23 sept. 2016

Tipos de Sistemas de Control de Baterías (BMS); construyendo baterías a medida



Complementando la información ya abundante en este blog sobre las baterías, su reciclaje y reparación, y los BMS, entraré a analizar los tipos de BMS y calidades que nos podemos encontrar entre los BMS chinos.
La principal razón de la corta vida de las baterías de cualquier tipo suele ser su mala conservación; bien porque permanecen descargadas o porque se descargan más de lo conveniente (tanto las de plomo como las de Li-ion no toleran bien las descargas por debajo de un determinado nivel).
Para proteger las baterías (sobre todo las de litio, peligrosas si se sobrecargan o cortocircuitan), los "Battery Management Systems" o BMS entran en juego para un buen uso y larga vida de las baterías.

Cómo elegir el BMS que necesitamos


Antes de entrar en detalle a comparar los controles de carga, los que se inician en este mundo preguntan muchas veces qué control necesitan para la batería que quieren montar. Voy a intentar explicarlo en sus conceptos, pero informaros más a los que no tengáis experiencia con este tema.

El BMS va ligado a la batería; el tipo de tecnología, tasa de descarga, número de celdas es lo que necesitamos saber antes siquiera de comprar nada. Además debemos tener bien planificada la batería según la demanda del aparato en cuestión antes siquiera de pedir el material.

Imaginemos que tenemos un cochecito para niños movido por batería de plomo. Si tiene dos baterías de 6V en serie, necesita un total de 12V, y mirando el consumo (en este caso es el motor es de 100W, y lo que más consume) entonces necesitaremos montar una batería que pueda entregarnos al menos 8Ah (100/12). Si cogemos unas baterías de LiCo de las empleadas en portátiles, (Iones de litio y cobalto) necesitaremos al menos 3 pilas en cada celda (ya que tienen 1C de capacidad de descarga; en este caso alrededor de 2,5Ah cada una), con 3 celdas de 3,7V nominales (voltajes entre 9 y 12,6), con lo que con 9 baterías de 2,6Ah cada una estamos cubiertos.

El BMS en este caso tendrá que ser 3S (3 celdas en serie) y de 8A mínimo (recomendable 10A o más para que no haya intermitencias al cortarse el paso de corriente en las arrancadas de más consumo del motor) y para LiCo o LiPo (se las agrupa frecuentemente con la denominación Li-Ion, erróneamente porque de Li-ion hay muchas químicas diferentes).

Espero que ahora quede un poco más claro... :P

BMS para baterías de plomo


Un buen sistema de control de equilibrio entre celdas siempre es recomendable, ya que ninguna batería sale de fábrica exactamente igual, siempre tienen alguna diferencia (resistencia interna, capacidad), aunque en los sistemas de baterías de plomo a veces sea inviable por las altas corrientes que manejan, lo económicas que resultan las baterías, y su tolerancia a la sobrecarga, aunque existen sistemas de balanceado que alargan su duración al doble como éste, muy recomendables en los grandes packs de acumulación de energía solar:

Balanceador de 12V (equilibrando un pack de 4x6V en celdas de 2S)
Estos balanceadores tienen la pega del consumo en vacío de hasta 50mA (dependiendo del modelo) ya que están igualando constantemente, por lo que sólo es recomendable para baterías que se recargan a menudo (Acumulación de energía solar y equipos usados con frecuencia). A esto se suma la autodescarga de entre un 4 y un 10% mensual de este tipo de baterías.

