Controladoras BMS y Balanceadores activos

BMS (Battery management system)

Si has llegado hasta aquí ya deberías saber muchos conceptos, y lo importante que es incluir un BMS en el proyecto para construir tu batería LiFePO4, si todavía no lo ves claro, lee mas abajo nuestra advertencia de seguridad antes de continuar, en este artículo vamos a intentar explicar todo un poco mas a fondo, los diferentes modelos de BMS que podemos encontrar, cómo trabaja cada una, como montarla y configurarla.
Si por lo contrario no sabes mucho sobre el tema, o todo te suenan a chino, te recomendamos que empieces leyendo nuestra guía para principiantes.

El motivo principal por el que es tan importante usar un BMS es porque las celdas que componen nuestra batería no se cargan o descargan al mismo tiempo, esto es debido a que todas las celdas no tienen exactamente la misma capacidad y resistencia interna. Para intentar paliar esto las BMS suelen incorporar un sistema de equilibrado de las celdas, que puede ser pasivo o activo, la diferencia es que el pasivo funciona “quemando” energía de las celdas que estén mas cargadas, mientras que el activo transfiere la energía de las celdas más cargadas a las menos cargadas.
A dicho sistema de equilibrado también se le llama balanceo o ecualización.
Prácticamente todas las BMS disponen de un sistema de balanceo pasivo, pero este suele ser muy deficiente, entre 30 y 300mA en el caso de las BMS compactas, y no más de 2a en las BMS profesionales.
Antes de continuar necesitamos tener claro que un BMS no es lo mismo que un BALANCEADOR, son cosas muy diferentes, aunque normalmente van de la mano.
En resumidas cuentas la función principal de una BMS es monitorizar, y la de un BALANCEADOR es equilibrar.

Existen principalmente dos tipos de BMS:

BMS basadas en Mosfets:

Los Mosfets son como unos interruptores electrónicos puestos en paralelo, por lo tanto cuantos más Mosfets lleve más intensidad soportará. La BMS puede cerrar o abrir estos mosfets según unos parámetros, que pueden venir prefijados en fábrica y no ser modificables (llamadas comúnmente “BMS tontas”), o que podemos configurar nosotros mismos en caso de disponer de una BMS inteligente (Smart), en este caso también podríamos monitorizar el estado en una pantalla externa, por bluetooth en el nuestro teléfono/tablet, o incluso en un PC. Dichas BMS suelen llevarlo todo integrado dentro de ellas, esto tiene dos claras desventajas, la principal es que no permiten muchas posibilidades de ampliar la batería, y además si algo se daña dentro de ella, tendremos que cambiar el BMS por completo para solucionar el problema. Pero tienen la ventaja de que son capaces de cortar la carga y la descarga por separado, pudiendo parar de cargar sin desconectar la batería de nuestra instalación como lo haría un contactor. Las marcas mas más utilizadas son JK, DALY y ANT

 

JK BMS

BMS compacta semi profesional, marca muy conocida por disponer de versiones con balanceo activo de hasta 2A. Soporta de 13s a 24s con descargas de hasta 200A de intensidad.

DALY BMS

La BMS por excelencia en cuanto a calidad/precio, muy usadas en cualquier tipo de baterías ya que tienen una gama de versiones muy alta, soportando de 4s a 32s y hasta 500A de intensidad.

ANT BMS

BMS muy fiable y de bajo coste, la más recomendada en instalaciones 4s que no exijan más de 120a de consumo instantáneo. Tienen versiones que soportan hasta 32s y 300A de intensidad.

Las BMS basadas en mosfets llevan las siguientes conexiones:

  • Un puerto B-, que suele venir con un cable azul, y se conecta directamente al polo negativo de la batería (llamamos batería al conjunto de celdas ya unidas), o lo que es lo mismo, al primer polo negativo de la serie.
  • Un puerto P-, que suele venir con un cable negro, que sería nuestra salida negativa general de la batería, aquí conectaríamos todos los negativos de nuestros consumos y cargadores.
  • Un conector del cuál salen los cables que van a cada una de las celdas de la serie, estos cables son los que le sirven a la BMS para saber el voltaje de cada celda y actuar en consecuencia. NO OLVIDAR que están conectados directamente a las celdas, hay que manejarlos con cuidado y evitar a toda costa que puedan soltarse o dañarse, pues pueden producir un cortocircuito importante.
  • Otros conectores extra para accesorios y puertos de comunicación, tales como pantalla, módulo bluetooth, monitor de SOC, pulsador de encendido, rs232, rs485, canBUS, etc…

Para conectar una BMS basada en mosfets, siempre hay que conectar primero el B- y después el conector de monitorización de las celdas.

