La ventana de tensión es un límite absoluto
Cada celda de litio tiene una ventana de tensión admisible fuera de la cual sufre daño químico. En LiFePO4 está aproximadamente entre 2,5 V y 3,65 V por celda, en Li-NMC alrededor de 3,0 V a 4,2 V. Si se supera el límite superior, el electrolito se descompone y puede depositarse litio metálico. Por debajo del límite inferior, el colector de corriente de cobre del ánodo se disuelve — de forma irreversible, y como germen de un cortocircuito futuro.
Por eso el BMS mide la tensión de cada celda individualmente, no solo la tensión del conjunto. Porque 48 V en el pack no dicen nada sobre si una celda ya está a 3,6 V y otra solo a 3,1 V. Solo la medición por celda detecta la dispersión.
Balanceo, protección, limitación de corriente
Durante el balanceo el BMS vuelve a reunir las celdas. De forma pasiva esto ocurre mediante una resistencia que descarga deliberadamente la celda más cargada hasta que las demás la alcanzan — las corrientes de balanceo típicas son de algunas decenas a unos pocos cientos de miliamperios. El balanceo activo transfiere carga de las celdas llenas a las vacías; más complejo, pero con menores pérdidas ante una gran dispersión.
El circuito de protección supervisa sobre- y subtensión, sobre- y subtemperatura así como sobreintensidad y cortocircuito, y desconecta el circuito antes de que se alcance un límite. Decisiva es la limitación de la corriente de carga en función de la temperatura: cargar por debajo de 0 °C provoca deposición de litio (lithium plating), por lo que el BMS bloquea o reduce la corriente de carga en frío. Del mismo modo limita la tasa C en la zona superior de carga, porque las corrientes elevadas con alto estado de carga someten a la celda al mayor estrés.
SoC (State of Charge) lo calcula el BMS habitualmente mediante conteo de culombios — integración de la corriente en el tiempo — corregido en los puntos de tensión en reposo. Esto es exigente para LFP, porque la curva de descarga es plana en amplios intervalos y pocos milivoltios significan grandes diferencias de capacidad. SoH (State of Health) se deriva de la capacidad residual medida y del aumento de la resistencia interna respecto al estado nuevo — la base para la planificación del mantenimiento y la previsión de vida útil restante.
Por qué el controlador de la máquina debe estar implicado
Un sistema de gestión de baterías (BMS) que solo desconecta no es suficiente en máquinas móviles. Un AGV que desconecta la batería en funcionamiento sin previo aviso queda parado con plena carga en algún punto de la instalación. El controlador de la máquina debe conocer el estado antes de que se alcance un límite.
Por eso el sistema de gestión de baterías (BMS) debería estar conectado al controlador mediante un bus de campo — en la industria, según la plataforma, CAN-Bus o Profinet — y suministrar en tiempo real SoC, SoH, tensiones de celdas individuales, temperaturas y códigos de fallo. El controlador ve la capacidad restante y planifica la ruta a la estación de carga antes de que el límite inferior quede al alcance. Si una celda reporta una anomalía de temperatura, el controlador reduce la potencia de forma ordenada en lugar de desconectar de golpe. Especialmente en funcionamiento continuo, este flujo de datos entre BMS y controlador es tan importante como el propio pack.
Lista de verificación para el dimensionamiento del BMS
- ✓Límites de tensión adaptados a la química configurados (LFP 2,5–3,65 V, NMC 3,0–4,2 V por celda)?
- ✓Medición por celda individual en todos los elementos en serie, no solo la tensión del pack?
- ✓Balanceo dimensionado para la dispersión de celdas esperada a lo largo de la vida útil?
- ✓Corriente de carga dependiente de la temperatura limitada, bloqueo de carga por debajo de 0 °C sin calefacción?
- ✓Protocolo de comunicación definido (CAN-Bus, J1939, SMBus, RS485) y coordinado con el controlador real?
- ✓Comportamiento en el caso límite aclarado: reducción ordenada mediante el controlador en lugar de desconexión brusca?
- ✓Método SoC adaptado a la química — para la curva plana de LFP, conteo de culombios con corrección de tensión en reposo?
Los primeros cuatro puntos protegen el pack. El quinto y el sexto deciden si la máquina trabaja con él de forma fiable. Cómo se conecta el BMS a su controlador y qué valores deben circular por el bus, lo aclaramos con mucho gusto a partir de su pliego de condiciones.