600 mV
COV:Delay 2 s
COV:Recovery 3550 mV
Tabla 10 Configuración de sobretensión de celda
9.2.2.1.3 Protección Sobrecorriente en carga
En la información asociada a la batería, el fabricante debe indicar la corriente máxima
de carga. Hay que distinguir entre corriente máxima de carga, la cual en ningún caso
debe superarse para evitar estropear la batería. Por otro lado está la corriente nominal
de carga, que generalmente es 1C, y que es la corriente de carga recomendable para
prolongar la vida útil de la batería.
Cuando la corriente de carga sobrepasa el nivel OCC:Threshold durante un tiempo
superior a OCC:Delay se desactiva el mosfet de carga.
Si durante un tiempo superior a OCC:Recovery Delay la corriente es menor que
OCC:Recovery Delay el mosfet de carga se activa.
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41
Tabla 11 Estados de la protección de sobrecorriente de carga
9.2.2.1.4 Protección Sobrecorriente en descarga
Al igual que existe una corriente máxima de carga, el fabricante debe indicar la máxima
corriente de descarga continua. Por lo general será varias veces la corriente máxima de
carga.
Cuando la corriente de descarga (valor negativo) es menor que OCD:Threshold durante
un tiempo superior a OCD:Delay se desactiva la descarga.
Si durante un tiempo superior a OCD:Recovery Delay la corriente es menor que
OCD:Recovery Delay el mosfet de carga se activa.
Parámetro Valor de configuración
OCC:Threshold 10000 mA
OCC:Delay 6 s
OCC:Recovery Threshold 50 mA
OCC:Recovery Delay 5 s
Tabla 12 Configuración de sobrecorriente de carga
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Tabla 13 Estados de protección de sobrecorriente de descarga
Parámetro Valor de configuración
OCD:Threshold -27500 mA
OCD:Delay 6 s
OCD:Recovery Threshold -50 mA
OCD:Recovery Delay 5 s
Tabla 14 Configuración de sobrecorriente de descarga
9.2.2.1.5 Protección Sobrecarga en descarga
Esta protección permite proteger frente a la descarga de corrientes mayores que en la
protección de forma mucho más rápida.
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Tabla 15 Estados de protección de sobrecorriente de carga
Parámetro Valor de configuración
AOLD:Latch Limit 3
AOLD:Counter Dec Delay 5 s
AOLD:Recovery 2 s
AOLD:Reset 30 s
AOLD:Threshold and Delay 68
Tabla 16 Configuración de protección de sobrecarga en descarga
9.2.2.1.6 Protección Cortocircuito en descarga
Esta es la protección de corriente más rápida. Permite proteger a las celdas frente a
contocircuitos y la velocidad de corte es configurable desde algunos uS.
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Tabla 17 Estados de protección frente a cortocircuito en descarga
Parámetro Valor de configuración
ASCD:Latch Limit 3
ASCD:Counter Dec Delay 5 s
ASCD:Recovery 2 s
ASCD:Reset 30 s
ASCD:Threshold and Delay 82
Tabla 18 Configuración de protección frente a cortocircuitos en descarga
9.2.2.1.7 Protección Sobretemperatura en carga
Permite detener la carga cuando la temperatura de alguna celda alcanza valores
excesivamente altos.
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Tabla 19 Estados de protección por sobretemperatura en carga
Parámetro Valor de configuración
OTC:Threshold 55.0 degC
OTC:Delay 2 s
OTC:Recovery 50.0 degC
Tabla 20 Configuración de protección de sobretemperatura en carga
9.2.2.1.8 Protección Sobretemperatura en descarga
Permite detener la descarga si la temperatura de alguna celda es excesivamente alta.
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Tabla 21 Estados de protección frente a sobretemperatura en descarga
Parámetro Valor de configuración
OTD:Threshold 60.0 degC
OTD:Delay 2 s
OTD:Recovery 55.0 degC
Tabla 22 Configuración de protección de sobretemperatura en descarga
9.2.2.1.9 Protección Subtemperatura en carga
Permite detener la carga si la temperatura de alguna celda es excesivamente baja.
Tabla 23 Estado de protección frente a subtemperatura en carga
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Parámetro Valor de configuración
UTC:Threshold 0.0 degC
UTC:Delay 2 s
UTC:Recovery 5.0 degC
Tabla 24 Configuración de protección frente a subtemperatura en carga
9.2.2.1.10 Protección Subtemperatura en descarga
Permite detener la descarga si la temperatura de alguna celda es excesivamente baja.
Tabla 25 Estados de protección frente a subtemperatura en descarga
Parámetro Valor de configuración
UTD:Threshold 0.0 degC
UTD:Delay 2 s
UTD:Recovery 5.0 degC
Tabla 26 Configuración de protección frente a subtemperatura en descarga
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9.2.2.1.11 Protección Tiempo de precarga
Cuando el tiempo de precarga excede el valor PTO:Delay se detiene la precarga
Tabla 27 Estados de protección por tiempo de precarga
Parámetro Valor de configuración
PTO:Charge Threshold 100 mA
PTO:Suspend Threshold 90 mA
PTO:Delay 1800 s
PTO:Reset 10 mAh
Tabla 28 Configuración de protección por tiempo de precarga
9.2.2.1.12 Protección Tiempo de carga rápida
Cuando el tiempo en carga rápida excede el valor CTO:Delay se detiene la carga.
