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Volver al modelo ↑Cómo funcionan juntas las piezas
Observe un día de flujo de energía
Todo el sistema está en una pared de garaje: el arreglo solar a la izquierda, el poste eléctrico más allá, el gabinete de batería y el inversor en la pared, y la casa a la derecha. A las 10:00 de un día despejado los paneles producen, la casa necesita menos de lo que generan, y el excedente fluye en pulsos hacia el paquete. Las dos calificaciones hacen trabajos distintos: 5 kW de potencia de inversor fijan la rapidez del movimiento de energía, mientras que 10 kWh de carga almacenada fijan cuánta puede contener el paquete. Pulse reproducir y vea la curva de carga almacenada subir hacia el máximo.
Dentro del paquete: cada celda está vigilada
Abra el gabinete. Cada módulo son 16 celdas prismáticas en serie, unidas celda a celda por láminas de cobre. Un cable de detección aterriza en cada derivación y corre a la placa de gestión, así el BMS ve las 32 celdas. La tensión LFP es casi igual del 20% al 80% de carga, así que la placa no puede leer la carga desde la tensión: la cuenta hacia dentro y hacia fuera. Cerca de la carga completa, las celdas más altas tenderían a desviarse y el BMS las disipa por resistencias en derivación: observe brillar las celdas 5 y 12 al cargar por encima del 80%. El conductor principal pasa por el contactor, cuya barra deslizante puede separarse de los terminales para desconectar el paquete por completo.
Corte la red y atraviese la tarde
Una tormenta: la red se cae y el pico vespertino llega a 4 kW. Sin sol, la casa funciona solo con el paquete: los pulsos azules entran desde el inversor mientras crece la descarga ámbar. Ponga la reserva en 5% y pulse reproducir: la carga almacenada baja hacia el suelo de protección del BMS. Al llegar, el contactor se abre, las ventanas se apagan y el indicador dice bloqueo por baja tensión. El paquete queda aislado hasta que vuelve la producción solar tras el amanecer, el BMS cierra el contactor y la carga se reanuda. La casa no se apagó porque el inversor de 5 kW fuera pequeño, sino porque se agotaron los 9,5 kilovatios-hora utilizables (unos 9,1 kWh tras las pérdidas).
Las piezas principales
- Gabinete de pared
- La carcasa a prueba de intemperie atornillada a la pared. Su tapa frontal se quita para revelar los módulos, y su tira de LED muestra la carga almacenada. Las dimensiones son valores didácticos de autor.
- Módulos de batería LFP
- Dos módulos apilados de 16 celdas prismáticas en serie: 3,2 V por celda da 102,4 V en el paquete y 10 kWh de energía almacenada. Láminas de cobre unen cada terminal de celda.
- Sistema de gestión de batería
- El BMS mide cada celda mediante cables de detección, sigue la carga almacenada contándola (la curva de tensión LFP es plana) y disipa las celdas más altas mediante resistencias en derivación durante la carga.
- Contactor del paquete
- El interruptor electromecánico del conductor principal del paquete. Su barra deslizante une ambos bloques de terminal cuando está cerrado; el BMS la retrae al llegar al suelo de protección por baja tensión, aislando el paquete hasta que vuelve una fuente de carga.
- Inversor híbrido
- Convierte la CC del paquete en CA doméstica y de vuelta. Dentro, cuatro módulos de conmutación forman un puente H que alterna en pares complementarios a través de un inductor de filtro. Su rama de batería está limitada a 5 kW y funciona con 96% de eficiencia en cada sentido.
- Arreglo solar
- Dos paneles montados en tierra que alimentan el inversor por un conducto protegido. Su salida sigue la curva en campana del sol entre las 06:00 y las 18:00.
- Conexión a la red
- El poste de servicios, la bajada, el medidor y el panel de la casa. La energía fluye en ambos sentidos: importada de noche, exportada al mediodía. Apague el control de red para simular un apagón.
- Cargas de la casa
- Una base nocturna con un pico matutino y otro vespertino. El brillo de las ventanas muestra cuánta demanda se satisface realmente, y se apaga cuando la batería se agota durante un apagón.
- Cables y conductos
- Un par de CC desde la prensaestopas del gabinete al inversor, un conducto de CA hasta el panel y el medidor, y la bajada aérea. Pulsos en movimiento acompañan cada cable como indicadores de flujo, codificados por color según la fuente y la dirección.
Preguntas que vale la pena explorar
¿Cuál es la diferencia entre los kWh y los kW de una batería?
Los kilovatios-hora miden energía almacenada: cuánta electricidad contiene el paquete. Los kilovatios miden potencia: la rapidez con que puede moverse. Un paquete de 10 kWh con un inversor de 5 kW puede alimentar una carga de 4 kW durante unas 1,9 horas con el 80% de carga utilizable, pero nunca podría entregar 8 kW de una vez, por lleno que esté. El explicador de almacenamiento de la EIA define precisamente estas dos calificaciones.
U.S. EIA · Energy storage for electricity generation (power versus energy capacity ratings; storage uses and net losses)OpenStax · University Physics Volume 2, §9.5 Electrical Energy and Power (P = dE/dt and the kilowatt-hour)
¿Qué hace realmente un sistema de gestión de batería?
El BMS mide la tensión de cada celda (o grupo en paralelo), vigila la temperatura y mantiene el paquete dentro de su envolvente segura. Como las celdas LFP tienen una meseta de tensión plana, sigue la carga almacenada contando la corriente que entra y sale en lugar de leer la tensión. Equilibra las celdas de forma pasiva disipando las más altas mediante resistencias conmutables, y gestiona el contactor, un interruptor electromecánico que desconecta el paquete ante una falla crítica como una baja tensión profunda.
U.S. DOE / Sandia · Energy Storage Handbook, Ch. 3 Lithium-Ion Batteries, §2.1.3 (modules, BMS balancing, contactors; LFP chemistry and flat voltage)Wikipedia · Lithium iron phosphate battery (nominal 3.2 V cell, 3.60–3.65 V charge, 2.5 V floor) and Tesla Powerwall (13.5 kWh / 5 kW residential scale)
¿Cómo conecta el inversor una batería de CC a la red de CA?
Un sistema de conversión llamado inversor intercambia potencia en ambos sentidos entre el puerto de CC del paquete y la CA doméstica. Dentro, cuatro interruptores forman un puente H que conmuta en pares complementarios, sintetizando CA a través de un filtro. Conectado a la red usa control de seguimiento de red, rastreando la fase y la frecuencia e inyectando la potencia ordenada; también puede invertirse para cargar el paquete, incluso con energía nocturna barata en una regla de tarifa por horario.
¿Por qué las baterías domésticas usan celdas de fosfato de hierro y litio?
Los cátodos LFP tienen estructura de olivino y no usan cobalto ni níquel, lo que abarata las celdas y las hace más estables térmicamente: el fuerte enlace fósforo-oxígeno no libera oxígeno al degradarse, así que el LFP domina el almacenamiento estacionario, donde el bajo costo y la seguridad importan más que la densidad de energía de un automóvil. La contrapartida es una tensión de descarga plana, que dificulta leer el estado de carga desde la tensión y obliga al BMS a contar culombios.
U.S. DOE / Sandia · Energy Storage Handbook, Ch. 3 Lithium-Ion Batteries, §2.1.3 (modules, BMS balancing, contactors; LFP chemistry and flat voltage)Wikipedia · Lithium iron phosphate battery (nominal 3.2 V cell, 3.60–3.65 V charge, 2.5 V floor) and Tesla Powerwall (13.5 kWh / 5 kW residential scale)