¿Qué es un sistema de gestión de batería?

Definición

El sistema de administración de baterías (BMS) es una tecnología dedicada a la supervisión de un paquete de baterías, que es un conjunto de celdas de batería, organizadas eléctricamente en una configuración de matriz de fila x columna para permitir la entrega del rango objetivo de voltaje y corriente durante un período de tiempo contra escenarios de carga esperados.La supervisión que proporciona un BMS generalmente incluye:

• Monitoreo de la batería
• Proporcionar protección de la batería
• Estimación del estado operativo de la batería
• Optimización continua del rendimiento de la batería
• Informar sobre el estado operativo a dispositivos externos

Aquí, el término “batería” implica el paquete completo;sin embargo, las funciones de monitoreo y control se aplican específicamente a celdas individuales o grupos de celdas denominados módulos en el conjunto general del paquete de baterías.Las celdas recargables de iones de litio tienen la densidad de energía más alta y son la opción estándar para paquetes de baterías para muchos productos de consumo, desde computadoras portátiles hasta vehículos eléctricos.Si bien funcionan de manera excelente, pueden ser bastante implacables si se operan fuera de un área de operación segura (SOA) generalmente estrecha, con resultados que van desde comprometer el rendimiento de la batería hasta consecuencias totalmente peligrosas.El BMS ciertamente tiene una descripción de trabajo desafiante, y su complejidad general y el alcance de la supervisión pueden abarcar muchas disciplinas, como la eléctrica, digital, de control, térmica e hidráulica.

¿Cómo funcionan los sistemas de gestión de baterías?

Los sistemas de gestión de baterías no tienen un conjunto fijo o único de criterios que deban adoptarse.El alcance del diseño de la tecnología y las características implementadas generalmente se correlacionan con:

• Los costos, la complejidad y el tamaño del paquete de baterías.
• Aplicación de la batería y cualquier problema de seguridad, vida útil y garantía
• Requisitos de certificación de varias regulaciones gubernamentales donde los costos y las sanciones son primordiales si se implementan medidas de seguridad funcional inadecuadas

Hay muchas características de diseño de BMS, siendo dos características esenciales la gestión de la protección de la batería y la gestión de la capacidad.Discutiremos cómo funcionan estas dos características aquí.La gestión de la protección del paquete de baterías tiene dos áreas clave: la protección eléctrica, que implica no permitir que la batería se dañe por el uso fuera de su SOA, y la protección térmica, que implica el control de temperatura pasivo y/o activo para mantener o llevar el paquete a su SOA.

Protección de Gestión Eléctrica: Corriente

Monitorear la corriente del paquete de baterías y los voltajes de celdas o módulos es el camino hacia la protección eléctrica.La SOA eléctrica de cualquier celda de batería está limitada por la corriente y el voltaje.La figura 1 ilustra una SOA de celda de iones de litio típica, y un BMS bien diseñado protegerá el paquete al evitar el funcionamiento fuera de las clasificaciones de celda del fabricante.En muchos casos, se puede aplicar una reducción adicional para residir dentro de la zona segura de SOA con el fin de promover una mayor vida útil de la batería.

Las celdas de iones de litio tienen diferentes límites de corriente para la carga que para la descarga, y ambos modos pueden manejar picos de corriente más altos, aunque por períodos cortos de tiempo.Los fabricantes de celdas de batería suelen especificar los límites máximos de corriente continua de carga y descarga, junto con los límites máximos de corriente de carga y descarga.Un BMS que proporcione protección actual ciertamente aplicará una corriente continua máxima.Sin embargo, esto puede estar precedido para tener en cuenta un cambio repentino de las condiciones de carga;por ejemplo, la aceleración brusca de un vehículo eléctrico.Un BMS puede incorporar monitoreo de corriente máxima al integrar la corriente y después del tiempo delta, decidiendo reducir la corriente disponible o interrumpir la corriente del paquete por completo.Esto permite que el BMS posea una sensibilidad casi instantánea a los picos de corriente extremos, como una condición de cortocircuito que no haya llamado la atención de ningún fusible residente, pero que también perdone las demandas de picos altos, siempre que no sean excesivas durante demasiado tiempo. largo.

Gestión Eléctrica Protección: Tensión

La Figura 2 muestra que una celda de iones de litio debe operar dentro de un cierto rango de voltaje.Estos límites SOA estarán determinados en última instancia por la química intrínseca de la celda de iones de litio seleccionada y la temperatura de las celdas en un momento dado.Además, dado que cualquier paquete de baterías experimenta una cantidad significativa de ciclos de corriente, descargas debido a las demandas de carga y carga de una variedad de fuentes de energía, estos límites de voltaje SOA suelen estar más restringidos para optimizar la vida útil de la batería.El BMS debe saber cuáles son estos límites y ordenará decisiones basadas en la proximidad a estos umbrales.Por ejemplo, cuando se acerca al límite de alto voltaje, un BMS puede solicitar una reducción gradual de la corriente de carga, o puede solicitar que la corriente de carga finalice por completo si se alcanza el límite.Sin embargo, este límite suele ir acompañado de consideraciones adicionales de histéresis de voltaje intrínseco para evitar la vibración del control sobre el umbral de apagado.Por otro lado, cuando se acerque al límite de voltaje bajo, un BMS solicitará que las cargas infractoras activas clave reduzcan sus demandas actuales.En el caso de un vehículo eléctrico, esto podrá llevarse a cabo reduciendo el par permitido disponible para el motor de tracción.Por supuesto, el BMS debe hacer que las consideraciones de seguridad para el conductor sean la máxima prioridad mientras protege el paquete de baterías para evitar daños permanentes.