Tabla 29 Estados de protección por tiempo en carga rápida
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Ilustración 4 Condiciones Protección Tiempo de carga rápida
Parámetro Valor de configuración
CTO:Charge Threshold 1000 mA
CTO:Suspend Threshold 900 mA
CTO:Delay 54000 s
CTO:Reset 10 mAh
Tabla 30 Configuración de protección por tiempo de carga rápida
9.2.2.1.13 Protección Sobrecarga
Cuando la capacidad almacenada en la batería supera lacapacidad de carga completa
más un valor OC:Threshold se detiene la carga.
Tabla 31 Estados de protección por sobrecarga
Parámetro Valor de configuración
OC:Threshold 1500 mAh
OC:Recovery 10 mAh
OC:RSOC Recovery 90 %
Tabla 32 Configuración de protección por sobrecarga
9.2.2.2 Fallos permanentes
9.2.2.2.1 Fallo permanente por Subtensión de celda
Cuando alguna celda del pack alcanza valores de tensión extremandamente bajos se
activa el fallo permanente.
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Tabla 33 Estados de FP por subtensión de celda
Parámetro Valor de configuración
AFE SUV:Delay 50
AFE SUV:Threshold 2000 mV
Tabla 34 Configuración de subtensión de celda
9.2.2.2.2 Fallo permanente por Sobretensión de celda
Cunando alguna celda alcanza un nivel de tensión extremadamente alto se activa el fallo
permanente.
Tabla 35 Estados de FP por sobretensión de celda
Parámetro Valor de configuración
AFE SOV:Delay 50
AFE SOV:Threshold 3700 mV
Tabla 36 Configuración de FP por sobretensión de celda
9.2.2.2.3 Fallo permanente por Sobrecorriente en carga
Cuando la corriente de carga es excesivamente alta se activa el fallo permanente.
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Tabla 37 Estados de FP por sobrecorriente de carga
Parámetro Valor de configuración
SOCC:Threshold 12500 mA
SOCC:Delay 5 s
Tabla 38 Configuración de FP por sobrecorriente en carga
9.2.2.2.4 Fallo permanente por Sobrecorriente en descarga
Se activa el fallo permanente cuando las corriente de descarga es excesivamente alta.
Tabla 39 Stados de FP por sobrecorriente de descarga
Tabla 40 Umbrales parámetros FP Sobrecorriente en descarga Parámetro Valor de configuración
SOCD:Threshold -30000 mA
SOCD:Delay 5 s
Tabla 41 Configuración de sobrecorriente de descarga
9.2.2.2.5 Fallo permanentes por Sobretemperatura
Cuando el sensado de temperaturas indica que la temperatura de celda es mayor que
SOT:Threshold durante un tiempo mayor a SOT:Delay se activará el fallo permanete.
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Tabla 42 Estados de FP por sobretemperatura
Parámetro Valor de configuración
SOT:Threshold 65.0 degC
SOT:Delay 5 s
Tabla 43 Configuración de FP por sobretemperatura
9.2.2.2.6 Fallo permanente por desbalanceo de celdas
Cuando hay un desbalanceo excesivo entre celdas que supera el umbral VIMR:Delta
Threshold se activará el fallo permanente siempre que se cumplan unas condiciones de
tensión y corriente.
Tabla 44 Estados de fallo permanente por desbalanceo de celdas
Parámetro Valor de configuración
VIMR:Check Voltage 3400 mV
VIMR:Check Current 10 mA
VIMR:Delta Threshold 300 mV
VIMR:Delta Delay 5 s
VIMR:Duration 100 s
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Tabla 45 Configuración de FP por desbalanceo
9.2.2.2.7 Fallo permanente en FET de carga
Cuando el mosfet de carga esta en modo OFF, la corriente sensada debe ser próxima a
0 o negativa, pues lo contrario sería indicativo de un mal funcionamiento en el mosfet.
Así, cuando CHG FET está en OFF y la corriente es menor que DFET:OFF Threshold
durante un periodo de tiempo mayor a CFET:OFF Delay, el fallo permanente se activa.
EL valor de CFET:OFF threshold debe configurarse de tal modo que no se produzcan
activaciones del fallo indeseadas debidos a derivas en la medida de la corriente.
Tabla 46 Estados en FP de fet de carga
Parámetro Valor de configuración
CFET:OFF Threshold 75 mA
CFET:OFF Delay 5 s
Tabla 47 Configuración de FP en fet de carga
9.2.2.2.8 Fallo permanente en FET de descarga
Cuando el mosfet de descarga esta en modo OFF, la corriente sensada debe ser próxima
a 0 o positiva, pues lo contrario sería indicativo de un mal funcionamiento en el mosfet.
Así, cuando DSG FET está en OFF y la corriente es menor que DFET:OFF Threshold
durante un periodo de tiempo mayor a DFET:OFF Delay, el fallo permanente se activa.
EL valor de DFET:OFF threshold debe configurarse de tal modo que no se produzcan
activaciones del fallo indeseadas debidos a derivas en la medida de la corriente.
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Tabla 48 Estados de FP por fet de descarga
Parámetro Valor de configuración
DFET:OFF Threshold -75 mA
DFET:OFF Delay 5 s
Tabla 49 Configuración de FP por FET de descarga
9.2.2.2.9 Fallo permanentes en termistor abierto
Cuando un termistor se desconecta del sensado, el resultado es que la temperatura
medida cae a valores extremos. Así cuando la temperatura sensada está por debajo de
Open Thermistor:Threshold durante un tiempo mayor a Thermistor:Delay, el fallo
permamente se activa.
