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Sistemas de gestión de baterías

8 de septiembre de 2025

Aumentar la fiabilidad de los sistemas BMS con transformadores

Autores: Samuel Lamprecht, Gerhard Stelzer

La transición hacia energías renovables en las redes eléctricas, especialmente la solar y eólica, cuya disponibilidad es variable, está generando una creciente demanda de sistemas de almacenamiento de energía de mayor capacidad. Para un funcionamiento fiable, estos sistemas requieren un sofisticado sistema de gestión de baterías (BMS, por sus siglas en inglés). Los transformadores BMS son una solución para aislar componentes y mejorar las propiedades EMC.

Dos pilares clave de la transición energética son el uso generalizado de sistemas fotovoltaicos y de energía eólica. El viento y la energía solar son, en principio, recursos inagotables y gratuitos, por lo que dichas fuentes de energía pueden utilizarse de forma respetuosa con el medio ambiente para producir electricidad. Lamentablemente, existe un pequeño problema: el viento y el sol no están siempre disponibles y su energía sujeta a una alta variabilidad. Para evitar interrupciones en el suministro eléctrico durante periodos prolongados sin viento ni sol, es necesario contar con capacidad de generación eléctrica o sistemas de almacenamiento energético que compensen temporalmente la el déficit de energía en la red. Un estudio práctico de la Agencia Federal Alemana de Medio Ambiente, así como un artículo en el portal «energie-experten.org» ofrecen una visión general de los distintos métodos de almacenamiento de energía eléctrica. La figura 1 muestra los métodos más comunes para almacenar energía eléctrica en términos de duración y capacidad de almacenamiento.

Figura 1: Métodos para el almacenamiento de energía eléctrica en términos de duración y capacidad de almacenamiento.Los avances en la tecnología de baterías hacen que los grandes sistemas de baterías resulten cada vez más atractivos como acumuladores de energía. Estos sistemas de almacenamiento de energía tienen la función de equilibrar la oferta energética fluctuante y la demanda variable, así como de amortiguar los picos de inyección y consumo.

De acuerdo con Kyon Energy, una empresa experta en tecnologías de almacenamiento para la transición energética, la capacidad de los grandes sistemas de baterías en Alemania crecerá 40 veces para 2030, llegando a 57 GWh y una potencia total de 15 GW. Este dato se basa en un estudio que la empresa junto con BayWa, Eco Stor, enspired y Fluence Energy encargó a la consultora Frontier Economics [3]. Según dicho estudio, los grandes sistemas de baterías tienen el potencial de crear un valor añadido para la economía de 12 000 millones de euros para 2050, al transferir la disponibilidad de electricidad desde períodos de excedente a períodos de déficit. Paralelamente, el estudio indica que los grandes sistemas de baterías contribuyen a reducir los precios mayoristas, disminuyendo el precio mayorista promedio entre 2030 y 2050 en aprox. 1 €/MWh. Si no existiera la posibilidad de estos los acumuladores estacionarios y hubiera que sustituirlos por centrales eléctricas de gas adicionales, habría que contar incluso con un precio mayorista promedio 4 €/MWh más alto entre 2030 y 2050.

¿Qué tipos de sistemas de almacenamiento con baterías existen?

Los sistemas de almacenamiento de energía aquí considerados suelen funcionar con celdas electroquímicas. Existen diferentes tipos de celdas electroquímicas que se distinguen por sus propiedades específicas y sus ámbitos de aplicación. Un ejemplo destacado son las ampliamente utilizadas celdas de batería de iones de litio. Dependiendo del ámbito de aplicación, estos sistemas pueden diferenciarse por su capacidad y potencia. El principio de funcionamiento físico es idéntico. Aunque no existe una relación directa entre la capacidad y la potencia máxima de carga o descarga, en la práctica suele asumirse que cuanto mayor es la capacidad de una batería, mayor puede ser también su potencia máxima de carga o descarga.

En primer lugar, resulta útil clasificar los sistemas en tres rangos de tamaño:

sistemas de almacenamiento de energía para hogares y pequeñas empresas, de 3 a 20 kWh
sistemas de almacenamiento de energía para comunidades y empresas, de 20 a 100 kWh
sistemas de almacenamiento de energía para operadores de redes eléctricas, de 100 kWh a 5 MWh

Figura 2: La gama de soluciones de almacenamiento de energía abarca desde los pequeños sistemas de baterías (de 3 a 20 kWh, izquierda) para hogares hasta los grandes (de 100 kWh a 5 MWh, derecha) para los operadores de red. (Fuente: Adobe Stock, a la derecha: phonlamaiphoto, izquierda: xiaoliangge)

¿Qué estructura presenta un sistema de almacenamiento con baterías?

Un sistema de almacenamiento con baterías consta esencialmente de un paquete de acumuladores con celdas individuales de batería, en las que tienen lugar procesos electroquímicos reversibles de carga y descarga. Sin embargo, debido a diversas influencias como las tolerancias de fabricación, el envejecimiento, etc., las celdas individuales de la batería no suelen comportarse de manera exactamente uniforme, sino que se caracterizan por desviaciones respecto al comportamiento de carga y descarga, así como respecto al estado de carga.

