Los sistemas de gestión de baterías (BMS) son la piedra angular de la seguridad de los vehículos eléctricos modernos y del almacenamiento de energía. Controlan los voltajes de las celdas, regulan la carga y descarga, equilibran las cargas de las celdas y protegen los paquetes para que no funcionen fuera de los rangos de temperatura seguros. Para la mayor parte de la industria, el sistema de gestión de baterías es el guardián de la batería, la última línea de defensa contra fallos catastróficos.

Sin embargo, cada vez hay más pruebas de que el BMS convencional, a pesar de su sofisticación, tiene puntos ciegos críticos. No puede detectar los primeros signos de fuga térmica, detectar la humedad que se acumula en el interior de una batería o registrar la carga de choque que absorbe una batería en caso de colisión.

Estas son las lagunas que, en condiciones reales, permiten que los incendios de baterías no se detecten hasta que ya son desastrosos, y que dejan a ingenieros, operadores de flotas y aseguradoras sin los datos que necesitan para tomar decisiones informadas sobre el estado de las baterías. Entender en qué se quedan cortos los sistemas convencionales de gestión de baterías y lo que hace falta para subsanar esas deficiencias es esencial para cualquiera que se dedique al diseño o la explotación de baterías de iones de litio en la actualidad.

¿Qué es un sistema de gestión de baterías?

Un sistema de gestión de baterías es un sistema de control electrónico integrado en una batería. Sus funciones principales consisten en medir y notificar la tensión y la temperatura de las celdas, evitar que se sobrecarguen o sobredescarguen, equilibrar el estado de carga de cada celda y proporcionar una estimación general del estado de carga (SoC) y del estado de salud (SoH) al vehículo o sistema anfitrión.

En un vehículo eléctrico moderno, el sistema de gestión de la batería se comunica a través de un bus CAN, transmitiendo datos al controlador de la cadena cinemática del vehículo y, en muchos casos, a sistemas telemáticos en la nube. Se trata de una tecnología madura y bien entendida. La mayoría de los marcos reguladores de la seguridad de los vehículos eléctricos dan por sentado el sistema de gestión de la batería.

El problema no es que los sistemas de gestión de baterías estén mal diseñados. El problema es que se diseñaron en torno a un conjunto relativamente limitado de parámetros medibles de tensión y temperatura. Lamentablemente, el voltaje y la temperatura por sí solos no cuentan la historia completa de lo que está sucediendo en el interior de una batería.

Las limitaciones de los sistemas convencionales de gestión de baterías

Control disperso de la temperatura

La mayoría de las arquitecturas de sistemas de gestión de baterías colocan sensores de temperatura a intervalos a lo largo del pack, normalmente un sensor por módulo, o incluso uno por cada varias celdas. Esto significa que una célula anómala situada entre dos puntos de sensor puede experimentar un aumento significativo de la temperatura antes de que ninguna medición lo capte. En un módulo de iones de litio densamente empaquetado, la distancia entre una célula defectuosa y el sensor de temperatura más cercano puede ser suficiente para que un evento térmico se desarrolle sin ser detectado.

Enmascaramiento de tensión

Detectar la degradación temprana de las células mediante mediciones de tensión es intrínsecamente difícil en las configuraciones de células en paralelo. Cuando una célula de un grupo en paralelo empieza a fallar, el resto de células apuntalan la tensión terminal del grupo en su conjunto, enmascarando la anomalía. Para cuando una desviación de la tensión se hace visible en el sistema de gestión de la batería, la célula que falla puede encontrarse ya en un avanzado estado de degradación. El sistema de gestión de baterías, en efecto, puede ser engañado por la propia arquitectura del pack que está protegiendo.

Sin detección de gas

Una de las limitaciones más importantes de los sistemas convencionales de gestión de baterías es que no disponen de medios para detectar los gases que emiten las celdas de la batería cuando empiezan a desgasificarse. El desprendimiento de gases de las celdas es el primer signo observable de embalamiento térmico. En los minutos previos a que una célula alcance las temperaturas que desencadenan un incendio o una explosión, libera compuestos orgánicos volátiles (COV) y, en algunos casos de fallo, hidrógeno. Estos gases se pueden medir y distinguir. Un sistema convencional de gestión de baterías no puede medirlos.

Pruebas independientes realizadas por Sandia National Laboratories demostraron que la detección de COV puede proporcionar más de siete minutos de advertencia antes de que se produzca el desbordamiento térmico, una ventana que los sensores de temperatura por sí solos simplemente no pueden ofrecer.