Tabla 50 Estados de fallo permanente por termistor abierto
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Parámetro Valor de configuración
Open Thermistor:Threshold -50.0 degC
Open Thermistor:Delay 5 s
Tabla 51 Configuración de fallo permanente por termistor abierto
Gestión
9.3.1 Balanceo El balanceo es una de los aspectos cruciales de una BMS. Más allá de actuar como
protección ante condiciones inadecuadas para la batería de manera que se evite el dañar
a las celdas, una buena gestión del balanceo permitirá completar los ciclos de carga y
descarga óptimamente de modo que se aproveche la capacidad energética disponible
en la batería.
Se justificó brevemente en el apartado 8.1 el porqué de la necesidad de una BMS en
baterías con tecnología de litio. El desbalanceo entre celdas ocurrirá siempre en
cualquier tipo de batería, en mayor o menor medida. Hay cuatro causas principales para
este desbalanceo.
Causas de desbalanceo de celdas:
Cuando se hace un montaje de una batería con celdas a distinto nivel de carga.
Esto debería evitarse ya que complica la puesta a punto de la batería en tanto en
cuando podría necesitar varios ciclos de carga y descarga para conseguir una
buena ecualización de modo que ya se pueda extraer la capacidad esperada de
la batería.
Cuando se montan celdas con el mismo estado de carga pero distinto historial
de ciclado. En este caso, si bien a priori el sistema está balanceado, el
desbalanceo empezará a hacerse evidente de forma rápida. EL mayor problema
de este desbalanceo es que más allá de poderse corregir mediante la gestión de
la BMS, volverá a aparecer en cuanto se realicen ciclos rápidos de carga y
descarga. En la práctica, el usar celdas idénticas con distinto ciclado tiene un
efecto similar a poner celdas con distinta capacidad, pues como es bien sabido,
las celdas pierden capacidad de carga/descarga conforme son cicladas. Esto es
por tanto algo que ha de evitarse.
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Por las propias diferencias entre celdas producto de tolerancias en la fabricación.
Estas diferencias son causa de pequeñas desviaciones de la capacidad real con
respecto a la de diseño, de diferentes corrientes de autodescarga, etc… Este es
el caso más común de desbalanceo. Las pequeñas diferencias de funcionamiento
entre celdas se podrá compensar con el algoritmo de balanceo de la BMS de
modo que en la práctica no deberíamos ver problemas graves de desbalanceo.
Este es el caso normal de causa de desbalanceo y que no puede evitarse. A lo
sumo se debe optar por fabricantes que garanticen desviaciones pequeñas en el
comportamiento de las celdas para así eludir en lo posible este problema.
En muchos casos, es la propia BMS la que provoca efectos de desbalanceo.
Principalmente en baterías con un número de celdas por encima de 4, se suelen
utilizar escalones de alimentación de modo que grupos de celdas alimentan
partes de la electrónica, y así pedir de forma equivalente a cada celda. En la
realidad lo que ocurre es que hay celdas que contribuyen más a la alimentación
de control que otras y esto a largo plazo podría ser causa de un desbalanceo de
celdas. El sistema de gestión de balanceo debe ser capaz de contrarrestar este
efecto, que además es a muy largo plazo pues los consumos de los sistemas de
gestión son de muy poca potencia.
El problema principal del desbalanceo, y por lo cual hay que minimizarlo en lo posible,
es que reduce la capacidad real de la batería. Imaginemos una batería con 2 celdas Li-
Ion de 1Ah de capacidad en serie. Tenemos por tanto una batería de 7,2V 1Ah.
Supongamos ahora que la celda 1 está al 25% de estado carga, mientras que la celda 2
está al 75% de estado de carga. Si ahora comenzamos a cargar la batería cuando se haya
inyectado 0,25Ah la celda 2 estará completamente cargada y la BMS detectará una
tensión alta en esta celda con lo que detendrá la carga. En este estado tenemos
entonces que la celda 2 está al 100% mientras que la celda 1 está al 50%. Si ahora
realizamos una descarga ocurrirá que cuando la celda 1 esté al 0% de estado de carga
se habrá descargado 0,5Ah. Como vemos el efecto es que la capacidad real de la batería
ha pasado de 1Ah teórico a 0,5Ah.
9.3.1.1 Balanceo pasivo
Es el balanceo más usado. Se basa en descargar la celda o celdas más cargadas mediante
una resistencia. Las grandes ventajas del modo pasivo son el bajo coste de componentes
y la simplicidad en el diseño y control. Obviamente, el gran inconveniente es que toda
la energía manejada en el proceso de balanceo es una energía perdida.
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Esquemático 13 Ejemplo de balanceo pasivo de 3 celdas
El algoritmo básico se puede hacer más complejo teniendo en cuenta otras variables de
decisión como puedan ser la tensión de celda o el modo en el que se encuentre la
batería.
Por un lado, es conveniente establecer una tensión mínima de celda para la cual la
gestión de balanceo se desactiva. Esto garantiza que en sistemas con bajo estado de
carga de las celdas, el balanceo las descargue aún más.
Otra configuración habitual es permitir el balanceo solo cuando la batería se encuentra
en modo carga. Imaginemos la batería con un estado de carga X, y se deja durante
semanas o meses sin uso. Si el balanceo actúa, puede provocar que el estado de carga
real al cabo de las semanas sea muy diferente al que indica la batería. Por otro lado, en
un proceso de carga completo se produce la actualización del estado de carga del
sistema, con lo cual no afecta en este aspecto el tener activado el balanceo.
El dimensionado del circuito de balanceo se basa en decidir la corriente máxima de
balanceo. Este valor debe ser un compromiso entre varios aspectos. Por un lado,
interesarán corrientes altas de modo que un posible desbalanceo sea corregido lo más
rápidamente posible por la BMS. Por el contrario, sobredimensionar este circuito implica
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utilizar mosfets y resistencias de mayor potencia, con lo que esto supone en coste de
componentes así como en espacio para la electrónica.