BMS para baterías de iones de Litio


Hay a la venta controles chinos de carga con balanceo muy económicos, pero tenemos que tener cuidado con los que simplemente protegen la batería contra la sobrecarga/sobredescarga, los cuales hay que evitar, ya que en pocos ciclos terminamos extenuando una de las celdas.
Por ejemplo testeé el siguiente BMS de 8S para LifePo para poner en mi bici eléctrica, descargando totalmente una de las celdas, y la carga se detenía cuando alguna de las celdas alcanzaba el máximo, sin llegar a cargar del todo la más vacía. Si lo examinamos, vemos que no tiene ningún tipo de microcontrolador, simplemente hay un control de voltaje en cascada que detiene la carga o descarga si cualquiera de las celdas excede unos voltajes predeterminados. Y eso que en la página se indica que SÍ balancea, y a 70mA, lo cual no es cierto:
Este tipo de BMS sólo sirven para proteger las baterías en la carga/descarga

El siguiente en cambio, balancea correctamente, gracias a sus 2 microcontroladores 474D1, y puede entregar hasta 10A sin problema (15 o 20A con ventilación apropiada).
En los detalles técnicos se indica que balancea con una corriente de hasta 70mA máximo, por lo que, si tenemos las celdas muy desigualadas, no podremos cargar muy rápido:


Con éste mejor cargar a 500 mAh, ya que entonces el balanceo se nota más (70/500=14%) que si cargamos a 2Ah (70/2000=3,5% de balanceo), ya que los micros es lo máximo que pueden entregar de más a las celdas más bajas mientras se carga.

Detalle de los micros

La parte de atrás:


En la que se puede apreciar que cada celda está regulada y medida a partir del micro utilizando un conjunto de componentes; resistencia "101", regulador "2032" e integrado "13DBF" con resistencia y condensador de tántalo; en total 8 conjuntos conectados a los micros, 7 por detrás y el otro por delante (podría servir para 10, pero está "capado" como se puede ver por los dos huecos en los que faltan los componentes a la derecha):


Básicamente la mayoría de este tipo funciona de una de estas dos formas:
  1. Los controles sólo balancean durante la carga, como el comentado, que sobrealimenta ligeramente las celdas más bajas con los micros, con hasta 70mA, pero requiere de velocidades de carga a poca corriente para que se lleguen a balancear, ya que lo hace según se cargan todas, sin paradas. Si se carga a más de 1Ah puede que quede alguna desbalanceada.
  2. O bien, los más "inteligentes" balancean siempre las celdas y admiten más velocidad de carga, cargando hasta que una de las celdas se desbalancea, momento en el cual utiliza unas resistencias para eliminar en forma de calor el exceso de carga de las otras, en lo que es un proceso bastante lento, y tardará más en cargar cuanto más desigualadas estén (cargando en el orden de sólo 20mA), hasta llegar todas al voltaje programado. 
En ambos tipos, durante la descarga, lo único que hacen es monitorizar con los cables de balanceo, el voltaje de cada celda, de forma que cuando baje del voltaje programado (2,8V en este caso) para una de ellas, desconecta los MOSFET (desactivando su pin de control) cortando la alimentación de la batería completamente y de forma repentina (para no quedarnos tirados, necesitamos de algún indicador de carga para cargarla antes de que se vacíe demasiado, gestionado con otro elemento).
En definitiva; cuanto más igualadas estén las capacidades de todas las celdas, menos problemas tendremos para cargar la batería y mejor se conservarán todas las celdas. Sin embargo, en caso de haber diferencias, el balanceo las mantiene en perfecta armonía.

El esquema de conexionado facilitado por el vendedor:

Hay que prestar atención a dónde se colocan los cables de balanceo.


Ejemplo de otro BMS cableado a baterías Li-ion Cobalto (Ebikeschool.com)
He encontrado poca oferta de balanceadores LiFePo, ya que esta tecnología se utiliza muy poco en baterías, a pesar de sus increíbles cualidades. Del mismo fabricante, también tienen para LiFePo 10S y 60A de corriente de descarga.
Así que, en resumen, uid de los BMS sin microcontrolador central.