Esa ventana de siete minutos importa enormemente. Es la diferencia entre una parada controlada del sistema, una evacuación segura del vehículo o el aislamiento de un circuito y un incendio que no se puede detener. El Reglamento Técnico Global sobre Seguridad de los Vehículos Eléctricos (GTR20) aborda específicamente la necesidad de sistemas de alerta temprana que permitan la evacuación segura de los ocupantes. Un sistema de gestión de la batería basado únicamente en la temperatura no puede cumplir ese requisito de forma fiable.

Sin control de humedad

La entrada de agua es una grave amenaza para la longevidad y la seguridad de las baterías. La humedad en el interior de un pack compromete el aislamiento de las celdas, favorece la corrosión y aumenta el riesgo de cortocircuitos. En las baterías refrigeradas por líquido, puede formarse condensación en los componentes internos cuando la temperatura del refrigerante desciende por debajo del punto de rocío del aire en el interior de la carcasa, una situación especialmente probable durante los arranques en frío o después de ciclos de refrigeración agresivos. Los sistemas convencionales de gestión de baterías carecen de medios para detectar la humedad o hacer un seguimiento del punto de rocío, por lo que este modo de fallo queda totalmente desatendido.

Sin grabación de impactos ni golpes

Cuando un vehículo eléctrico se ve implicado en una colisión, la integridad mecánica del pack de baterías queda inmediatamente en entredicho. Los sistemas actuales de gestión de baterías no registran las cargas de choque que ha sufrido el paquete. Los ingenieros encargados de evaluar el estado de la batería tras el incidente deben basarse en la inspección visual y, si están disponibles, en los datos de telemetría del vehículo, ninguno de los cuales proporciona una imagen fiable de si la estructura interna del pack se ha visto comprometida. Sin esos datos, las opciones son limitadas: desechar el pack o aceptar un riesgo desconocido.

Los riesgos que crean estas lagunas

Consideradas individualmente, cada una de estas limitaciones de los sistemas de gestión de baterías representa una laguna de supervisión. En conjunto, representan una vulnerabilidad sistémica en la arquitectura de seguridad de las baterías de iones de litio, que tiene consecuencias reales para los fabricantes de vehículos eléctricos, los operadores de flotas, los integradores de baterías de segunda vida y los usuarios finales.

Los atropellos térmicos en vehículos eléctricos reciben una atención mediática desproporcionada en relación con su frecuencia estadística. Pero el impacto de esa atención en la adopción de los vehículos eléctricos es mensurable. Cada incendio de baterías de gran repercusión refuerza el escepticismo público sobre la seguridad de los vehículos eléctricos. La capacidad de la industria para demostrar que los eventos térmicos son detectables antes de que se conviertan en catastróficos y que existen los datos para responder adecuadamente no es una mera cuestión técnica. Es una cuestión comercial y de reputación.

Para el creciente mercado de las baterías de segunda vida, las lagunas son igualmente importantes. Una batería de VE destinada a ser reutilizada en un sistema estacionario de almacenamiento de energía lleva consigo un historial desconocido. Sin un registro detallado de los golpes que ha sufrido, las condiciones de humedad en las que ha operado y los eventos térmicos (por pequeños que sean) que haya experimentado, el perfil de riesgo de esa batería es en gran medida una conjetura. Esto genera dudas en toda la cadena de suministro y limita la viabilidad económica de los modelos de baterías circulares.

Cerrar las brechas: El papel de la guardia celular

El sensor Cell Guard de Metis Engineering se desarrolló específicamente para abordar los puntos ciegos de supervisión que los sistemas convencionales de gestión de baterías dejan al descubierto. En lugar de sustituir al sistema de gestión de baterías, Cell Guard opera junto a él proporcionando una capa complementaria de datos ambientales y físicos que las mediciones de tensión y temperatura por sí solas no pueden ofrecer.

Cell Guard es un sensor compacto basado en CAN diseñado para instalarse cerca del puerto de ventilación de una batería o de un armario de almacenamiento de energía. Desde esa posición, supervisa continuamente los compuestos orgánicos volátiles (COV), la presión absoluta, la temperatura del aire, la humedad relativa, el punto de rocío y, en su configuración ampliada, la concentración de hidrógeno. Un acelerómetro opcional de tres ejes añade la capacidad de registrar cargas de choque de hasta 24 G, incluida la magnitud y duración de cualquier impacto.

Cada uno de estos parámetros aborda directamente una carencia específica del sistema convencional de gestión de baterías. La detección de compuestos orgánicos volátiles (COV) avisa lo antes posible de la ventilación de las celdas, activando una alerta cuando todavía se puede evitar el embalamiento térmico. La supervisión de la humedad y el punto de rocío señala la entrada de humedad y el riesgo de condensación al que se enfrentan las baterías refrigeradas por líquido. Los datos de golpes proporcionan un registro verificable de las tensiones mecánicas que ha sufrido el pack, una información muy valiosa para la evaluación posterior al incidente, la reventa de la batería y las decisiones de reutilización.

