Gestión de baterías de vehículos eléctricos: supervisión, estimación y control

El sistema de gestión de la batería (BMS) de un vehículo eléctrico convierte las mediciones de tensión, corriente y temperatura en estimaciones del estado de la batería y en límites de potencia de carga y propulsión. También supervisa la conexión eléctrica de la batería con el vehículo y responde a los fallos.

Este capítulo explica esas mediciones y decisiones. Battery Pack and Configuration describe la disposición eléctrica sobre la que actúan.

Qué mide el BMS

Las celdas conectadas directamente en paralelo comparten la tensión en sus terminales. Por eso, el BMS normalmente mide cada grupo paralelo como una posición de la conexión en serie. Un pack hipotético 108s4p contiene 432 celdas físicas, pero tiene 108 tensiones de grupos en serie que supervisar.

Estas lecturas revelan diferencias que la tensión total del pack puede ocultar. Una lectura alta en un grupo puede compensar otra baja en otro punto, dando un total aparentemente normal. El controlador necesita las lecturas individuales para identificar qué grupo se aproxima a un límite.

Además de estas tensiones, el BMS utiliza mediciones de corriente del pack y sensores de temperatura. Las temperaturas medidas corresponden a las ubicaciones de los sensores; no miden directamente cada punto del interior de cada celda. La supervisión del pack también comprueba la alta tensión y el aislamiento eléctrico, mientras que los circuitos de diagnóstico informan sobre las conexiones y los estados de conmutación. Texas Instruments: automotive battery-management systems

La integración de la corriente a lo largo del tiempo ayuda a estimar la carga restante. La tensión y la temperatura restringen la corriente permitida.

Cómo se organiza el hardware

La electrónica del BMS puede ser centralizada, modular o distribuida. En la clasificación de Nexperia, un BMS centralizado gestiona todo el pack desde una unidad central. Una configuración modular reparte la supervisión y el control entre unidades responsables de subconjuntos de módulos, que se comunican con un controlador central. Una configuración distribuida sitúa la supervisión y el equilibrado en celdas individuales o grupos pequeños, conectados por un bus de comunicación. Nexperia: Battery Management System technical guide

El diseño de referencia de NXP de 2023 para aplicaciones de 800 V ilustra estas funciones con unidades de supervisión de celdas, una unidad de gestión de la batería y una caja de conexiones de la batería. NXP: 800 V BMS reference-design user guide (2023)

Unidades de supervisión y controlador

Las unidades de supervisión de celdas (CMU) miden las tensiones de los grupos y las señales de los sensores de temperatura cerca de las celdas. También pueden incorporar circuitos de equilibrado. La unidad de gestión de la batería (BMU) recopila estas lecturas y ejecuta el software de control. NXP: 800 V BMS reference-design user guide (2023)

Los enlaces cableados pueden conectar los dispositivos de supervisión en cadena. Una ruta de comunicación redundante puede mantener el acceso a las mediciones tras el fallo de un enlace, siempre que el hardware y la estrategia de control lo permitan. Texas Instruments: functional safety in battery management (2020)

Un BMS inalámbrico sustituye el cableado de comunicación entre la electrónica de supervisión de celdas y el controlador central por un enlace de radio. Analog Devices describe este enlace en su sistema BMS inalámbrico. Analog Devices: wireless battery management (2022) La medición de tensión y el equilibrado siguen siendo funciones eléctricas locales en las celdas. NXP: 800 V BMS reference-design user guide (2023)

La caja de conexiones de la batería

La caja de conexiones de la batería (BJB) contiene las conexiones de alta corriente y los dispositivos de conmutación del pack; la disposición de sus sensores varía. TI distingue entre una caja convencional cuyos cables de medición llegan a la BMU y una caja inteligente con un dispositivo local de supervisión del pack. Texas Instruments: intelligent battery junction boxes (2022)

Es importante sincronizar las muestras de tensión y corriente: unas lecturas tomadas en instantes diferentes mientras cambia la carga pueden distorsionar los cálculos de potencia y resistencia. Texas Instruments: intelligent battery junction boxes (2022)

Estimar carga, energía, potencia y estado de salud

El BMS calcula magnitudes que los sensores no pueden medir directamente. Sus definiciones y condiciones de referencia determinan qué significa un porcentaje mostrado o un valor de diagnóstico.

Estado de carga

El estado de carga (SOC) expresa la carga eléctrica restante respecto a una capacidad de carga de referencia, normalmente como porcentaje. El conteo de culombios sigue la carga que entra y sale integrando la corriente a lo largo del tiempo. Analog Devices: SOC and SOH estimation techniques (2023)

En un ejemplo simplificado, una corriente de descarga constante de 10 A durante 30 minutos extrae 5 Ah. Frente a una capacidad de referencia fija de 100 Ah, esto representa cinco puntos porcentuales de SOC. El cálculo sigue la carga; calcular la energía también requiere la tensión.