Preparando una batería 12V para Sai y cochecitos


En este caso, aproveché las baterías ANR26650/A1 que me quedaban para colocarlas en el viejo SAI que originalmente empleaba dos baterías de 6V plomo/gel colocadas en serie (y que estuve usando con viejas baterías de coche), pero bien podría valer otros usos, como incluso arrancar un coche o motocicleta de gran cilindrada, ya que el protector de batería puede entregar 300A instantáneos a 12V (hay gente que usa este sistema para ultraligeros por su peso):

Protector de batería sin balanceo de celdas
Al entregar 13,3V finales en la recarga, los 4 packs en serie de 2 baterías (4S2P) se quedan cargadas en unos saludables 3,32V cada uno, lo que supone una carga del 90% de su capacidad, y al no mantenerse al 100% alargamos su longevidad:



De esta forma pesa menos y tiene la misma capacidad; un SAI muy útil para evitar perder piezas en la impresora 3D en caso de que se vaya la luz :)



Lo mismo que con el BMS, tenemos que tener cuidado al elegir el tipo de batería, ya que cada química Li-ion las hace más adecuadas para unos proyectos que para otros, aunque cualquier batería puede servir para todo proyecto siempre y cuando se dimensione lo suficiente para no superar las corrientes de carga/descarga recomendadas por el fabricante por cada pila.

En este caso, necesitaba el SAI para la impresora 3D, que viene a consumir 60W/hora máximo (no tiene cama caliente), por lo que, para andar cubiertos y teniendo en cuenta que la eficiencia del inverter del SAI es del 85% aprox, necesito que la batería me pueda entregar 80W/h.
Estas ANR26650A de LifePo ya tienen casi 10 años, pero todavía conservan una capacidad de entre 1885 y 2000 mAh cada una, aunque la resistencia interna se ha triplicado por la degradación de la química con los años.
El cálculo pasando a amperios (W=V*A) es que 80W/12V=6,66Ah

Propiedades de las diferentes químicas Li-Ion

Según los materiales utilizados en la composición de la batería, ésta tendrá unas propiedades diferentes. Por ej. el manganeso aumenta la potencia pero disminuye la capacidad (las VTC4 y posteriores lo utilizan en diferentes porcentajes); el cobalto aumenta la capacidad pero disminuye la corriente que soporta sin dañarse, etc. 
Los fabricantes utilizan diferentes proporciones de níquel, cobalto, manganeso y otros materiales en la química para según las necesidades del equipo que las use, y en la carrera por conseguir más capacidad en menos peso y espacio para los coches eléctricos la tecnología va aumentando la capacidad. Más información en Battery University.
Propiedades resumidas generales de las baterías más usadas

He utilizado LifePo (Fosfato de hierro) porque su espectro de voltajes entre cargada y descargada varía de 2,9V a 3,4V, por lo que con 4 en serie ya tenemos los 12-13V requeridos. Además aceptan muy bien recargas rápidas de más de 2C sin dañarse (aunque no he comprobado qué amperios da el SAI al recargarlas), sin olvidar que pueden dar tranquilamente hasta 5C en descarga en el estado en que están (10A/h de corriente mantenida), así que podría bastarnos una en cada celda, aunque en ese caso sólo tendríamos 2000 mAh de capacidad (con un consumo de 70W nos duraría 70/12V=5,83A en una hora; con 2000 mAh serían 2000*60/5830=20,58 minutos).
No confundáis la corriente que es capaz de entregar un tipo de Li-ion con la capacidad de carga. La corriente se suele indicar en C's que es el multiplicador de intensidad máxima (con un valor para carga y otro para descarga); a mayor C,
más potencia pueden entregar sin dañarse (las LiPo pueden llegar a las 50C en descarga pero no más de 0,5-1C en carga). Hablé de ello más extensamente cuando preparé la primera batería de la bici.