Cell Guard detectó un evento de fuga térmica en menos de 60 segundos en pruebas independientes y proporcionó datos de advertencia procesables más de siete minutos antes que las tecnologías de sensores de la competencia que utilizan únicamente la detección de hidrógeno.

Esta validación independiente, llevada a cabo por Sandia National Laboratories y publicada en el Journal of the Electrochemical Society, confirma lo que Metis Engineering diseñó Cell Guard para demostrar, que la detección de COV es un método de alerta temprana significativamente más eficaz que la detección de hidrógeno, precisamente porque los COV se emiten durante la fase de ventilación de la célula antes de la generación de hidrógeno, y mucho antes de que las temperaturas alcancen el umbral para un fallo desastroso.

Cell Guard también está diseñado para una integración práctica. Su velocidad y dirección de bus CAN configurables, su conector Molex Nano-Fit y su formato compacto permiten instalarlo en nuevos paquetes de baterías o adaptarlo a arquitecturas existentes sin alterar el diseño del paquete ni el flujo de aire. Funciona en un modo de supervisión de bajo consumo, transmitiendo en CAN sólo cuando se supera un umbral preestablecido, lo que minimiza el consumo parasitario y garantiza que las alertas se generen sin demora cuando son importantes.

Aplicaciones a lo largo del ciclo de vida de la batería

Los casos de uso de Cell Guard abarcan todo el ciclo de vida de la batería, desde la primera instalación hasta la segunda vida útil. En vehículos eléctricos como turismos, autobuses comerciales, aeronaves eVTOL, embarcaciones y plataformas de micromovilidad, Cell Guard proporciona la capacidad de alerta temprana que permite la evacuación segura y el apagado controlado del sistema antes de que se produzca el desbordamiento térmico.

En los sistemas estacionarios de almacenamiento de energía, ya sea a escala de red, comercial o residencial, Cell Guard proporciona una supervisión ambiental continua en instalaciones de temperatura variable, donde las consecuencias de la acumulación de humedad o gas no detectados son igualmente graves.

Para el mercado de baterías de segunda vida, los datos del acelerómetro y los registros medioambientales que Cell Guard acumula a lo largo de la vida operativa de una batería son directamente relevantes para el concepto emergente de pasaporte de batería, un registro trazable y verificable del estado de la batería que sustenta decisiones seguras de reutilización y reventa. Allye Energy, que integra baterías de vehículos eléctricos reutilizadas en sistemas de almacenamiento de energía a escala de red, ha desplegado Cell Guard con acelerómetro precisamente para dar respuesta a este requisito.

Cell Guard ha sido probado y certificado según las normas ISO de automoción, incluidas ISO7637-2, ISO16750-2 e ISO16750-4, y se ensambla en el Reino Unido en condiciones de calidad certificadas por ISO9001. Actualmente se utiliza en aplicaciones ASIL B en una serie de programas de fabricantes de equipos originales y de primer nivel.

Una imagen más completa del estado de las baterías

Los sistemas de gestión de baterías son una parte indispensable de la arquitectura de seguridad de los VE y los SEE. Sin embargo, la suposición de que un sistema de gestión de baterías por sí solo es suficiente para proteger un paquete de baterías de iones de litio de todos los modos de fallo previsibles ya no es sostenible, no teniendo en cuenta lo que sabemos acerca de cómo progresa el desbordamiento térmico, cómo se desarrollan los daños por humedad y cómo se acumula la tensión mecánica a lo largo de la vida útil de una batería.

Cell Guard no sustituye al sistema de gestión de baterías. Es la capa complementaria que colma las lagunas que los sistemas de gestión de baterías no pueden cubrir, proporcionando a ingenieros, operadores de flotas e integradores de sistemas los datos que necesitan para detectar antes los problemas, responder más rápidamente y tomar decisiones mejor informadas sobre el estado de las baterías desde su fabricación hasta el final de su vida útil.

Para las empresas que diseñan o explotan sistemas de baterías de iones de litio, la cuestión ya no es si es necesaria una supervisión adicional. La cuestión es qué parámetros vigilar y cómo integrar esa capacidad de la forma más eficaz en la arquitectura de un sistema existente. Cell Guard responde a ambas preguntas.

Más información

Para obtener más información sobre Cell Guard o solicitar una muestra del producto, visite Cell Guard - Metis Engineering o póngase en contacto con el equipo de ingeniería de Metis en info@metisengineering.com