El borne negativo (-) de la batería se conecta única y exclusivamente al B- de la BMS y al (-) del balanceador en caso de haberlo. Nunca conectaremos ahí cargas o descargas ni llevaremos ese puerto a masa (chasis).

BMS basadas en Relés:

  • Estas son todas inteligentes y configurables (Smart), el funcionamiento es exactamente el mismo que las anteriores, pero actúan sobre relés, a su vez estos relés se pueden usar para actuar sobre los inversores y/o reguladores, y también sobre contactores (Relés de potencia). 
    Estas BMS pueden ser compactas (todo-en-uno), o pueden llevar todos sus componentes por separado (modulares), llevando por un lado la controladora principal, y por otro lado los módulos que miden las celdas, el shunt (medidor de amperios), la placa de relés, los contactores, etc. Al ir todo por separado tenemos la posibilidad de usar solamente lo que vamos a necesitar, y la ventaja de poder ampliar la BMS mas adelante con otros componentes para añadir mas funciones, así como ampliar nuestra batería añadiendo mas celdas o incluso bancos completos, además de poder sustituir una parte dañada sin tener que invertir mucho dinero, incluso tener piezas de recambio para una rápida reparación.

Dichas BMS suelen ser más profesionales, y por lo tanto más utilizadas en viviendas o grandes instalaciones, las marcas más valoradas son Batrium o REC, pero por contra son mucho más caras, debido a esto también van saliendo proyectos de desarrolladores alternativos, como el de Stuart Pittaway, que gracias a su magnifico trabajo tenemos la posibilidad de conseguir una BMS Modular totalmente DIY, como no podía ser de otra manera en esta comunidad 😉

BATRIUM BMS

BMS modular de uso profesional, con emulación de distintos protocolos para comunicarse con casi todos los inversores del mercado.

REC BMS

BMS profesional compacta, monitores de celda internos pero admite hasta 240 celdas en serie usando módulos de ampliación, y posibilidad de añadir otros accesorios externos.

DIY BMS

BMS modular, desarrollada por Stuart Pittaway como proyecto de código libre, muy versátil y de bajo costo, con buen ritmo de desarrollo y una gran comunidad de apoyo detrás.

¿Cómo elegir la BMS que necesito?

El uso que le vayamos a dar a nuestra batería influirá determinantemente, así que elegiremos una BMS en base a las características de nuestra instalación, nuestras necesidades y/o ganas de experimentar.

Antes de continuar, dejar claro que la capacidad de la batería NO tiene nada que ver con la BMS que debemos usar para gestionarla, debemos elegir la BMS o los contactores a usar dependiendo de las cargas y descargas que vayamos a exigirle.

Para ello debemos sumar primeramente todos los posibles consumos, dejando también un margen de seguridad:

  • En el caso de un vehículo vivienda o similar tenemos que hacer la suma de todo lo que vaya a consumir tanto a 12/24v directamente, como a través de un posible inversor, los consumos podemos tenerlos en vatios (W) o amperios (A), las BMS se venden en base a los amperios que soportan, por lo tanto tendremos que hacer nuestros cálculos para obtener esa información primeramente. 
  • En caso de una vivienda convencional es más fácil, pues normalmente sólo tendremos el inversor conectado a la batería, aunque en muchos casos podemos tener otros consumos conectados directamente a la batería, sobre todo en casas de campo y pequeñas instalaciones aisladas a 12 o 24v.

No obstante al final es lo mismo, solamente debemos calcular cuantos amperios van a pasar como máximo por el dispositivo que se encarga de cortar la batería, es decir, los amperios que van a pasar por la BMS (si es basada en mosfets) o por el contactor (en caso de elegir una BMS modular), porque obviamente son los que deben soportarlos.
Si no sabes cómo pasar de vatios a amperios seguramente necesites darle un repaso a nuestra guía para principiantes. No obstante vamos a poner unos ejemplos para que se entienda mejor, para ello usaremos la fórmula Vatios (W) / Voltios (V) = Amperios (A), y usaremos siempre el voltaje nominal de la batería para realizar este cálculo:

  • Inversor de 12v y 1500w en una batería 4s LiFePO4 (12,8v nominales)
    • 1500W / 12,8V = 117,19A
  • Inversor EASUN de 24v y 2500w en una batería 8s LiFePO4 (25,6v nominales)
    • 2500W / 25,6V = 97,66A
  • Inversor VICTRON de 48v y 5Kw (5000W) en una batería 16s LiFePO4 (51,2v nominales)
    • 5000W / 51,2V = 97,66A
  • Inversor INGETEAM de 6Kw (6000W) con una batería 32s LiFePO4 (102,4v nominales)
    • 6000W / 102,4V = 58,59A

Una vez que sepamos todos los consumos en Amperios solamente tenemos que sumarlos:

  • En el primer ejemplo vamos a suponer que hablamos de una instalación camper en la que vamos a tener los siguientes consumos:
    • Inversor 12v 1500W ->117,19A
    • Frigorífico 12v -> 6A
    • Iluminación 12v -> 3A
    • Calefacción estacionaría 12v -> 3A
    • Bomba agua 12v -> 5A
    • Cargador de móvil y otras cosas pequeñas -> 3A

Sumamos todo 117+6+3+3+5+3=137A

  • Para el segundo supuesto vamos a usar como ejemplo la instalación más típica en viviendas, con 16s LiFePO4:
    • Inversor de 48v y 5kw -> 97,66A de consumo máximo.

Una vez sepamos los amperios simplemente elegiremos la BMS o el contactor acorde a ello, dejando un margen de seguridad como ya hemos comentado, cuando más grande mejor, pero tampoco hay que excederse demasiado, dependerá de la calidad o confianza que tengamos en el dispositivo que vamos a utilizar. 

Tomando el ejemplo del primer supuesto que hemos calculado anteriormente para la instalación camper, hemos dicho que íbamos a tener un consumo máximo de 137A, por lo tanto con una BMS de 150A debería ser suficiente, ya que tampoco vamos a estar consumiendo a esa potencia continuamente, si en tu caso vas a exprimir al máximo o tienes intención de consumir más en el futuro o aún así no nos da la suficiente confianza podríamos escoger una BMS más potente para no andar gastando dos veces.

Para el segundo supuesto tenemos un consumo máximo de 98A, por lo que bastaría con una BMS de 120/150A 

En el segundo supuesto podemos apreciar claramente por qué recomiendan cuanto más voltaje mejor, ya que a más voltaje se consumen menos amperios, lo que quiere decir que podremos trabajar con muchos más vatios consumiendo muchos menos amperios, y por lo tanto usaremos componentes más pequeños y baratos, como BMS o contactores menos potentes y cables más finos, además de que los inversores también trabajarán más eficientemente.

Mas voltaje es mas eficiente y en definitiva mejor, pero hay que llevar mucho cuidado con esto, trabajar con voltajes altos en corriente continua es muy peligroso, sobre todo con baterías que son capaces de entregar muchos amperios En general, la máxima tensión permisible de contacto para el hombre, es de 50V en lugares secos y a 24V, en lugares húmedos o mojados. Llevar siempre la máxima precaución y equipos de protección adecuados con el trabajo a realizar.

Lee nuestra guía para Campers, AC y embarcaciones si la batería que vas a montar es de 12v/24v (4s/8s) para usarla en esté tipo de vehículos. (Próximamante…)

Por contra, lee la guía para instalaciones en viviendas si la batería que vas a usar es para su uso en éstas. (Próximamante…)

¿Cómo configurar nuestra BMS?

Esta el la pregunta del millón, todos nos preguntamos que valores debo establecer en la BMS para que esta proteja las celdas, pues bien, siento decirte que no es tan fácil como poner aquí unos valores y ya está, no se puede hacer así a la ligera, ya que cada instalación es un mundo, pero podemos ayudarte a calcularlos por ti mismo, que es mucho mejor, ¿no?.

Prácticamente todas las hojas de características de los fabricantes, y por ende, la propia química de las baterías, establecen que el voltaje mínimo de una celda LiFePO4 es de 2,5v al 0% de SOC, y de 3,65v cuando está al 100% de SOC, siendo estos valores los que NUNCA debemos rebasar, ni por encima ni por debajo.

Según que BMS podremos configurar voltajes máximos y mínimos de la batería completa, o solamente podremos establecer el voltaje máximo por celda, y ella calculará el total automáticamente multiplicando por la serie.  Para esto vamos a fijarnos en la siguiente imagen:

Primero aclarar que los voltajes de la tabla hacen referencia al numero de celdas conectadas en serie, obviando los paralelos si los hubiera, pero ya deberías de haberte dado cuenta, porque habrás leído nuestra guía para principiantes ¿verdad?