En la gráfica 5 podemos ver los tiempos vs corriente de balanceo para diferentes
capacidades. Se considera este tiempo como el necesario para descargar
completamente una celda desde el 100% de carga a una determinada corriente de
balanceo.
Gráfica 8 Tiempos máximos de balanceo según corriente y capacidades
Un parámetro que podría a priori fijar los mínimos admisibles en la corriente de
balanceo es la autodescarga teórica de las celdas. El balanceo deberá ser siempre mayor
que esta corriente de descarga para poder contrarrestar como mínimo este efecto.
Supongamos una batería de LiFePo4 de 50Ah. Como se indicó en un apartado anterior,
las celdas de LiFePo4 tienen una corriente de autodescarga máxima del 3% al mes. Para
una celda de 50Ah esto equivale a 50*0,03=1,5Ah la pérdida de capacidad mensual. Lo
que se traduce en 2mA de corriente de autodescarga.
Por otro lado, si diseñamos el circuito de balanceo para esta corriente, un balanceo
bruto de una celda llevaría 50/0,002 horas, es decir, casi 3 años para conseguir un
balanceo.
El criterio de diseño por tanto debe estar más orientado a las limitaciones de coste y
espacio que a factores como la autodescarga. Una buena estimación es considerar una
corriente de balanceo 100 veces menor que la capacidad de la celda.
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Ejemplo de diseño:
Datos de partida:
Celda de LiFePo4 y 50Ah
Corriente máxima de balanceo de C/100
Considerando que las celdas de LiFePo4 trabajan a una tensión máxima de 3,6V tenemos
que la resistencia de descarga debe ser 3,6*100/50= 7,2Ohm.
La potencia máxima disipada en las resistencias será 3,62/7,2=1,8W. Por el criterio ya
comentado en un apartado anterior de dimensionar x4 en término de potencia tenemos
que una solución es usar 4 resistencias en paralelo de 30 Ohm 2W.
9.3.1.2 Balanceo activo
Son diferentes los métodos para realizar el balanceo activo, pero en general, los
principales inconvenientes de este tipo de balanceo son:
Complejidad y coste de la electrónica asociada al balanceo
Complicación en la gestión del balanceo
Ruidos de conmutación
La gran ventaja del balanceo activo es que consigue que parte de la energía implicada
en el balanceo vuelva a las celdas.
A continuación veremos diferentes métodos
9.3.1.2.1 Balanceo con carga capacitiva
Se basa en cortocircuitar la celda más cargada a un condensador y a continuación vaciar
este sobre la celda adyacente más descargada. Este método tiene muchas limitaciones.
Por un lado la electrónica de conmutación debe poder manejar los picos de corriente
que se producirán en los procesos de carga y descarga. Las pérdidas de energía pueden
estar en torno a un 50%. Otro problema es que la capacidad de transferencia de energía
es proporcional a la diferencia de tensiones entre las celdas de carga y descarga con lo
que el balanceo será efectivo solo en los extremos de los ciclos de carga por ser las zonas
donde se darán las mayores diferencias de tensión entre celdas.
Estos picos de corriente además provocarán ruido en la electrónica de control que debe
ser tenido muy en cuenta para evitar problemas en las medidas.
El balanceo se hará lento a medida que haya más celdas en serie. Supongamos que hay
3 celdas en serie. Siendo la celda 1 la más cargada y la celda 3 la más descargada. Lo
ideal sería cargar el condensador con la celda 1 y descargarlo en la 3, pero como no son
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celdas adyacentes primero se tendrá que transferir potencia de la 2 a la 3 a menor ritmo
y luego desde la 1 a la 2.
Esquemático 14 Balanceo con carga capacitiva
9.3.1.2.2 Balanceo con carga inductiva
Este método aprovecha la carga de una bobina desde la celda más cargada para luego
volcar la energía almacenada en dicha bobina en la celda adyacente más descargada.
Mejora el aspecto de eficiencia con respecto a la carga capacitiva principalmente por el
hecho de que los picos de corriente provocados por la topología capacitiva desaparecen.
Esto permite además rebajar los requerimientos en términos de corriente de los
componentes involucrados en el balanceo.
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Esquemático 15 Balanceo con carga inductiva
En términos de eficiencia de operación se puede conseguir hasta un 90%. Otra gran
ventaja con respecto a modo capacitivo es que el equilibrio se puede conseguir con
independencia de los voltajes individuales de las celdas.
Como aspectos negativos, además de incrementar los costes y espacio de los circuitos
de balanceo, puede generar problemas de ruido que deben ser tenidos en cuenta.
También, al igual que en el caso de balanceo con carga capacitiva, el proceso puede
ralentizarse si hay celdas intermedias entre las celdas con valores de carga extremos.
9.3.2 Estimación de estado de carga SOC El estado de carga, conocido por sus siglas en inglés de State Of Charge ( SOC), es el valor
de medida más importante de cara al usuario final de una batería y a la vez el más difícil
de medir. Es el SOC el que debe dar una estimación real del estado de carga que tiene
la batería en cada momento.
El SOC viene dado como un porcentaje que indica la capacidad actual de la batería con
respecto a la capacidad total. Son diferentes las formas de poder hacer esta estimación,
siendo las dos más frecuentes la estimación por voltaje y el contador de culombios.
9.3.2.1 Estimación por voltaje
Este método se basa en la relación que existe entre la tensión de la batería y la capacidad
disponible. Es un método poco preciso por diferentes motivos.