Soldando el BMS

Para conectar el BMS yo conecto primero los cables principales de la batería; positivo y negativo, que suelen venir indicados con B+ (de balanceo) y B-, y luego voy conectando uno a uno los cables de balanceo, empezando por el lado positivo o negativo, y yendo en orden, con mucho cuidado de no equivocarme de polaridad o podemos estropear el BMS. 
Yo suelo tocar el BMS para ver si se calienta alguno de los integrados, si se calienta mucho es señal de que algo no está bien puesto; entonces tenemos que soltar todo rápidamente y revisar punto por punto.
El positivo de la batería va al positivo del motor/controlador y al positivo del cargador en este caso (imagen: Endless Sphere)

Las conexiones varían en cada BMS, y a veces no viene claro ni en las marcas del integrado ni en el esquema facilitado por el fabricante la colocación de los cables de balanceo, (a veces ni existe); en ese caso se puede averiguar conectando los principales de la batería (B+ y B-) y midiendo el voltaje que hay en los cables; os indicará a qué posición corresponde (por ejemplo si en el primero da +4,2V se trata de un BMS para LiPo/LiCo y ese cable iría en la primera celda empezando por el positivo.

Una vez conectado todo correctamente, si el BMS está bien (a mí más de una vez no me ha funcionado alguno porque el vendedor se ha equivocado y ha mandado para diferente número de celdas; 4S en vez de 3S por ej.), podréis comprobar que os da el voltaje deseado en los conectores P+ y P- que es donde por norma se carga y descarga y podremos usar cualquier cargador con una tolerancia de entre el voltaje total del pack + 5V, ya que el BMS se encarga de regular la carga y voltaje y parar cuando esté completamente cargada. Si no os da voltaje, puede ser que no se haya activado, algunos necesitan que los pongamos a cargar primero para activar la salida.

Si tenéis alguna duda, comentad bellacos!

Más info:
Litio-ferrofosfato (Wikipedia)
Batería de iones de Litio

23 comentarios:

  1. Que bueno.

    Yo tenía un SAI y al final se me murió la batería.

    ¿Esto serviría para que la vida de la batería durase más y también descargase la batería?
    O no es necesario descargar la batería?


    Saludos y muy interesantes tus proyectos y tus artículos.

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    1. Hola Luis Miguel, con 4000 mAh el SAI aguanta lo mismo que con unas de plomo nuevas, la gran ventaja es que aunque se descargue totalmente, no se degrada como las de plomo. Al poner LiFepo tengo batería para 20 años ya que se puede descargar hasta 2.000 veces sin perder más un 20% de capacidad. La ficha técnica de las ANR26650 que he puesto:
      https://drive.google.com/open?id=0B0nq1tbSSc_geTV1WV9QdWI5d2M
      Hay unos detalles a tener en cuenta a la hora de sustituir la de plomo por Li-ion (si quieres hacer lo mismo) que no había explicado y que voy a añadir ahora; podrás leerlo hacia el final.
      Gracias por el comentario, me alegra que te gusten, un saludo y un abrazo!!

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  2. Hola tengo una duda, sumando los voltajes de baterías li-ion por 6 celdas como me dijiste me da 22,2v no los 24v que necesita el motor de mi bici, pasa algo con eso?

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    1. Hola, pueden ser 6S o 7S, te valdrá igualmente, ya que totalmente cargadas serán 4,2V x 6 = 25,2V y es mejor no pasarse mucho (depende del control de la bici, si sabes el voltaje de corte, ya que algunos controles cortan para protegerla de descargarse demasiado, puedes ajustar mejor).
      Ten en cuenta que el voltaje para 7S te va a andar entre 3*7=21V descargada y 4,2Vx7=29,4V llena, se habla de un voltaje pero éste es una aproximación con la carga al 50%.
      En el mercado lo más habitual son BMS de 7 celdas para 24V, pero los de 6 también se consideran en ese rango aproximado. Al final se decide según necesidad de motor y control.

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  3. Es para una bicicleta trendline 250w 24v, que me recomiendas 6s o 7s

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    1. Yo le pondría 7 celdas en serie. Saludos

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  4. Hola amigo es maravilloso este tutorial tengo una duda es necesario colocar un balanceador para cargarlo o solo con el BMS es suficientemente y un transformador adecuado?

