Funcionamiento seguro de baterías de litio con BMS

Las baterías de litio son las preferidas hoy en día para muchas aplicaciones energéticas. Gran parte del éxito de las baterías de litio se debe a mercado de vehículos eléctricos, que en los últimos años ha impulsado significativamente la investigación y el desarrollo en tecnologías de baterías y también en el área de la electrónica. Las baterías de litio presentan características superiores a las de sus predecesoras de plomo-ácido, que durante mucho tiempo dominaron el mercado del almacenamiento de energía.

Algunas ventajas de las baterías de litio son su alta densidad energética, su capacidad de carga y recarga rápidas, su alta eficiencia (96 %, considerando un ciclo completo de carga y descarga) y su capacidad para operar con estados de carga parciales. Sin embargo, estas ventajas conllevan ciertas precauciones que requieren el uso de sistemas de gestión de baterías (BMS) para un funcionamiento seguro.

Área de operación segura

Las baterías de litio tienen un SOA (área de operación segura) que impone algunas restricciones como:

Sobretensión: Se debe evitar la sobretensión, es decir, una situación de sobrecarga, en las baterías de litio. Esta puede provocar un aumento brusco de la corriente, lo que impide que los iones de litio se acomoden correctamente en las capas de intercalación del ánodo. Esto provoca la formación de litio metálico en el ánodo, lo que puede provocar una pérdida permanente de capacidad o un cortocircuito interno.

Subtensión: Un estado de carga muy bajo, correspondiente a un nivel de voltaje muy bajo, puede provocar que el colector de cobre del ánodo se disuelva en el electrolito, provocando un cortocircuito interno. El material del cátodo también puede deteriorarse, lo que resulta en la pérdida permanente de la capacidad de almacenamiento.

Sobretemperatura: El calentamiento excesivo de la batería de litio puede desintegrar la capa de pasivación y provocar la reacción del electrolito con el ánodo. Esto provoca un aumento descontrolado de la temperatura interna mediante una reacción exotérmica. Como consecuencia del sobrecalentamiento, los disolventes orgánicos del electrolito pueden descomponerse, liberando gases inflamables y aumentando la presión interna de la batería. Finalmente, el separador puede fundirse, provocando un cortocircuito interno.

Subtemperatura: El enfriamiento excesivo de la batería tampoco es deseable, ya que reduce la velocidad de las reacciones químicas (reduciendo la capacidad de carga y ralentizando la recarga) y provoca la formación de dendritas (que pueden causar un cortocircuito interno). Es poco probable que se produzcan temperaturas bajas en Brasil, y es un problema más común en países con climas fríos, donde las temperaturas pueden ser muy bajas en invierno.

BMS: sistema de gestión

El BMS (sistema de gestión de baterías) es un sistema electrónico encargado de la monitorización y el control de las baterías de litio. El BMS monitoriza el voltaje, la corriente, la temperatura y el estado de carga de las baterías. Además, el sistema se encarga de limitar estas variables, previniendo la sobrecarga, la sobretensión, la subtensión y la sobretemperatura.

Además de la monitorización, el BMS también cumple la importante función de ecualizar las celdas en los bancos de baterías. Las baterías de litio se presentan en forma de bancos que contienen un número determinado de celdas conectadas en serie. En las conexiones en serie, no basta con monitorizar el voltaje total; es importante monitorizar y controlar el voltaje de cada celda individualmente.

La Figura 2 muestra un diagrama esquemático de un sistema BMS, y la Figura 3 ilustra dos posibles esquemas para el balanceo de celdas. El balanceo pasivo disipa la energía de las celdas sobrecargadas, llevándolas al mismo estado de carga que las demás. El balanceo activo permite redistribuir la energía entre las celdas y es la opción más eficiente y preferida en la mayoría de los sistemas BMS modernos.

El BMS, además de sus funciones de monitorización, protección y control (equilibrado de células), también debe disponer de una interfaz de comunicación para el intercambio de información con equipos externos (inversores, controladores de carga, etc.).

Ejemplos de aplicaciones BMS

A diferencia de las baterías tradicionales de plomo-ácido, las baterías de litio requieren todos los cuidados mencionados anteriormente y no pueden simplemente conectarse a un inversor o controlador de carga. Además, las baterías de litio rara vez se suministran por separado; se encuentran más comúnmente en forma de paquetes o bancos de baterías con un BMS integrado.

Normalmente, los fabricantes de bancos de baterías ya desarrollan y suministran soluciones integradas que contienen las celdas y toda la electrónica necesaria para el funcionamiento seguro de las baterías. La Figura 4 ilustra la placa electrónica del sistema BMS de un vehículo Tesla Motors (EE. UU.).

La Figura 5 ilustra un banco de baterías de litio con BMS integrado, desarrollado en Brasil por PHB Eletrônica, en colaboración con el CPqD (Centro de Investigación y Desarrollo de Telecomunicaciones). La Figura 6 ilustra un sistema similar al de la Figura 5, producido por la empresa internacional Pylontech y comercializado en Brasil por PHB Eletrônica. Cada módulo tiene una tensión nominal de 48 V y una capacidad nominal de 50 AH.