Las baterías tienen una curva de tensión frente a estado de carga poco lineal, aún más
en el caso de baterías basadas en Litio. Veamos la tensión en circuito abierto en función
de la capacidad parta una celda de LiFePo4.
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Podemos apreciar como en los extremos de la curva, pequeñas variaciones de la
capacidad almacenada provocan variaciones apreciables en la tensión. Sin embargo,
para la mayor parte del ciclo de carga, hay poco cambio en la tensión para grandes
variaciones del estado de carga. Esto implica que en esta zona intermedia, la precisión
de la estimación será baja. También podemos deducir que son en los extremos del ciclo
si puede ser la medida de voltaje un método aceptable.
Otro problema con el que tropieza este método es la impedancia de la batería, que
conlleva un cambio en la tensión en función de diferentes variables. La principal causa
es la corriente. En la siguiente gráfica se comparan curvas de descarga para diferentes
ratios de corriente.
Podemos ver que para un 50% de carga, la tensión puede oscilar entre unos 3,3V cuando
se descarga 1A y 2,7V cuando se descarga a una tasa de 40A.
2,5
2,7
2,9
3,1
3,3
3,5
3,7
0 20 40 60 80 100
Ten
sió
n (
V)
%SOC
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Además de la corriente, otros factores que influyen en la curva de tensión frente a
capacidad son la temperatura o el envejecimiento de la batería.
La profundidad de descarga (DOD) es un método alternativo al SOC para estimar el
estado de carga de la batería. Se entiende un 100%DOD cuando la batería está
completamente vacía.
En la gráfica superior podemos ver la profundidad de descarga para diferentes
temperaturas. Cuanto menor es la temperatura de la batería, mayor es la resistencia
interna, de modo que para una corriente de descarga determinada, la tensión es menor
y alcanza antes la tensión mínima. El resultado es que la capacidad de descarga es mayor
cuanto mayor es la temperatura.
Es por tanto palpable que este es un método con bastantes limitaciones solo usado en
sistemas de bajo coste y bajo consumo.
9.3.2.2 Estimación con contador de Culombios
Se basa en medir la corriente que entra y sale de la batería. Idealmente, si suponemos
una batería con un 0% SOC y comenzamos a cargarla, tendremos un contador de
culombios que empieza a incrementarse. Comparando este contador con la capacidad
total de la batería podremos conocer el estado actual de carga. Una vez cargada
completamente la batería tendremos un 100% SOC. Si ahora se realiza una descarga
debería llegarse al 0% justo en el momento en el que la batería queda completamente
descargada. Si bien se considera el mejor método para la estimación del SOC, tiene sus
carencias.
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Por un lado, presupone conocida la capacidad total de la batería, pero como bien
sabemos, este parámetro disminuye en el tiempo a medida que la batería es ciclada. Por
tanto a de complementarse con un método que actualice el valor de la carga total de la
batería cada cierto tiempo.
Otro aspecto a considerar es que los procesos de carga y descarga consumen energía de
modo que la energía que sale de la batería en un proceso de descarga completo es
menor que la energía necesaria para el proceso de carga.
Otro factor a tener en cuenta es la autodescarga. Si bien, en baterías como LiFePo4 las
tasa de autodescarga son bajas (2-4%mes), este proceso de autodescarga puede generar
errores importantes en la estimación si la batería sufre grandes periodos de inactividad
o se almacena a temperaturas altas.
De forma análoga a la autodescarga, el consumo de la electrónica también generará
errores de estimación.
Una manera de compensar los efectos de la autodescarga y el consumo de la electrónica
es que la BMS cuantifique este efecto y lo gestione. Es decir, se puede configurar una
corriente de consumo por la electrónica de modo que se tenga en cuenta en la
estimación del estado de carga. De igual manera con la autodescarga. En este caso se
mejora la compensación si además estas autodescarga es dependiente de la
temperatura.
En la siguiente tabla se muestra como una BMS cuantifica la autodescarga a partir de un
valor de configuración Y y la temperatura de las celdas.
Tabla 52 Estimación de la autodescarga en función de la temperatura
9.3.2.3 Estimación por Contador de culombios con compensación de final de carga
Vistas las limitaciones de los métodos antes descritos, cuando se pretende tener una
estimación de carga con ciertas garantías se recurre a un método mixto.
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La base de la estimación es el contador de culombios. De modo que en los procesos de
carga la batería incrementa el contador RC (Remaining Capacity), mientras que en los
procesos de descarga RC se decrementa. La relación entre el valor de este contador y el
valor de la capacidad de carga completa de la batería FFC (Full Charge Capacity) dará el
%SOC.
Como antes se comentó, FCC no es un valor constante. Inicialmente se configura igual a
la capacidad de diseño de la batería. Con el paso del tiempo y los ciclos de carga y
descarga irá disminuyendo. Una manera de actualizar este valor es mediante una
descarga cualificada de la batería. Con descarga cualificada nos referimos a una descarga
que pueda considerarse como una descarga desde un estado cercano a la carga
completa hasta un estado cercano a la descarga completa. Además habrá otros
requisitos para que la descarga sea cualificada como valores máximos y mínimos de
corriente o que la descarga no sea interrumpida. Será necesario realizar descargas
cualificadas cada cierto tiempo para tener un valor actualizado de FCC.
Por otra parte, se hará uso de la estimación por voltaje cuando la batería se encuentre
muy descargada. Ya vimos que en los extremos de la curva de carga, las variaciones en
la tensión permiten estimar de forma razonable cambios en el estado de carga.