Un desplazamiento persistente de la lectura del sensor de corriente genera un error acumulativo al integrar la corriente en el tiempo. El análisis de Analog Devices sobre la precisión del conteo de culombios describe este desplazamiento y otros errores de medición. Analog Devices: accuracy of coulomb-counting systems (2000)

El cálculo también necesita un SOC inicial. La tensión puede ayudar a corregir la estimación, pero responde a la carga y a la temperatura. Los estimadores basados en modelos, como los filtros de Kalman, combinan las mediciones con el comportamiento previsto de la batería para actualizar el SOC. Analog Devices: SOC and SOH estimation techniques (2023)

Las celdas LFP dificultan especialmente la estimación por tensión en la zona plana de su curva de tensión en circuito abierto. La histéresis también hace que la tensión dependa del recorrido de carga o descarga anterior. El estudio de Che y sus colaboradores de 2025 examina estas dificultades y el uso de mediciones de relajación para corregir las estimaciones del SOC. Che et al.: Enhanced SOC Estimation for LFP Batteries (2025) Cell Chemistry and Components explica los materiales implicados.

El porcentaje del cuadro de instrumentos transforma después la estimación de la batería en una escala destinada al conductor. Los valores mostrados de 100% y 0% no tienen por qué coincidir con los límites operativos de las celdas ni con el agotamiento de toda la energía accesible; Battery Buffer and Usable Capacity explica la distinción.

Una medición de tensión en circuito abierto tras un reposo suficientemente largo puede aportar una nueva referencia de SOC mediante la relación tensión–SOC de la celda. Analog Devices: SOC and SOH estimation techniques (2023) Corregir la estimación puede, por tanto, cambiar el porcentaje mostrado sin añadir energía ni recuperar capacidad perdida. Las rutinas de carga deben seguir el manual del vehículo.

Energía restante y estado de energía

La energía utilizable restante se expresa en kWh. El estado de energía (SOE), en cambio, puede expresarse como fracción o porcentaje: MathWorks lo define como la energía restante dividida por la energía total de referencia. Para comparar valores deben quedar claras la referencia y las condiciones de descarga. MathWorks: state-of-energy estimator

Los porcentajes de SOC y SOE no tienen por qué coincidir, porque la tensión varía durante la descarga. Dos baterías con el mismo SOC también pueden tener distintas cantidades de energía restante simplemente porque sus capacidades son diferentes.

Estado de potencia

El estado de potencia (SOP) describe la potencia que una batería puede aceptar o entregar dentro de sus límites durante un tiempo determinado. Las capacidades de carga y descarga se calculan por separado. Un pico breve y una entrega sostenida representan exigencias de funcionamiento diferentes.

Un estimador de potencia considera cómo responderá la tensión de las celdas a la corriente, utilizando factores como el SOC, la temperatura y la resistencia. La corriente permitida del pack debe respetar las restricciones de los grupos de celdas limitantes y los límites del propio pack. El modelo de potencia de batería de MathWorks ilustra este cálculo durante un periodo de predicción definido. MathWorks: battery power estimator

Estado de salud

El estado de salud (SOH) describe las capacidades de la batería respecto a una referencia, habitualmente la batería nueva. La conservación de capacidad y la capacidad de entregar potencia son aspectos diferentes. Un porcentaje de SOH requiere una métrica y una base de comparación definidas. Analog Devices: SOC and SOH estimation techniques (2023)

El manual estadounidense de Tesla para el Model 3 de 2017–2023 distingue una evaluación de salud con datos del BMS de una prueba opcional que informa sobre la conservación de energía respecto al estado nuevo. El manual señala que la prueba puede no estar disponible en todos los vehículos. Tesla Model 3 (2017–2023): high-voltage battery health, US manual

Battery Degradation trata con más detalle la pérdida de capacidad y el aumento de resistencia.

Conectar y proteger el circuito de alta tensión

Los contactores son interruptores accionados eléctricamente que conectan la batería al circuito de alta tensión del vehículo. Antes de permitir esa conexión, la lógica de control comprueba las mediciones y señales de fallo pertinentes.

Precarga

Los equipos de alta tensión, como el inversor, contienen condensadores. Conectar directamente a la batería un condensador del enlace de corriente continua descargado puede generar una gran corriente de irrupción, dañar componentes o soldar las superficies de los contactores. Un circuito de precarga convencional lo carga primero a través de una resistencia. Texas Instruments: high-voltage precharge circuits (2021)

En el esquema de TI, el contactor principal negativo y el circuito de precarga se cierran mientras el contactor principal positivo permanece abierto. Cuando la tensión del lado de la carga se aproxima a la de la batería, los contactores principales pasan a conducir la corriente y la rama de precarga queda abierta. Texas Instruments: high-voltage precharge circuits (2021)

