Un sistema de gestión de baterías (BMS) supervisa las condiciones de las celdas y del conjunto de baterías, estima estados como el SOC y el estado de salud (SOH), equilibra las celdas, comunica los límites de operación y activa la protección. No realiza la conversión AC/DC ni decide la estrategia comercial de despacho de las instalaciones.
Un conjunto de baterías puede parecer normal desde fuera mientras una de sus celdas ya se aproxima a una situación problemática. La tensión total del conjunto puede seguir pareciendo aceptable, aunque una celda esté más cerca de su límite superior de tensión o funcione a mayor temperatura que las vecinas. Es a ese nivel donde un sistema de gestión de baterías, o BMS, resulta esencial. Su función no consiste simplemente en encender y apagar la batería, y llamarlo el «cerebro» de todo un sistema de almacenamiento le atribuye demasiado. Un BMS supervisa de cerca la batería, estima estados que los sensores no pueden indicar directamente y comunica o impone los límites dentro de los cuales debe funcionar.
En un sistema de almacenamiento de alta tensión, estas tareas pueden distribuirse entre varios componentes de hardware. Por ejemplo, el diseño de referencia BESS de 1500 V de NXP utiliza unidades de supervisión de celdas para medir las tensiones individuales y las temperaturas ambientales, mientras que la unidad de gestión de la batería procesa los datos y controla acciones de nivel superior. El mismo diseño también incorpora sensores a nivel del conjunto e interfaces para contactores. La razón para observar más allá de la lectura total del conjunto es sencilla: está formado por muchas celdas, y una que se aproxime a un límite eléctrico o térmico puede ser relevante antes de que la lectura global parezca anormal. (nxp.com)
De las lecturas de las celdas a los límites de operación
El BMS hace más que recopilar mediciones. La tensión, la corriente y la temperatura son entradas de sensores; el estado de carga y el estado de salud son estados calculados o estimados a partir de las mediciones de la batería y de los algoritmos del BMS. Infineon incluye la estimación de SOC/SOH, junto con la detección de fallos, el equilibrado y la comunicación, entre las funciones principales del BMS para el almacenamiento de energía en baterías. Para una persona no especializada, la distinción útil es que el estado de batería mostrado no es otro canal de datos brutos de un sensor. Es la estimación operativa del BMS sobre una condición que no puede medirse con un único sensor. (infineon.com)
Estas mediciones y estimaciones resultan útiles cuando el BMS las convierte en límites de operación. Una batería que se calienta o se aproxima a un límite de tensión de celda no siempre pasa directamente del funcionamiento normal a una parada completa. En sistemas gestionados, el BMS puede indicar a los equipos conectados que reduzcan lo que exigen a la batería. Victron ofrece un ejemplo concreto: un BMS inteligente con CAN-bus puede enviar al controlador del sistema un límite de tensión de carga, un límite de corriente de carga y un límite de corriente de descarga; el controlador transmite después esas restricciones a los inversores/cargadores y cargadores conectados. Estos límites también pueden cambiar dinámicamente cuando varían la tensión de las celdas, el estado de carga o la temperatura, por lo que la conexión entre el BMS y el controlador importa tanto durante el funcionamiento normal como ante un fallo. Si una celda se aproxima a un límite superior durante la carga, reducir la carga permitida puede mantener la batería alejada de ese límite antes de que sea necesaria una desconexión física. (victronenergy.com)
La protección también puede materializarse en una acción física. En los sistemas de baterías de alta tensión, los contactores conectan y desconectan la batería del circuito principal de potencia. La unidad de gestión de baterías BESS de NXP incluye supervisión de enclavamientos y control de contactores, lo que permite a la arquitectura del BMS aislar la batería cuando la protección exige algo más que comunicar un límite. Esta acción es distinta de la regulación habitual de potencia: una gestiona la intensidad de uso de la batería, mientras que la otra puede interrumpir por completo la conexión eléctrica. (nxp.com)
Por qué una celda puede limitar todo el conjunto
El equilibrado se entiende mejor al observar el conjunto celda por celda. Las celdas de un mismo conjunto son similares, pero pequeñas diferencias de capacidad y de condiciones térmicas pueden hacer que se diferencien con el tiempo. Texas Instruments señala en un artículo sobre diseño de BESS que las diferencias entre celdas y entre condiciones de refrigeración pueden crear desequilibrios, mientras que el desequilibrio entre conjuntos puede reducir la energía máxima utilizable del ESS. A nivel de celda, la consecuencia práctica es que una puede alcanzar un límite antes que sus vecinas, dejando sin utilizar parte de la energía potencial del conjunto aunque otras celdas pudieran seguir funcionando. (ti.com)
El equilibrado es la función del BMS que intenta evitar que esas diferencias aumenten demasiado. No hace que todas las celdas sean idénticas ni puede recuperar la capacidad perdida de una celda envejecida o dañada. Sí puede reducir las diferencias para que sea menos probable que una celda limite repetidamente el conjunto antes que las demás. Las orientaciones de Texas Instruments sobre equilibrado de celdas ilustran el mismo principio: cuando el desequilibrio es elevado, la celda de mayor tensión puede terminar la carga antes de tiempo, o la de menor tensión puede terminar la descarga antes de tiempo, dejando capacidad sin utilizar en otras celdas. Por eso el equilibrado debe considerarse junto con la medición y la protección: el BMS no solo vigila el momento en que se supera un límite, sino que también gestiona las condiciones que afectan a la uniformidad con la que las celdas se aproximan a ese límite. (ti.com)
La comunicación completa el conjunto de funciones. Un BMS puede proporcionar a equipos externos el estado de la batería, las alarmas y los límites de operación, y la BMU para BESS de NXP incluye interfaces Ethernet, CAN FD y RS485 para conectarse a un sistema de gestión de energía. Sin embargo, el BMS no realiza la conversión de potencia AC/DC del PCS ni tiene que tomar todas las decisiones de las instalaciones. Un controlador de nivel superior puede decidir cuándo debe cargar o descargar el sistema; el BMS aporta la información y los límites de la batería que permiten que esas decisiones sean seguras para el conjunto. (nxp.com)
Por tanto, una forma útil de entender un BMS es seguir la cadena que va de la observación a la acción. Supervisa las celdas y las condiciones del conjunto, convierte las mediciones en estimaciones del estado de la batería, comprueba esas condiciones frente a los límites de operación, equilibra las celdas que se van diferenciando y comunica o impone restricciones cuando es necesario. No puede impedir que las baterías envejezcan, reparar una celda débil ni sustituir a los demás controladores de un sistema de almacenamiento de energía. Lo que aporta son los límites operativos de la batería: la información y la protección que permiten al resto del sistema utilizar el conjunto sin tratarlo como una simple caja con tensión en sus terminales. Es una descripción menos llamativa que «el cerebro», pero mucho más cercana a lo que realmente hace un BMS.
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