Una vez que tengamos esto claro podemos calcular los valores de voltaje a los que necesitamos que actúe nuestra BMS, debemos configurarla basándonos en estos voltajes, pudiendo establecer unos un poco más conservadores y alargando así la vida de nuestra batería considerablemente.

En caso de establecer unos voltajes más conservadores directamente a la BMS, cabe destacar que se recomienda configurarla para que corte sólo en caso de necesitarlo realmente, debiendo configurar los distintos aparatos externos para que sean ellos los encargados de asumir esta responsabilidad antes que la BMS. 

  • Esto es fácil de llevar a cabo cuando usamos aparatos que son totalmente configurables como los VICTRON (Inversores/cargadores para viviendas y toda la serie de gama Smart), o cualquier inversor híbrido de marcas como GOODWE, INGETEAM, VOLTRONIC y todos sus derivados (MPP SOLAR, MUST, INFINI SOLAR, POWLAND, EASUN, ETC.)
  • Pero por otro lado puede ser una tarea imposible, como ocurre con muchos cargadores, inversores, boosters u otros aparatos generalmente destinados para su uso en vehículos, en este caso tendríamos que dejar los valores standard, o dejar que sea la BMS la encargada de cortar, pero puede ocasionar algún problema ya que a algunos aparatos no les sienta bien el corte de la BMS, pudiendo provocar errores u otros problemas inesperados.

Destacar que cada instalación es un mundo, estos valores son un ejemplo,  son teóricos y aproximados, y nunca van a ser exactos porque entran en juego muchas variables, como el balanceo o estado de tu batería, la diferencia de calibrado de cada marca y modelo de todos los componentes, el cableado que hemos usado, etc., así que es importante que cada uno haga sus propias pruebas, empezando por valores más conservadores y reduciendo estos márgenes poco a poco, sacando nuestras propias conclusiones, así entenderemos nuestra instalación, detectando posibles problemas fácilmente y podremos sacarle el máximo partido.

Las BMS NO Smart no son configurables por el usuario, estas normalmente vienen preconfiguradas de fábrica  con los valores de 0% a 100% de SOC, incluso algunas se pasan de estos valores, puedes comprobarlo mirando su hoja de características, si no la tienes pídesela al fabricante o vendedor que te la ha proporcionado.

Cabe destacar que la BMS no regula ni limita la intensidad de carga o descarga, solamente monitoriza las celdas y actúa en consecuencia sobre unos mosfets o relés, pero no por ello es menos importante, pues es la encargada de cortar el circuito en caso de que algo vaya mal, por lo tanto es un elemento IMPRESCINDIBLE para que nuestra batería sea segura.

Es nuestro último seguro para no descargar o sobrecargar demasiado las celdas, cosa que sería fatídica para su vida útil, llegando a dañarla definitivamente, e incluso provocar un escape de humo tóxico o un incendio en el peor de los casos. 

BMS

Balanceadores, ecualizadores o equilibradores.

Como ya hemos mencionado anteriormente un balanceador no es lo mismo que una BMS, la BMS no se debe substituir nunca por un balanceador por muy potente que este sea, un balanceador activo solamente se encarga de intentar equilibrar el voltaje entre todas las celdas, pero no nos protegerá en caso de una sobretensión o cualquier otra anomalía que pudiera presentar nuestra batería, por lo tanto se considera un accesorio no imprescindible, pero si muy recomendable en situaciones en las que nuestras celdas están muy descompensadas en cuanto a capacidad o resistencia interna, un balanceador activo nos ayudará a mantener equilibradas las celdas y así aprovechar unos amperios extra antes de que la BMS entre en acción.

  • Actualmente los balanceadores activos más recomendables son los JK, disponen de modelos de 0.6A hasta 10A de balanceo activo, tienen monitorización por bluetooth e incluso conexiones CanBus/RS485 para comunicarse con ellos en instalaciones más avanzadas.
  • Otra opción son los famosos balanceadores de condensadores de bajo coste, se ha demostrado que son efectivos y muy baratos. 

Conexión de los balanceadores

Se conectan en paralelo exactamente igual que vimos con la BMS, de la siguiente forma:

El borne negativo (-) de la batería se conecta única y exclusivamente al B- de la BMS y al (-) del balanceador en caso de haberlo. Nunca conectaremos ahí cargas o descargas ni llevaremos ese puerto a masa (chasis).