Las mediciones de tensión en los lados de batería y carga permiten al controlador seguir la precarga y contribuyen al diagnóstico de la conmutación. Texas Instruments: intelligent battery junction boxes (2022) Las lecturas deben interpretarse según el estado operativo del circuito: la precarga aproxima ambas tensiones mientras el contactor principal positivo sigue abierto, por lo que unas tensiones coincidentes no bastan para demostrar que se ha cerrado. Texas Instruments: high-voltage precharge circuits (2021)

Supervisión del aislamiento y del enclavamiento

La supervisión del aislamiento comprueba la resistencia eléctrica entre el circuito de alta tensión y el chasis. Detecta un camino conductor no deseado, en lugar de comprobar únicamente si un conector está encajado. La BJB de referencia de NXP incluye supervisión del aislamiento entre la batería y el chasis. NXP: 800 V BMS reference-design user guide (2023)

El bucle de enclavamiento de alta tensión (HVIL) es un circuito independiente de baja tensión que atraviesa las conexiones supervisadas. El diseño de referencia de TI distingue conexiones cerradas, conexiones abiertas y cortocircuitos, y comunica su estado a la lógica de seguridad del vehículo. Texas Instruments: high-voltage interlock reference design (2024) Por tanto, un fallo de enclavamiento y uno de aislamiento describen problemas diferentes, aunque cualquiera de ellos pueda impedir que el vehículo habilite la alta tensión.

La respuesta depende del fallo

Las decisiones de protección dependen del fallo y del estado operativo del vehículo. Pueden incluir limitar la potencia, detener la carga, avisar al conductor o impedir la reconexión. Una sobrecorriente grave puede activar una protección más rápida: TI describe una salida dedicada del dispositivo de supervisión del pack capaz de accionar un desconectador pirotécnico. Texas Instruments: intelligent battery junction boxes (2022)

La seguridad funcional también aborda los fallos de la propia electrónica de supervisión y control. ISO/TR 9968:2023 proporciona un marco informativo para aplicar la metodología ISO 26262 en sistemas recargables de almacenamiento de energía, incluidos el BMS, las celdas y las conexiones. ISO/TR 9968:2023: functional safety of rechargeable energy-storage systems

Abrir los contactores aísla el circuito externo, pero deja energía almacenada en las celdas y tensión en los conductores internos. Battery Safety trata los fallos internos de las celdas, la contención física y la protección frente a la propagación.

Cómo afectan los límites a la carga y la conducción

El BMS comunica los límites permitidos de carga y descarga a los demás controladores del vehículo. Durante la carga rápida, el controlador de carga utiliza los límites de la batería al solicitar corriente a la estación. La capacidad del cargador y el hardware del vehículo pueden imponer más límites; Battery Charging and Charging Performance explica su efecto sobre la curva de carga completa.

Cuando la tensión de un grupo de celdas se aproxima a su límite superior, disminuye la corriente de carga permitida. Durante la descarga, una caída de tensión en un grupo limitante puede restringir la corriente disponible para propulsión. Por eso, el conductor puede notar una aceleración reducida aunque quede energía en el pack. MathWorks: battery power estimator

La frenada regenerativa devuelve energía a la batería y debe respetar su límite de potencia de carga. La compensación automática mediante los frenos de fricción depende del vehículo y de los ajustes. Por ejemplo, el manual estadounidense de Tesla para el Model 3 de 2024 en adelante describe una función seleccionable que acciona los frenos convencionales cuando la regeneración está limitada por una batería fría o completamente cargada. Esa compensación puede no funcionar si los frenos están extremadamente calientes. Tesla Model 3 (2024+): braking and stopping, US manual

A partir de las mediciones de temperatura, el BMS comunica al sistema de gestión térmica las solicitudes de calentamiento y refrigeración, junto con los límites de carga y descarga. Nexperia: Battery Management System technical guide Battery Thermal Management explica las vías de transferencia de calor y las estrategias de preacondicionamiento.

Equilibrado e información de diagnóstico

El equilibrado reduce las diferencias de nivel de carga entre grupos conectados en serie. En un sistema pasivo, una resistencia disipa energía de determinados grupos para que otros puedan seguir cargándose. Analog Devices: passive battery cell balancing (2016) El equilibrado cambia la distribución de la carga; la calibración del SOC cambia la estimación. Los métodos y sus límites se explican en Cell Balancing.

La información de diagnóstico ayuda a distinguir un problema de celda de otro de medición o conexión. Por ejemplo, un cable de medición de tensión desconectado puede eliminar una lectura válida sin que la propia celda haya fallado. Los fallos de comunicación también pueden dejar al controlador sin mediciones, por lo que podría carecer de la información necesaria para permitir que continúe el funcionamiento. Texas Instruments: functional safety in battery management (2020)

Al interpretar un porcentaje de diagnóstico, compruebe si procede de una estimación durante el funcionamiento normal o de una prueba, qué mide y qué referencia utiliza.