Generalmente lo que se hará es configurar un nivel de tensión de celda asociado a un
valor de %SOC de modo que cuando una celda caiga por debajo de este nivel, el %SOC
se actualiza al valor configurado. Hay diferentes maneras de realizar esto. En algunos
casos se configuran distintos niveles (7%, 3% y %SOC por ejemplo).
Una mejora de este método es utilizar niveles de tensión dependientes de la
temperatura y de la corriente de descarga.
De este modo, aunque se complica en gran medida el algoritmo de estimación de carga,
se consiguen grandes resultados.
9.3.3 Comunicaciones La capacidad de comunicación con otros componentes de un sistema es otras de las
funcionalidades propias de una BMS.
A excepción de baterías de muy baja capacidad para sistemas de bajo consumo, en los
que la BMS gestiona únicamente protecciones, la capacidad de comunicación es esencial
para una buena integración de la batería. Es obvio que en BMS con características como
por ejemplo la de estimación de capacidad, se hace imprescindible una interfaz de
comunicaciones hacia el exterior que pueda reportar este tipo de datos.
En BMS de perfil bajo, las comunicaciones pueden ser tan simples como pines que
cambian su nivel para indicar cambios en la batería, como puedan ser la activación de
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una protección o que el sistema esté en carga o descarga. Con este tipo de interfaz, es
evidente que queda muy limitada la capacidad de transferir información de la BMS.
Uno de los estándares en comunicaciones de sistemas de gestión de baterías de
pequeña y mediana potencia es el protocolo SMBus. Cuando hablamos de baterías para
aplicaciones de alta potencia, uno de los protocolos más comúnmente utilizados el
CANopen. Es el caso de las baterías de vehículos eléctricos por ejemplo.
9.3.3.1 SMbus
Toma el nombre de sus siglas en inglés System Management bus. Es un bus bidireccional
(two-wire), lo cual indica que la transmisión se puede dar en dos direcciones. Deriva del
protocolo serie I2C.
El protocolo I2C puede trabajar a diferentes velocidades. El I2C estándar trabaja como
máximoa 100Khz de frecuencia de reloj, pero puede alcanzar velocidades mayores en
los modos fast y high-speed. En cambio, el protocolo SMbus solo trabaja entre 10kHz y
100Khz.
9.3.3.1.1 Especificaciones eléctricas
Utiliza dos líneas, una de datos serie (SDA) y otra de reloj serie (SCL). Estas líneas deben
estar conectadas por resistencias de pull-up a la alimentación. SCL es la línea de reloj y
es utilizada para sincronizar la transferencia de datos. Ambas líneas estarán conectadas
a todos los dispositivos. Son de drenador abierto, lo cual indica que los dispositivos
pueden forzar la línea a nivel bajo.
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En el esquemático superior podemos ver las resistencias de pull-up R1 y R2. Por otro
lado el conjunto de resistencias de 100 Ohms y los diodos zener se utilizan como
protecciones ante sobretensiones y tensiones negativas.
Cuidado especial debe tenerse a la hora de elegir los componentes. Por un lado, las
resistencias de pull-up interesan que sean de un valor alto de cara a reducir pérdidas.
No hay que olvidar que en el diseño de una BMS, el consumo de la electrónica es un
aspecto vital. Por otra parte, hay dos efectos negativos de cara a poner resistencias de
excesivo valor. Por un lado, las comunicaciones se hacen menos inmunes a ruidos.
Además, la capacidad parásita de la línea puede hacer que las transiciones en las líneas
sean lentas, limitando el ancho de banda de la comunicación. De igual modo, ha de
tenerse en cuenta la capacidad parásita del diodo zener para no tener problemas por el
mismo motivo antes indicado.
9.3.3.1.2 Direccionamiento
Los dispositivos pueden ser maestros o esclavos. EL maestro será el que maneje la línea
de reloj SCL. Una trama de comunicación solo podrá iniciarse por un maestro. Es un
protocolo multimaestro, lo cual implica que más de un dispositivo puede actuar como
maestro en un determinado momento. No obstante, la topología más común es la de
un único dispositivo que actúa como maestro y varios dispositivos esclavos.
El direccionamiento puede ser de 7 o de 10 bits.
SMbus fija unas direcciones de esclavo según el tipo de dispositivo
9.3.3.1.3 Comandos estándar
El protocolo SMbus cuenta con un set de comandos estándar definido en las
especificaciones de sistemas de baterías inteligentes. De este modo, una determinada
petición tiene asociado un comando único, con independencia del fabricante o tipo de
BMS.
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9.3.3.2 CANopen
CANopen es un protocolo de nivel de aplicación basado en CAN (controller área
network). Es un bus de tipo serie. Los dispositivos controladores CAN se conectan al bus
por medio de un tranceptor.
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La capa física consta de 2 pares trenzados con resistencias de 120 Ohm en los finales de
línea. La velocidad de transmisión depende de la distancia del bus, con un máximo de
1Mbit a 40 metros y 50kbit a 1km.
Permite un máximo de 127 nodos en el bus.
Una de las características clave es que es altamente inmune a interferencias EMI, lo cual
lo hace una opción válida en sistemas de potencia.
Cada dispositivo de un cierto tipo, sea del fabricante que sea, comunica sus funciones
básicas mediante el mismo perfil.
En CANopen existen 3 tipos de mensajes básicos:
o PDO, son mensajes que se mandan periódicamente y que contienen una información que depende del tipo de dispositivo y del fabricante. Todos los dispositivos tienen algunos que son obligatorios su uso, pero otros los puede configurar el fabricante a su antojo.
o SDO, son mensajes de petición/respuesta que se usan para acceder a uno o varios objetos del diccionario, bien para leerlos o para escribirlos.
o NMT, son mensaje de gestión de la red. Un ejemploes el heartbeat.