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    1. Buenas Julio, con un circuito de control de carga/descarga (un BMS sin balanceo, aunque también los hay que balancean) es suficiente para cargar/descargar, con que estén todas con el mismo voltaje antes de montar sería suficiente.
      El problema puede aparecer cuando son de diferente capacidad/potencia; al usarlas estarías usando los amperios de la celda de menos capacidad (además de que se desbalancearán si su resistencia interna es diferente, más rápidamente según sea la diferencia).
      En definitiva; puede usarse si las celdas son de iguales o similares características, y nos aseguramos de igualar el voltaje antes de montar (cargándolas a 4,1V por ejemplo).
      El BMS se encarga de proteger que ninguna de las celdas superen el voltaje máximo ni bajen por debajo del voltaje crítico (unos 2,9V). De todas formas, a menos que pongas un voltímetro para cada celda, lo mejor es cargar siempre después de usar (además que en unos meses el BMS va vaciando la batería, por lo que hace falta recargar cada X meses, X mayor cuando más capacidad tenga la batería).

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  5. Muy buenas, me ha gustado mucho la explicación, y tengo una preguntilla....
    Las baterías Lifepo4 tienen un voltaje inferior, cómo actúa el BMS para distinguirlas?, o hay BMS específicos?
    Muchas gracias, un saludo

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    1. Añado:
      Mi idea es sustituir las baterías de un taladro, que son 18V y de Ni-cd, quisiera usar las baterías de lifepo4 porque con 5 de ellas consigo los 18V exactos y porque la tasa de descarga es similar.
      Por otro lado, sería usable el propio cargador de la batería actual?, es decir, el BMS gestionaría bien la carga con él?.
      Si quieres recomendarme algo, soy todo oídos, un saludo y gracias.

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    2. Hola Zigor, he reparado bastantes baterías de 18V y lo mejor es poner 4 li-ion en serie con un BMS de 15A al menos, con lo q tienes 16,8V de voltaje máximo y va genial así.
      Ten en cuenta q las de Ni-CD bajan de voltaje enseguida.
      Lo importante es poner baterías de alta descarga como las VTC4 de Sony.

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    3. No había reparado en que tuvieran que ser de alta descarga.
      Muchas gracias por tu ayuda.

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    4. Otra cosa que no tengo clara es si valdrá su propio cargador, tengo miedo de que intente llegar a los 18V de carga y estropee el apaño, por eso me había planteado poner 5, de esa forma el propio cargador entendería que la batería está cargada en su voltaje justo y no sobrecargaría las baterías. Es así o me equivoco?

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    5. Hola Zigor, tu planteamiento es correcto; 5x4,2V=21V, el problema es que el cargador aunque indique que es de 18V o sea para batería Ni-MH de 18V, en realidad tiene un voltaje máximo de hasta 28V. Compruébalo con un tester y lo verás. En cualquier caso tendrías que buscar un cargador de 20V máximo exactos para 5 celdas o de 16V para 4 celdas, y podrías evitar poner BMS SIEMPRE Y CUANDO tengas mucho cuidado de que todas sean de las mismas características (edad, resistencia interna, capacidad, potencia), NUNCA llegue ninguna celda a tener menos de 2,9V y que nunca supere ninguna de ellas los 4,2V.
      Como ves es complicado no usar BMS sin dañarlas rápidamente, yo nunca lo he conseguido, por H o por B siempre terminaba alguna celda dañada, NO te lo recomiendo.

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    6. Mi idea era usar también un BMS, pero sobre todo busco usar el mismo cargador...
      Muchas gracias, comprobaré el voltaje de carga, no había caido en eso, no sabía que para cargar ni-cd subiera tanto el voltaje, pensaba que cortaría a los a los 18 o 21, pero que la carga fuese también a ese voltaje...