En este escenario entra en juego el sistema de gestión de baterías (BMS), que está diseñado para compensar estas diferencias en el comportamiento de la carga y su estado en las celdas individuales de la batería, de tal forma que se garantice un funcionamiento fiable y seguro de la batería. El BMS cuenta con una unidad de carga y monitorización que supervisa la corriente, la tensión y la temperatura de las celdas individuales de la batería y ésta está controlada por un controlador BMS (Fig. 3). El controlador BMS se comunica a su vez con unidades de control de rango superior por medio de sistemas de bus y controla el flujo de potencia de la batería. El BMS es básicamente el cerebro de la batería y monitoriza y calcula tres métricas clave: el estado de carga (SOC, State of Charge), el estado de salud (SOH, State of Health) y la capacidad residual. Sobre la base de la información recopilada, toma decisiones que repercuten en la potencia y la durabilidad de la batería. El BMS protege activamente la batería frente a riesgos como la descarga profunda, la sobrecarga y el sobrecalentamiento.

Funciones típicas de un BMS:

Protección de la batería ante condiciones de funcionamiento peligrosas, garantizando un uso dentro de parámetros seguros
Monitorización del estado de carga y de la salud de la batería
Cálculo de datos secundarios y elaboración de informes sobre dichos datos
Control de su entorno
Autentificación y/o equilibrado de las celdas de la batería

Figura 3: Estructura de un sistema de gestión de baterías. El módulo BMS en el centro supervisa las celdas de la batería y controla los procesos de carga y descarga.

¿Qué papel desempeñan los transformadores BMS?

Las celdas individuales de un paquete de acumuladores están conectadas en serie, al igual que los controladores BMS posteriores. Pueden producirse diferencias de tensión e interferencias electromagnéticas entre los componentes o placas de circuitos impresos conectados en serie. Se pueden utilizar transformadores para aislar los componentes entre el lado de alta tensión y el de baja tensión y suprimir así las interferencias EMI. Esto es sumamente importante para garantizar que no se transmiten tensiones peligrosas a las partes que se pueden tocar ni al BMS. Los transformadores WE-BMS cumplen esta función y crean el aislamiento del BMS y la supresión de interferencias EMI para un funcionamiento seguro y fiable. La figura 4 muestra el uso de transformadores WE-BMS en un sistema de gestión de baterías.

Figura 4: Los transformadores WE-BMS de Würth Elektronik proporcionan un aislamiento galvánico del BMS y los filtros en modo común suprimen las interferencias EMI.

¿Qué caracteriza a los transformadores WE-BMS?

Los transformadores WE-BMS de Würth Elektronik están diseñados para ofrecer una gran robustez y fiabilidad. Disponen de aislamiento reforzado de conformidad con las normas IEC 60664-1 e IEC 62368-1. Estas normas especifican los requisitos de seguridad de los transformadores y de los equipos de audio/vídeo y de tecnología de la información y la comunicación. En cuanto a la energía eléctrica, se describen, entre otros, los requisitos para las pruebas de alta tensión, las resistencias de aislamiento y las distancias de aislamiento y fuga. Además, están equipados en el lado primario y secundario con un cable triple aislado para soportar la máxima tensión de trabajo. Para garantizar la durabilidad del aislamiento, los transformadores WE-BMS se someten a una prueba de descarga parcial conforme a la norma IEC 60664-1.

La tensión de trabajo de la última ampliación de la gama de transformadores WE-BMS se ha incrementado de 1000 a1500 V_DC. La tensión de prueba se ha aumentado de 4300 a 6400 V_DC. Los transformadores están previstos para una temperatura de funcionamiento de -40 a +125 °C y cuentan con la certificación UL conforme a la norma UL 62368-1, según el documento E507007.

Aislamiento, distancias de fuga y de aislamiento

Los aspectos importantes en el diseño de un transformador BMS según la norma IEC 62368-1 son las distancias de aislamiento y de fuga, así como la selección de un aislamiento adecuado para el hilo. Se distingue entre aislamiento funcional, básico, suplementario y reforzado. Las diferencias en el aislamiento pueden verse en la figura 5.

Figura 5: En el aislamiento del hilo se distingue entre aislamiento funcional, básico, suplementario y reforzado.

El aislamiento funcional (functional) es el nivel básico necesario para la funcionalidad. Sin embargo, este tipo de aislamiento no evita las descargas eléctricas. El aislamiento básico (basic) proporciona al usuario una protección sencilla contra las descargas eléctricas. El aislamiento suplementario (supplementary) va más allá del aislamiento básico y ofrece una protección adicional. El aislamiento reforzado (reinforced) proporciona una capa adicional que funciona de forma similar al aislamiento suplementario. Aunque falle el aislamiento básico, el aislamiento adicional sigue siendo eficaz y protege al usuario.

La distancia de aislamiento (clearance distance) es la distancia más corta entre dos partes conductoras (conductors). Es importante asegurar distancias de aislamiento suficientes para proteger a las personas y a los equipos de los efectos de las tensiones eléctricas de trabajo. La distancia de aislamiento necesaria se calcula determinando la categoría de sobretensión, el grado de contaminación y la tensión de trabajo. A continuación, puede determinarse la distancia de aislamiento mínima utilizando la tabla 14 de la norma anterior.

La distancia de fuga (creepage distance) es la distancia más corta a lo largo de la superficie de un material aislante entre dos partes conductoras. La distancia de fuga se determina de forma similar a la distancia de aislamiento, pero incluye el índice de seguimiento comparativo (CTI) del material. Determinando la categoría de sobretensión, el grado de contaminación y la tensión de trabajo, puede calcularse la distancia de fuga mínima utilizando la tabla 17 de la norma.

La diferencia entre las distancias de aislamiento y de fuga se ilustra en la figura 6.

Figura 6: Distancias de fuga (creepage) y de separación en el transformador BMS.

A modo de resumen puede afirmarse que los transformadores especializados de Würth Elektronik mejoran la seguridad y fiabilidad de los sistemas de gestión de baterías.