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En mi autocaravana tengo una batería de 12V tipo L...

Creado el: 14 de marzo de 2025

Respondido usando O1 por Chat01

Pregunta

En mi autocaravana tengo una batería de 12V tipo Lifepo4 que alimenta los servicios a través de un cable conectado a su terminal positivo. Por ese mismo cable recibe la corriente de carga de un panel solar y del alternador del vehículo. Cuando la tensión en ese cable supera el de la batería, esta se carga, y cuando es más baja, se descarga alimentando los servicios.
Quiero intercalar en ese cable un sistema de control que limite la carga de la batería a 20A (con un Mosfet actuando como una resistencia variable) y que la interrumpa cuando el BMS informe que la batería está completamente cargada. Todo esto sin interrumpir nunca la alimentación de los servicios.
El problema es que todo, la corriente de carga y la alimentación de los servicios discurre por el mismo cable, y no pueden separarse por la configuración de la instalacion eléctrica de la autocaravana.
Dispongo de:
-Mosfet´s IRFB411OPBF o de otro tipo
-DAC,s MCP4922 para controlar los Mosfet´s
-Operacionales para multiplicar la señal analógica del MCP4922
-Amperímetros de efecto Hall para controlar la corriente de carga o de descarga.
-Arduinos y ESP32,´s
Y puedo conseguir más componentes si hacen falta
Una sugerencia sería utilizar dos Mosfet en posición Back to Back que conduzcan en ambos sentidos cuando se requiera, en sentido a la batería cuando la tensión de carga supere a la de esta y en el contrario cuando lo requieran los servicios. El problema es que no sé, de esta forma, cómo cortar la corriente de carga cuando la batería esté completamente cargada, ya que si se interrumpe el paso, también se interrumpiría el suministro a los servicios.
Quizá la solución sería preveer otro circuito en paralelo que alimentara los servicios cuando la batería no admita mas carga, pero no se me ocurre cómo implementarlo.
Independientemente de la solución adoptada, instalaría un diodo schottky de seguridad en paralelo con los sistemas activos para que la alimentación de los servicios nunca se viera interrumpida. Este diodo solo sería de seguridad, ya que la caida de tensión entre sus estremos, aunque baja, es notablemente superior a la de los Mosfet´s, y necesito el máximo rendimiento.
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Pensamiento

Crafting a battery management system

I’m exploring how to efficiently manage a 12V LiFePO4 battery in an RV, ensuring optimal charging without interrupting power to critical loads like lights and the fridge.

Evaluating alternatives

I'm weighing options like DC-DC converters, parallel paths, or dynamic current limiting for managing the charging and discharging of a 12V LiFePO4 battery in an RV without interrupting crucial loads.

Evaluating dual paths

I'm considering two separate paths: one for the battery feed to the load and another for the external supply to the load, with the battery side path either deactivated or regulated.

Evaluating DC-DC chargers

I'm noting that using a specialized DC-DC charger to regulate current from the solar panel or alternator, while maintaining a consistent voltage for the loads, could be an ideal solution.

Proposing a microcontroller-based solution

I'm exploring a microcontroller-controlled MOSFET series setup with battery current sensing, allowing current modulation or shutdown when the battery is full or exceeds 20A.

Ensuring uninterrupted power

I’m implementing a dual-path system: a primary MOSFET circuit for battery management and a secondary external supply path. This setup ensures stable load power, especially beneficial during charging.

Laying out the options

I'm thinking through MOSFETs to minimize conduction losses, considering battery combiners for maintenance-free isolation, and DC-DC converters for consistent power, particularly in RV setups.

Reasoned about battery charging control system for 22 seconds

Respuesta

A continuación, se exponen distintas opciones y consideraciones para implementar un sistema que:

  1. Limite la corriente de carga de la batería (máximo 20A).
  2. Permita interrumpir la carga por completo cuando la batería esté llena (según indique el BMS).
  3. No deje nunca sin alimentación los servicios (“carga” o consumos de la autocaravana).

El problema principal radica en que la misma línea/terminal que va al positivo de la batería también proporciona corriente a los consumos y recibe la corriente de carga (panel solar + alternador). Por tanto, si cortamos o limitamos el paso de corriente en ese cable, también afectamos a la alimentación de los servicios, algo que queremos evitar. Aun así, hay varias estrategias para resolverlo.

