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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



2

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



3

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…



19

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



24

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



25

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



26

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



27

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.



28

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



29

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



30

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



31

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.



32

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.



33

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:



34

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



35

Esquemático 11 Circuito de simulación de descarga

En la siguiente imagen se indican las transiciones de los mosfes.



36

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



37

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,



38

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



39

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.



40

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.



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



42

Tabla 13 Estados de protección de sobrecorriente de descarga


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.



43

Tabla 15 Estados de protección de sobrecorriente de carga


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.



44

Tabla 17 Estados de protección frente a cortocircuito en descarga


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.



45

Tabla 19 Estados de protección por sobretemperatura en carga


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.



46

Tabla 21 Estados de protección frente a sobretemperatura en descarga


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



47


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


UTD:Threshold 0.0 degC

UTD:Delay 2 s

UTD:Recovery 5.0 degC

Tabla 26 Configuración de protección frente a subtemperatura en descarga



48

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


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



49

Ilustración 4 Condiciones Protección Tiempo de carga rápida


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


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.



50

Tabla 33 Estados de FP por subtensión de celda


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


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.



51

Tabla 37 Estados de FP por sobrecorriente de carga


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.



52

Tabla 42 Estados de FP por sobretemperatura


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


VIMR:Check Voltage 3400 mV

VIMR:Check Current 10 mA

VIMR:Delta Threshold 300 mV

VIMR:Delta Delay 5 s

VIMR:Duration 100 s



53

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


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.



54

Tabla 48 Estados de FP por fet de descarga


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



55


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.



56

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.



57

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



58

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.



59

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



60

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.



61

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.



62

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



63

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.



64

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.



65

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



66

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.



67

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.



68



69

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.



70

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.



71

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



72

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.



73

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



74

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



75

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.



76

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.



77

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



78

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.



79

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



80

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.



81

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.



82

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.



83

Ilustración 14 Placa de potencia BMS_power_v1

Ilustración 15 Foto de batería 45Ah 48V LiFePo4



84

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.



85

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

1. Smart battery Data Specification. Revisión 1.1 december 11, 1998

2. SMbus Quick Start Guide. Roger Fan. Freescale Semiconductor. 08/2012

3. Lithium battery Technoligies. Batteryuniversity.com

4. Battery Technology Comparison. Batteryuniversity.com

5. Multicell Battery monitoring and balancing with AVR. Johnny Borgensen. June

2009

6. Sensing elements for current measurements. Intersil. 2014

7. Current Shunt & Voltage measurement reference design for EV/HEV automotive

battery monitoring. Texas instruments

8. A comparative study of Lithium-Ion batteries. Mehul Oswal, Jason Paul and

Runhua Zhao.

9. Characteristics of rechargables batteries. Texas instruments SNVA533

10. Bq297xx Cost-effective voltage and current protection integrated circuit for

single-cell Li.Ion and Li-Polimer Batteries. Texas instruments. Mayo 2016

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