Se basa en que cada elemento o nodo que se conecta posee un diccionario de objetos (básicamente una lista de variables que pueden ser de varios tipos (Uint8, array, Uint32, etc...) y de RW/OW/OR etc..). Estos objetos a su vez se dividen en tres perfiles diferentes:
o Communication profile: es donde se especifican todas las variables relativas al protocolo propiamente dicha, por ejemplo especifica el tipo de dispositivo que es. Este perfil es estándar y común a todos lo elementos de CANOpen.
o Device profile: Esta parte es la que cambia en función del tipo de dispositivo que se trate, es estándar y común para todos los dispositivos de una misma clase (por ejemplo batería).
o Manufacture profile: Es una zona del diccionario donde el fabricante puede meter todas las variables que estime oportuno para el correcto funcionamiento de su dispositivo.
Todos los objetos del diccionario poseen un campo de indice y subindice, estos valores son utilizados para acceder a leer o escribir dichos objetos (mediante mensajes de tipo SDO).
9.3.3.2.1 Perfil CANopen para baterías
EL perfil del dispositivo se basa en describir como han de realizarse las comunicaciones
entre la batería y el módulo cargador, de modo que este tenga información suficiente
para poder llevar a cabo el proceso de carga.
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La mínima información requerida es el tipo de batería, su capacidad, número de celdas,
corriente máxima de carga y temperatura de la batería. Cualquier dispositivo que se
base en el perfil CANopen deberá proveer esta información de la manera descrita.
El diccionario de objetos de la batería se muestra en la siguiente tabla
Tabla 53 Diccionario de objetos de la batería
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Ejemplos de diseño
Batería Custom de 20Ah 48V Li-Po Se diseñó una BMS de 13 celdas de LiPo de 20Ah de capacidad. El diseño es totalmente
customizado ya que no se utilizó ningún integrado de gestión de BMS.
Ilustración 5 BMSCustom_v1
Las protecciones se realizan en el lado alto mediante mosfets de tipo P. Cinco mosfet
para la carga y otros cinco para la descarga. Cuenta con gestión de precarga.
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Ilustración 6 Mosfets de carga, descarga y precarga
El control se realiza por medio de microcontroladores de microchip de ultra bajo
consumo. Esta característica es esencial a la hora de seleccionar un microcontrolador
apto para trabajar en un sistema de este tipo. El microcontrolador cuenta con
convertidores analógicos digitales de 12 bits que garantizan una resolución suficiente en
la medidas analógicas.
La placa se divide en dos niveles de modo que un microcontrolador gestiona las primeras
7 celdas y un segundo microcontrolador gestiona las 6 celdas restantes.
Ilustración 7 Microcontroladores uC1 y uC2
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Para obtener una alimentación regulada en cada uno de los niveles se optó por un DCDC
conmutado de baja potencia y gran eficiencia. En el primer nivel había que adaptar la
tensión de las 7 primeras celdas, moviéndose entre 19,6 y 29,4V a 5V. La solución más
simple y barata es utilizar un regulador lineal, pero a costa de hacer el sistema mucho
menos eficiente con lo que se desestimó.
Se eligió el LTC3642 de linear technology con salida ajustable. Las razones fueron varias.
Además de soportar hasta 45V de entrada, la curva de eficiencia para muy bajas
corrientes es alta. Podemos ver en la gráfica como para un consumo de 1mA la eficiencia
está próxima al 90%.
Gráfica 9 Eficiencia vs corriente de carga del LTC3642
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Por otro lado, era un aspecto importante el poder controlar el apagado del DCDC en
situaciones de muy baja tensión de la batería. De este modo, toda la electrónica de
control deja de estar alimentada evitando descargar aún más la batería.
Esquemático 16 Detección de baja tensión de alimentación El LTC3642 permite ajustar un rango de tensiones de entrada de modo que DCDC se
apaga cuando detecta una baja tensión. Además, en este modo se garantiza un consumo
por debajo de 12uA. Además añade una histéresis a la gestión de la tensión de
alimentación umbral.
Se seleccionó la versión ajustable. El motivo fue regular la salida en torno a 5,6V y poner
a continuación un regulador lineal que fijara la salida a 5V. Con esto se pretendía
conseguir una alimentación de control lo más limpia de ruidos de conmutación posible.
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Ilustración 8 DCDC conmutado y regulador lineal
Para medir las tensiones de celdas se optó por amplificadores diferenciales.
Concretamente el IC LT1990 de linear Technology. Permite una tensión en modo común
de hasta 80V con alimentación simple de 5V.
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Tabla 54 Características eléctricas del LT1990
En cuanto al sensado se utilizó el LTC6102 de Linear Technology. Es un amplificador de
sensado de corriente con varias características remarcables.
Esquemático 17 Circuito eléctrico del amplificador de corriente Teniendo en cuenta que la medida de corriente se realiza en el lado alto, este
amplificador es apto pues permite un modo común de hasta 100V en su versión de alta
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tensión. Además se alimenta directamente de la línea de potencia con lo que no necesita
alimentación regulada. Es bidireccional con lo cual permite la medida de corriente en
ambos sentidos.
El balanceo se hizo de modo activo por carga inductiva. EL algoritmo de balanceo se basa
en buscar las celdas con valores extremos y trasvasar la energía entre ellas, haciendo
uso de las celdas intermedias como soporte.