1. Solución “estándar” usando un cargador o regulador DC-DC dedicado

Antes de proponer soluciones más artesanales o basadas en MOSFETs, merece la pena mencionar la solución que normalmente se adopta en autocaravanas o embarcaciones para baterías de litio:

  • Un cargador solar MPPT o regulador DC-DC (también llamado “booster” o “battery to battery charger”) que limite la corriente de carga, gestione la tensión adecuada a la química de la batería (LiFePO4) y se comunique con ella (o, al menos, tenga perfiles para litio).
  • Dichos dispositivos permiten limitar la corriente de carga a un valor máximo (por ejemplo, 20A).
  • Por otra parte, incorporan lógicas de “etapa de absorción/flotación” que evitan sobrecargar la batería y dejan de suministrar corriente cuando el BMS indica que la batería está llena.
  • El sistema de distribución de la autocaravana se hace de manera que los consumos siempre disponen de la línea de alimentación, bien a través de la batería, bien a través de la fuente externa (alternador o panel solar), de modo que si la batería se desconecta, la alimentación a los servicios permanece por la otra ruta.

Este tipo de dispositivos y configuraciones separan físicamente los caminos de carga y de consumo, precisamente para evitar el problema que comentas. Si tu instalación pudiera adaptarse a un booster DC-DC (un cargador inteligente de baterías a 12V que admita limitación de corriente y perfil LiFePO4), resolverías el problema de forma más limpia y robusta.

Ventaja: simplicidad y fiabilidad.
Inconveniente: el coste de añadir ese regulador/cargador, o la necesidad de modificar parte de la instalación.

2. Solución con “doble camino” (paralelo para la alimentación de consumos)

Si deseas usar tu propio diseño con MOSFETs, DAC, sensores Hall, etc., necesitas un camino alternativo que alimente los consumos cuando decidas “cerrar” o “estrangular” la ruta hacia la batería. De lo contrario, si usas un único cable y un único elemento serie (MOSFET), al desconectarlo no solo impides que la batería se cargue sino que también dejarás sin tensión a los consumos.

2.1. Idea general

  1. Ruta principal (controlada):

    • Un conjunto de MOSFETs (por ejemplo, back-to-back para permitir corriente en ambos sentidos) colocado en serie con la batería.
    • Estos MOSFETs se encargan de limitar la corriente de carga cuando el sistema detecta más de 20A fluyendo hacia la batería (mediante un sensor de efecto Hall + Arduino/ESP32).
    • Cuando la batería está llena y el BMS lo indica, esos MOSFETs pueden cerrarse por completo (o abrirse, según la terminología) para cortar la carga.

  2. Ruta alternativa (bypass o paralelo):

    • Un segundo camino desde la fuente de energía (alternador + solar) hasta los servicios.
    • Puede ser un diodo Schottky de potencia (o un MOSFET configurado como “diodo ideal”) que permita que, si la ruta principal está “abierta”, los consumos sigan estando alimentados.
    • Cuando los MOSFETs de la ruta principal están abiertos (cortando la carga de la batería), este camino paralelo se encarga de suministrar la corriente a los servicios.
    • En las condiciones normales (batería descargándose o batería aceptando carga dentro del límite), la ruta principal está activa con mínima caída de tensión, y el diodo apenas conduce.
    • En el momento en que se cierra la conducción de la ruta principal (porque la batería ya está llena o se quiere limitar la corriente de carga), el diodo/“bypass” entra en acción para que la tensión a los consumos no se pierda.

2.2. Implementación práctica

  • Back-to-back MOSFETs:

    • Los MOSFET se conectan “fuente con fuente” para que puedan conducir corriente en ambos sentidos.
    • El control de las compuertas (gates) proviene de un DAC + operacional (o directamente de un PWM con filtro) para que actúen como una resistencia variable (limitando a 20A).
    • Haría falta una lógica que, según el sentido de la corriente (medido por un sensor Hall bidireccional), decida qué MOSFET conduce y en qué régimen.
    • Es algo más complejo, pero factible.

  • Diodo (o MOSFET en modo diodo ideal) en paralelo:

    • Es lo que comentas como “diodo de seguridad”. Puede ser un Schottky de potencia, pero si te preocupa la caída de tensión y las pérdidas, se puede utilizar una topología de “diodo ideal” con MOSFET, que reduce la caída a unas pocas decenas de mV.
    • Mientras el camino principal esté activo (MOSFETs de potencia en serie con la batería), la tensión en ambos extremos del diodo será prácticamente la misma, por lo que apenas circulará corriente por él.
    • Si la ruta principal se abre (por ejemplo, batería llena), la tensión del lado “fuente” (panel/alternador) será más alta que la del lado “carga” (que cae ligeramente), y entonces el diodo comenzará a conducir, alimentando a los servicios.

Ventaja: posibilidad de un diseño completamente personalizado con tus MOSFETs, DACs, control con Arduino, etc.
Inconveniente: mayor complejidad, necesidad de un diseño robusto de control y potencia (control de gate, disipación térmica, etc.). Además, si usas solo diodos Schottky, tendrás una caída de tensión no despreciable (≈0.3-0.4V).

