Los sistemas de almacenamiento eléctrico mediante baterías tendrán un rol fundamental para alcanzar la estabilidad de la red eléctrica ante el reto presentado por la creciente instalación de renovables no gestionables. Los Sistemas de Gestión de Baterías (BMS, del inglés, Battery Management System) son necesarios para operar estas baterías de forma segura y eficiente. Este artículo profundiza en los BMS, sus funcionalidades, perspectivas de futuro y áreas de innovación. 

Introducción

La Unión Europea (UE) se ha fijado el objetivo de alcanzar la neutralidad climática para 2050. Para ello, el sistema energético sufrirá una importante transformación hacia un sistema electrificado, descentralizado, inteligente y flexible, donde más del 80 % de la electricidad se obtendrá de fuentes de energía renovables. En este contexto, es importante destacar el notable desarrollo que están experimentando los sistemas de almacenamiento estacionario basados en baterías, aplicados en ámbitos como el autoconsumo, la nivelación de picos de demanda, la flexibilidad en el consumo, el arbitraje energético, la regulación de frecuencia y tensión, la postergación de actualizaciones en las redes de distribución y transporte, el respaldo energético y la creación de islas energéticas. 

Según la plataforma Batteries Europe, la digitalización desempeñará un papel clave en el despliegue de estos sistemas de almacenamiento, al permitir la integración efectiva de las baterías en la red. Se espera que la digitalización potencie las funcionalidades de los BMS, al mejorar la capacidad de recopilación y gestión de datos, lo que permitirá avanzar hacia modelos más precisos. 

¿Qué es un BMS?

Figura SEQ Figura \* ARABIC 1. Diagrama ligando el escenario energético actual con los BMS. Diagrama creado usando imágenes elementales de los repositorios freepik y stockio.com.

Los sistemas de almacenamiento eléctrico típicamente constan del propio medio de almacenamiento (baterías), el Sistema de Gestión de Batería (BMS) y el Sistema de Gestión de Energía (EMS, por sus siglas en inglés, Energy Management System). A su vez, en aplicaciones de media o alta potencia, el BMS puede incorporar otros subsistemas como el Sistema de Acondicionamiento de Potencia o los Sistemas de Gestión Térmica de Baterías. El EMS toma datos tanto del BMS y sensores externos a este, como de otros agentes (demandas, estado de la red eléctrica, datos de mercados eléctricos), con objeto de determinar los parámetros de operación óptima del sistema de almacenamiento en su conjunto, desde un punto de vista energético, económico y operacional. 

Centrando el foco en las propias baterías y su gestión, se encuentran los BMS, que actúan como el cerebro detrás de las mismas, asegurando su rendimiento óptimo y longevidad. Las baterías, con sus complejos procesos electroquímicos, requieren una gestión meticulosa para lograr un equilibrio delicado entre eficiencia y durabilidad. Los BMS monitorean y regulan parámetros críticos en el funcionamiento de las baterías como la tensión, la corriente, la temperatura o el estado de carga (SOC, del inglés, State of Charge), protegiendo la batería, mejorando la seguridad y optimizando su rendimiento. Esto asegura la integración sin fisuras de los sistemas de baterías en infraestructuras energéticas más amplias, abordando de forma preventiva posibles problemas y extendiendo la vida operativa de los mismos.

Funcionalidades dentro de un BMS

La tabla adjunta resume las áreas funcionales atajadas por los BMS. En los párrafos inferiores se desarrollan algunas de estas funciones.

Operación dentro de la zona de seguridad

La operación segura de la batería se consigue en dos pasos. El primero es la monitorización de los parámetros más relevantes dentro del paquete de baterías y a nivel celdas, incluyendo voltajes, corrientes, temperaturas, etc. Con esto y una serie de algoritmos, el BMS estima SOC y estado de salud (SOH, del inglés, State of Health). El segundo paso es el ajuste de operación por el BMS, en base a toda esta información y estimaciones disponibles. El BMS puede variar parámetros como la corriente de carga o la tensión, los sistemas de enfriamiento, en casos de detectar situaciones de, por ejemplo, sobrecalentamiento, sobrecarga o cortocircuito. 

El BMS, básicamente, trata de garantizar que la batería opera dentro de lo conocido como zona de seguridad (SOA, del inglés Safety Operation Area). Esta zona es un rango de tensiones y temperaturas de operación, inherente a la tecnología de batería correspondiente, en la cual no existe riesgo para la batería (nivel básico de protección de la batería). En caso de no ser posible, el BMS entrará en un segundo nivel de protección, limitando la transferencia de potencia para limitar los riesgos. De no ser suficiente, el BMS interrumpirá la operación de la batería para evitar su degradación, destrucción o accidentes. 

Figura SEQ Figura \* ARABIC 2. Área de operación segura (SOA) tipo para una batería de ion litio.

