Como medio de protección, la mayoría de los sistemas de baterías de litio de casi cualquier voltaje de cadena requieren un sistema de gestión de baterías (BMS) para mantener las condiciones operativas de las celdas dentro de los límites. Estos pueden variar en complejidad, desde simplemente el equilibrio de las celdas hasta aquellos que monitorean el voltaje de las celdas; temperatura y corriente de la celda; y, mediante el uso de interruptores o relés semiconductores, desconectará el paquete de baterías del UPS si alguna de las variables monitoreadas excede sus límites operativos.

Al conectar un sistema de batería de litio a un UPS , es vital conocer y comprender los límites en los que el BMS desconectará la batería. Muchos de los BMS proporcionarán una advertencia si las condiciones operativas se acercan a estos límites antes de tomar cualquier medida. De esta manera, es posible tomar algunas medidas para evitar que la batería se desconecte del UPS. Por lo general, el BMS no volverá a conectar la batería hasta que se eliminen las condiciones que causaron la acción. Una segunda razón para comprender bien los límites es asegurarse de que el UPS, en funcionamiento normal, no los exceda. Tener cuidado de verificar que el UPS no exceda los límites es una buena práctica y un buen diseño del sistema.

Figura 1

La siguiente es una breve descripción de las funciones contenidas en un BMS típico.

Equilibrio de celdas: El propósito del balanceo de celdas es mantener aproximadamente igual el voltaje terminal de cada celda, o banco de celdas en paralelo, en la cadena en serie. Dado que el voltaje de la celda tiene cierta relación con la capacidad, con las químicas del litio, mantenerlas iguales tenderá a mantener igual la capacidad de cada celda. Esto servirá entonces para evitar que las células más débiles, aquellas con menor capacidad, se descarguen en exceso. Asimismo, las celdas con mayor capacidad no se sobrecargarán. La importancia del equilibrio de las celdas se puede ver en la Figura 1. Aquí se muestra un ciclo de descarga y carga de dos paquetes LFP que contienen 12 celdas en serie y 3 en paralelo.

En los gráficos de descarga, observe que algunos voltajes de las celdas en el paquete sin equilibrio disminuyeron por debajo de 2,0 V, el límite mínimo, cerca del final de la descarga. Esto es una descarga excesiva y comenzó a ocurrir después del octavo ciclo. En el paquete con equilibrio de celdas, el voltaje disminuyó a 2,5 V para la mayoría de las celdas, y una alcanzó los 2,3 V antes de que terminara la descarga. Todas las celdas están sustancialmente por encima del límite de 2 V.

Durante la carga, después de la octava descarga, observe la dispersión en los voltajes de las celdas de aproximadamente 0,59 V para el paquete sin equilibrio de celdas. Una celda casi alcanzó el límite de voltaje de flotación de 4,0 V. Por encima de este límite se produce una sobrecarga. Con el paquete que contiene el equilibrio de celdas, las celdas se agrupan estrechamente alrededor del voltaje de flotación de 3,65 V.

Función de medición: el voltaje de la celda, como se muestra en la Figura 1, es uno de ellos. El propósito de esta medición es asegurarse de que los voltajes de las celdas estén lo suficientemente cerca entre sí para que la batería pueda cargarse y descargarse en el rango de operación previsto. En algunos casos, es posible que el BMS no permita la carga o descarga, al menos no con carga nominal, hasta que los voltajes de las celdas estén dentro de un rango predeterminado entre sí. Otra medida es la corriente a través de las celdas. Por lo general, existen límites máximos de corriente de carga y descarga que, si se exceden, activarán una advertencia y posiblemente desconectarán la batería del UPS si la condición persiste durante un período de tiempo prescrito.

La tercera medida es la temperatura celular. Al evaluar un sistema de baterías para su uso con un UPS, debería ser un requisito que se mida la temperatura de la caja de una o más celdas. Debido al rápido aumento de temperatura en el caso de un evento térmico, una medición de la temperatura del aire (interna) puede no ser lo suficientemente rápida o sensible para detectar el inicio de la fuga térmica y tomar medidas para desconectar la batería. El BMS protegerá la batería de temperaturas excesivas indicando cuando la temperatura de la celda se acerca o ha alcanzado el máximo y, en última instancia, desconectará la batería del UPS si se alcanza el máximo. Otra acción que a veces toma un BMS es limitar o posponer la carga de la batería hasta que la temperatura haya disminuido lo suficiente desde el límite.

Algunos modelos de BMS también pueden proporcionar una medición del estado de carga (SOC) y una indicación del estado de salud (SOH) del sistema de batería. El SOC se obtiene midiendo la carga, en amperios hora (Ah), retirada (descarga) y reemplazada (carga). La carga generalmente se mide integrando la corriente que entra o sale de la batería con respecto al tiempo. Comenzando con un valor conocido de carga disponible, el SOC es simplemente la relación entre la carga neta (Ah descargados – Ah cargados) y la carga disponible. El SOH es un indicador de la cantidad de degradación o envejecimiento que ha ocurrido desde que la batería era nueva. El enfoque básico es determinar cuánto disminuye la carga disponible con la edad. Para realizar esta estimación se suele utilizar una descarga de prueba, comenzando desde el estado de carga completa. La pérdida de capacidad a medida que la batería envejece a veces se denomina pérdida de capacidad.

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