Ilustración 9 Componentes del circuito de balanceo de celdas
Un aspecto importante es el ruido provocado por la conmutación en las medidas
analógicas. Para obtener medidas de limpias, el algoritmo de balanceo se desactiva cada
segundo durante un pequeño periodo, momento en el cual se realizan las medidas. Esto
permitió conseguir una monitorización de tensiones y corrientes sin prácticamente
ruido.
Las comunicaciones se realizaron con el protocolo CANopen.
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Ilustración 10 BMS de batería 20A 48V Li-Po
Batería 45Ah 48V LiFePo4 apilable Esta batería consta de 15 celdas de LiFePo4 de 45Ah de capacidad.
Son baterías cilíndricas y podemos ver sus dimensiones en la siguiente imagen.
Ilustración 11 Dimensiones de batería LiFePo4 de 45Ah
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Tabla 55 Especificaciones de batería LiFePo4 45Ah
En la tabla superior podemos ver las especificaciones del fabricante. Uno de las grandes
ventajas de la tecnología LFP su gran capacidad de ciclados. Como indica en las
especificaciones, haciendo ciclos de carga y descarga de 1C a temperatura de 20ºC se
garantiza una capacidad mayor del 80% de la capacidad nominal. Es decir, en estas
condiciones de ciclado, después de 20000 ciclos, la batería tendrá una capacidad real
mayor de 36Ah.
El control de la batería se basa en el IC BQ78350 de Texas instruments. La electrónica se
divide en cinco placas. Dos pcbs de conexionados que permiten por medio de un
conector acceder a las tensiones de celdas.
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Una placa de control con formato DIMM que contiene el AFE encargado de realizar
todas las medidas y de ejecutar el balanceo y protecciones. La placa de control cuenta
el microcontrolador BQ78350 que gestiona las comunicaciones haciendo de pasarela del
AFE además de otras funcionalidades de la BMS.
Ilustración 12 Placa de control BMS_Control_v1
La placa de balanceo actúa como placa base en la cual se conectan las demás placas.
Contiene la electrónica asociada al balanceo. En este caso es un balanceo pasivo
configurado con 4 resistencias en paralelo de 30 Ohm. Los que permite una corriente de
balanceo máxima de entorno a los 400mA.
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Ilustración 13 Placa de balanceo BMS_Blanaceo_v1 Además contiene el juego de conectores para comunicaciones (SMbus), sensores de
temperatura, interruptor de ON/OFF…
Por último tenemos la placa de potencia, en la cual se encuentran los mosfets de
protección y las resistencias de sensado de corriente. Las protecciones están en el lado
bajo y con mosfet tipo N. Cuenta con 8 mosfets de carga y 8 mosfets de descarga así
como un circuito de precarga. El sensado se realiza mediante 20 resistencias de 0,01
Ohms en paralelo.
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Ilustración 14 Placa de potencia BMS_power_v1
Ilustración 15 Foto de batería 45Ah 48V LiFePo4
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Ilustración 16 Electrónica de batería 45Ah 48V LiFePo4
En la imagen superior podemos apreciar el ensamblaje de las placas electrónicas así
como el conexionado. La placa de potencia tiene un disipador que permite aumentar la
inercia térmica de los mosfet de modo que se reduzca la temperatura de estos para
ciclos de descarga de muy alta corriente.
Batería 10Ah 48V LiFePo4
Compuesta por 15 celdas LiFePo4 de 10Ah de capacidad y de tipo prismática.
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Ilustración 17 Dimensiones de celda prismática de 10Ah liFePo4
Capacidad nominal 10Ah
Tensión nominal 3,2V
Tecnología de fabricación
LiFePo4
Tensión máxima 3,6V
Tensión mínima 2,5V
Corriente máxima de carga
10A
Corriente máxima de descarga recomendada
20A
Corriente máxima de descarga permitida
50A
Tabla 56 tabla de especificaciones de batería 10Ah liFePo4
La electrónica se divide en dos pcbs, una con la tarjeta de control y otra que maneja las
protecciones y el balanceo además del conexionado.
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Ilustración 18 Vista conjunta le la batería de 10Ah LiFePo4
Las celdas van atornilladas directamente a la PCB. En la siguiente ilustración vemos
cómo es la conexión y los circuitos de balanceo. En este caso se ha montado un balanceo
con 2 resistencias de 30 Ohm en paralelo, permitiendo una corriente máxima de
balanceo algo mayor de 200mA.
Ilustración 19 Conexionado de celdas y balanceo
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En la ilustración siguiente focalizamos la electrónica de protección. Vemos que el fusible
se pone en serie en el camino positivo. En el camino negativo de potencia tenemos los
mosfets de protección y las resistencias shunt de sensaso de corriente.
Podemos apreciar los planos que forman las pistas de potencia. Evidentemente han de
hacerse lo más anchos posible para evitar en lo posible el calentamiento de las pistas.
En el caso del camino de protecciones, estas pistas además sirven como planos de
disipación para la potencia de pérdida en los mosfets y las resistencias de sensado.
Una opción interesante fabricar la pcb con espesores de cobre altos de modo que se
mejore la conducción en los caminos de potencia.
Ilustración 20 Protecciones de batería de 10Ah LiFePo4
Junto a la paca de control se encuentran los varios conectores. Un par de conectores
para la sonda de temperatura de mosfet y sonda de temperatura de celdas. Un conector
para el interruptor ON/OFF que habilita o deshabilita la potencia. También un conector
de 5 pines para la comunicación SMbus.
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Ilustración 21 Placa de control de batería 10Ah LiFePo4
Vemos en la ilustración superior cómo se realiza la conexión entre la placa de control y
la placa base. Se usa un conector DIMM de 100 pines.
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Bibliografía
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