3. Solución con relés/contactor y MOSFET en lazo de regulación de corriente

Una tercera aproximación, algo más simple de entender, sería:

  1. Control en serie con la batería que limite a 20A: se hace mediante un MOSFET (o varios en paralelo) y un lazo de control analógico o digital.
    • Cuando la corriente hacia la batería supera 20A, se sube la resistencia dinámica del MOSFET (mediante gate) para fijar esos 20A máximos.
    • Si la batería está llena, el BMS puede enviar una señal lógica al Arduino que hace que el MOSFET se cierre por completo (0A), cortando la ruta de carga.
  2. Relé o contactor que puentea la batería sólo para alimentar consumos:
    • Cuando la ruta de carga se cierra, al mismo tiempo un relé se acciona para que los consumos reciban alimentación directa desde la fuente.
    • En ese momento, la batería deja de recibir corriente (al MOSFET “apagado”), pero los servicios quedan conectados a la fuente a través del contacto del relé.
    • Es una variante del “doble camino”, pero en lugar de diodos, usas contactos mecánicos.
    • Un diodo Schottky (o ideal) seguiría siendo deseable en paralelo como medida de seguridad, por si el relé tuviera retardo o fallase.

Ventaja: más fácil de asimilar que el back-to-back MOSFET y evita la caída de un diodo en modo continuo, pues el relé es prácticamente resistencia nula.
Inconvenientes: el relé mecánico/contactor requiere un cierto tiempo de conmutación y consume algo de energía en la bobina. Además, no puede modularse la corriente de forma tan fina como con el MOSFET (aunque en tu caso la modulación se haría por el MOSFET y el relé solo serviría de bypass para la carga).

4. Comentarios finales y recomendaciones

  • BMS de la batería: muchas baterías LiFePO4 incluyen un BMS interno que ya limita la corriente de carga o la corta completamente cuando está llena. A veces, si la corriente de carga no es muy alta, este BMS se basta por sí solo. Sin embargo, si el BMS está diseñado para trabajar con 50A o 100A, quizá no proteja o no module la corriente en 20A; por eso quieres añadir tu propio limitador.

  • Medir bien la corriente: necesitarás un sensor Hall bidireccional para distinguir si la corriente fluye hacia la batería o desde ella a los consumos. En función de ese signo, tu lazo de control decidirá si limita o no.

  • Disipación de calor en los MOSFET: si vas a regular la corriente a 20A y la diferencia de voltaje puede llegar a varios voltios (p.ej. cuando la batería está muy descargada y la fuente tiene 14V), el MOSFET podría disipar decenas de vatios, según la situación. Asegúrate de escoger MOSFETs de baja Rds(on) y prepara disipadores adecuados.

  • Evitar interrupciones a los servicios: la clave es siempre contar con una ruta alternativa o un bypass cuando cierres la ruta principal de la batería. Ese bypass puede ser:

    • Un diodo Schottky/MOSFET (ideal diode),
    • Un relé,
    • Un segundo juego de MOSFETs,
    • O directamente un cargador DC-DC que se encargue de alimentar a la autocaravana a la vez que controla la corriente de la batería.

  • Uso de un diodo Schottky de seguridad: tu idea de colocarlo en paralelo con todo el sistema “activo” es válida. Será tu “red de seguridad” en caso de que el circuito activo falle o se “desactive” y no tengas preparado otro camino para la alimentación. Aun así, en operaciones normales preferirás que la corriente fluya por los MOSFETs (con caída mínima) y no por el diodo.

Conclusiones

  1. La manera más sencilla y robusta a largo plazo es valerte de un dispositivo de carga dedicado (regulador MPPT con limitación de corriente para el panel solar, y/o un cargador DC-DC entre alternador y batería), de modo que la fuente pueda alimentar los consumos siempre y la batería solo reciba la corriente máxima que se configure.
  2. Si insistes en un diseño personalizado, deberás tener dos caminos:
    • Uno con MOSFETs en serie con la batería para limitar y/o cortar la corriente de carga.
    • Otro camino (ya sea un diodo, un relé o un MOSFET en configuración de diodo ideal) que garantice que la autocaravana sigue recibiendo corriente aunque la ruta a la batería esté cerrada.
  3. El diodo Schottky de seguridad en paralelo sigue siendo recomendable incluso con el camino alternativo, pues te protege de fallos y evita cortes súbitos en la alimentación de los consumos.

Con estas ideas, puedes plantear tu esquema final teniendo en cuenta la complejidad que desees asumir, el espacio, la disipación de calor y la fiabilidad. En cualquier caso, asegúrate de incluir protecciones adecuadas, fusibles o magnetotérmicos, y de dimensionar bien cables y conectores para las corrientes que vas a manejar.

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