Equilibrado de celdas

La capacidad de equilibrar celdas dentro de una batería es una tarea crítica para un BMS, con el objetivo de prevenir escenarios de sobrecarga o descarga profunda de las mismas. Este equilibrado es necesario debido a las pequeñas variaciones eléctricas que existen entre las propias celdas, por la imposibilidad de fabricarlas exactamente iguales entre sí. Típicamente, estas diferencias aumentan con el tiempo. Existen, básicamente, dos opciones para equilibrar las celdas: técnicas disipativas y no-disipativas. Las primeras se basan en la disipación de energía excedente. Las segundas buscan redistribuir la energía entre las celdas, y por lo tanto son más eficientes energéticamente, pero también implican electrónicas más complejas. 

Control del ciclo de carga de la batería

En el proceso de carga no se mantienen las condiciones de tensión, temperatura e intensidad durante todo el ciclo de carga, por ello el BMS deberá de ajustar el aporte de energía para controlar estos parámetros. Existen diferentes perfiles para realizar esta carga (Figura 3), que afectan a la velocidad del proceso y que tienen una influencia en el envejecimiento de la batería, y que pueden ser más o menos adecuados en función del tipo de batería que se trate. En esta línea, se puede priorizar la velocidad de carga (aumentando la degradación) o la vida de la batería (penalizando el tiempo necesario para la carga), aunque existen perfiles mixtos que ajustan esta priorización de forma activa y en función del SOC. 

Figura SEQ Figura \* ARABIC 3. Representación de diferentes perfiles de carga gestionados por un BMS (rojo: tensión de batería, azul: corriente de carga).

Gestión térmica 

La gestión térmica de la batería por los BMS es crítica para su seguridad y rendimiento, especialmente debido al uso de electrolitos líquidos inflamables y volátiles en muchas tecnologías actuales. Los BMS incorporan estrategias de monitorización y control térmico en tiempo real para mantener temperaturas operativas óptimas, mitigando así los riesgos asociados con la fuga térmica, el sobrecalentamiento y el peligroso fenómeno del termal runaway. Los sistemas de enfriamiento activo, integrados en algunos sistemas de almacenamiento por baterías, aseguran que se adhieran meticulosamente a los umbrales de temperatura (operación dentro de la SOA), mejorando la seguridad y la eficiencia de las operaciones de la batería. La incipiente tecnología de las baterías de electrolito sólido puede marcar un hito en cuanto a seguridad, al eliminarse los riesgos asociados a los electrolitos líquidos y facilitar la gestión térmica.

Perspectivas futuras e innovaciones en BMS

Los BMS se encuentran, al igual que las baterías, en un escenario de rápida evolución tecnológica e innovación. En este sentido, se sigue trabajando en la mejora de la algoritmia de estimación de estados de carga (SOC), pero sobre todo de estado de salud (SOH) y predicción de envejecimiento. Cobra prominencia la modularidad y escalabilidad de los BMS, pensando también en soluciones más independientes del tipo (electroquímica) de batería, e incluso de la configuración de la misma. La escalabilidad del BMS debería facilitar la expansión de los sistemas de almacenamiento, permitiendo el desarrollo de un proyecto en varias fases. Otra característica que gana importancia en los BMS es la reconfigurabilidad de los mismos, enfocada a adaptabilidad de baterías a diferentes tipos de aplicaciones. 

Desde el punto de la innovación se está trabajando, entre otros, en soluciones de BMS para baterías self-healing, un tipo de baterías con propiedades de autorreparación y que se están priorizando. En este caso, los BMS estarían encargados de detectar degradaciones, adaptarse a ellas, activar los mecanismos de autocuración, y reajustar la operación de la batería en función de su estado en cada momento. 

Otro aspecto innovador es la implantación de gemelos digitales a sistemas de almacenamiento. Los gemelos digitales son modelos matemáticos que representan sistemas reales de forma precisa, y que pueden incorporarse a sistemas de almacenamiento. Se pueden usar para comparar el modelo con medidas reales, analizar desviaciones (errores, funcionamientos incorrectos), que permitan el ajuste en tiempo real de la operativa del BMS. 

¿Qué hace ITG de cara a las baterías?

Desde ITG trabajamos en la integración de la inteligencia artificial y algoritmia de optimización en sistemas energéticos con renovables y almacenamiento, y en la optimización de los mismos, lo que incluye la comunicación bidireccional con sus BMS. Algunos proyectos en curso y en este sentido son DIGIBAT o AGERAR_PLUS. DIGIBAT busca la descarbonización de procesos industriales, mediante la optimización de las estrategias de operación y gestión de los sistemas almacenamiento con baterías, entre otros. AGERAR_PLUS va en una línea semejante de optimización, pero enfocada a pequeños y medianos prosumidores en redes eléctricas inteligentes. ITG también participa activamente en el propio desarrollo de BMS para baterías innovadoras, destacando el proyecto Powercrete, que busca desarrollar un hormigón específico que pueda utilizarse como batería electroquímica. 

Artículo publicado en el número 31 de Dínamo Técnica.

Autores: Ángel Álvarez Pardiñas, Pablo Carrasco Ortega, Pablo Durán Gómez y Julio César Mérida Sánchez. Ingenieros de I+D en ITG.