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  6. Efectivamente, el cargador da 28V, como puede ser eso si en su ficha marca un output de 18?.
    Me da que voy a tener que prescindir de ese cargador.
    Por cierto, no existirá ningún BMS con regulador de tendión, verdad?, sería una buena solución?

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    1. No... generalmente te admiten hasta 5V más pero con tanta diferencia puede estropearse el divisor de voltaje del mismo (procesador o chip). Mejor busca otro que realmente tenga el voltaje que necesitas.

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    2. Perdona David, pero es que soy muy cabezota, es lo que tenemos los del norte, jejeje.
      Podría modificar el cargador de alguna forma para bajarle el voltaje?
      otra cosa, he leído que el cargador podría dar carga pulsada y no contínua... cómo puedo comprobar eso?, con el tester leo 28V, lo que no sé es cada cuánto son los pulsos ni cuánto dura cada uno de ellos.
      Muchas gracias, de verdad.
      Prometo que, cuando haga la modificación de las baterías, voy a mandarte fotos del proceso y resultado.

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    3. Hola Zigor, yo tb soy del norte, en Llodio, te entiendo XD.
      Claro que puedes modificarlo, si hubieras leído mis entradas de electrónica sabrías cómo ;):
      http://miqueridopinwino.blogspot.com.es/2016/10/como-reutilizar-transformadores-para.html
      Lo de la carga pulsada es lo más peligroso para el BMS, son pulsos generalmente de 200 ms de duración cada segundo, pero sólo cuando la batería ya está llena, para mantener la carga, de un voltaje que puede ser hasta 4 veces el de la batería. Si pones un regulador de voltaje con un amplio rango de entrada te valdría.
      De todas formas esta carga pulsada sólo la hacen los cargadores buenos, y no hay muchos.

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  7. Hola David. Te dejo aqui mi consulta
    Tengo varias baterias Makita para taladro y radial a bateria. Estas baterias son de 18v y 3ah. Dichas baterias fallan al cabo de varios usos. Yo creo que se estropean por desbalanceo de alguna celda. Las celdas son sony vtc de alta tasa de descarga y 1.5ah
    Mi intencion es la se cambiarles el BMS original por otro aunque tenga que usar otro cargador no original. Que BMS me recomiendas que permita balanceo? Y el cargador? La configuración original es 2s5p

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    1. Efectívamente tras unas 20 recargas suelen perder capacidad, pero no es por el desbalanceo en sí, sino por el desbalanceo provocado porque la gente suele usarlas hasta dejarlas secas (al 0% de carga, con unos 2,5V la celda de menos carga), por lo que la celda del extremo sufre más que ninguna, perdiendo capacidad más rápido.
      Suelo reparar de ese tipo entre otras y recomiendo siempre que no vacíen la batería como se hacía con las NI-MH antiguas, sino recargar siempre que notemos algo de pérdida de potencia (antes que se pare, cuando tenga una ralla el indicador). Así duran mucho más.

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    2. Es difícil ponerles balanceo ya que la gente suele necesitar carga rápida y no da tiempo a balancear; para balancear hay que hacer recargas lentas que duran 4 veces más y los profesionales eso no lo admitirían. Pero si se cuida la batería no pasa eso tan rápido.
      Otra opción es hacer balanceo manual cada año o cada x tiempo; desarmar la batería e igualar (por abajo; a 3V) las celdas.

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    3. Y como se reparan este tipo de baterias? En su dia ya desmonte una, cambie 2 celdas que estaban a 0, pero aun asi no funcionaba. Le cambié la placa controladora pero tampoco volvió a funcionar y tuve que comprar otra, que con el precio que llevan fue todo un esfuerzo para mi, que soy un aficionado
      Habia pensado ponerle un cable de balanceo como las baterias de radicontrol, aunque quede en conector a la vista, y usar un multicargador lipo-litio-nccd-minh para cargarlas despues de reparadas
      Que me puedes recomendar?
      Gracias!

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