Gestión Térmica Protección: Temperatura

A primera vista, puede parecer que las celdas de iones de litio tienen un amplio rango de temperatura de funcionamiento, pero la capacidad general de la batería disminuye a bajas temperaturas porque las velocidades de reacción química se ralentizan notablemente.Con respecto a la capacidad a bajas temperaturas, funcionan mucho mejor que las baterías de plomo-ácido o NiMh;sin embargo, la gestión de la temperatura es esencial con prudencia, ya que cargar por debajo de 0 °C (32 °F) es físicamente problemático.El fenómeno de recubrimiento de litio metálico puede ocurrir en el ánodo durante la carga por debajo del punto de congelación.Este es un daño permanente y no solo da como resultado una capacidad reducida, sino que las celdas son más vulnerables a fallas si se someten a vibraciones u otras condiciones estresantes.Un BMS puede controlar la temperatura del paquete de baterías a través de la calefacción y la refrigeración.

La gestión térmica realizada depende completamente del tamaño y el costo del paquete de baterías y los objetivos de rendimiento, los criterios de diseño del BMS y la unidad del producto, que pueden incluir la consideración de la región geográfica objetivo (por ejemplo, Alaska versus Hawái).Independientemente del tipo de calentador, generalmente es más efectivo obtener energía de una fuente de alimentación de CA externa o de una batería residente alternativa destinada a operar el calentador cuando sea necesario.Sin embargo, si el calentador eléctrico tiene un consumo de corriente modesto, la energía del paquete de baterías principal se puede desviar para calentarse.Si se implementa un sistema termohidráulico, se usa un calentador eléctrico para calentar el refrigerante que se bombea y distribuye por todo el conjunto del paquete.

Los ingenieros de diseño de BMS, sin duda, tienen trucos en su oficio de diseño para filtrar la energía térmica en el paquete.Por ejemplo, se pueden encender varios componentes electrónicos de potencia dentro del BMS dedicados a la gestión de capacidad.Si bien no es tan eficiente como el calentamiento directo, se puede aprovechar independientemente.El enfriamiento es particularmente vital para minimizar la pérdida de rendimiento de un paquete de baterías de iones de litio.Por ejemplo, tal vez una batería determinada funcione de manera óptima a 20 °C;si la temperatura del paquete aumenta a 30°C, su eficiencia de rendimiento podría reducirse hasta en un 20%.Si el paquete se carga continuamente y se recarga a 45 °C (113 °F), la pérdida de rendimiento puede aumentar hasta un considerable 50 %.La vida útil de la batería también puede verse afectada por el envejecimiento prematuro y la degradación si se expone continuamente a una generación excesiva de calor, especialmente durante los ciclos rápidos de carga y descarga.El enfriamiento generalmente se logra mediante dos métodos, pasivo o activo, y se pueden emplear ambas técnicas.El enfriamiento pasivo se basa en el movimiento del flujo de aire para enfriar la batería.En el caso de un vehículo eléctrico, esto implica que simplemente se desplaza por la carretera.Sin embargo, puede ser más sofisticado de lo que parece, ya que los sensores de velocidad del aire podrían integrarse para autoajustar estratégicamente las presas de aire deflectoras para maximizar el flujo de aire.La implementación de un ventilador activo con control de temperatura puede ayudar a bajas velocidades o cuando el vehículo se ha detenido, pero todo lo que esto puede hacer es simplemente igualar el paquete con la temperatura ambiente circundante.En el caso de un día de calor abrasador, esto podría aumentar la temperatura inicial del paquete.El enfriamiento activo termohidráulico se puede diseñar como un sistema complementario y, por lo general, utiliza refrigerante de etilenglicol con una relación de mezcla específica, que circula a través de una bomba accionada por un motor eléctrico a través de tuberías/mangueras, colectores de distribución, un intercambiador de calor de flujo cruzado (radiador) , y placa de enfriamiento residente contra el conjunto del paquete de baterías.Un BMS monitorea las temperaturas en todo el paquete y abre y cierra varias válvulas para mantener la temperatura de la batería en general dentro de un rango de temperatura estrecho para garantizar un rendimiento óptimo de la batería.

Gestión de capacidad

Podría decirse que maximizar la capacidad de un paquete de baterías es una de las funciones de rendimiento de batería más vitales que proporciona un BMS.Si no se realiza este mantenimiento, un paquete de baterías eventualmente puede volverse inútil.La raíz del problema es que una "pila" de paquete de baterías (conjunto de celdas en serie) no es perfectamente igual e intrínsecamente tiene tasas de fuga o autodescarga ligeramente diferentes.La fuga no es un defecto del fabricante, sino una característica química de la batería, aunque puede verse afectada estadísticamente por variaciones mínimas en el proceso de fabricación.Inicialmente, un paquete de baterías puede tener celdas bien combinadas, pero con el tiempo, la similitud de celda a celda se degrada aún más, no solo debido a la autodescarga, sino también al impacto de los ciclos de carga/descarga, la temperatura elevada y el calendario general de envejecimiento.Con eso entendido, recuerde la discusión anterior de que las celdas de iones de litio funcionan magníficamente, pero pueden ser bastante implacables si se operan fuera de una SOA estrecha.Anteriormente aprendimos sobre la protección eléctrica requerida porque las celdas de iones de litio no manejan bien la sobrecarga.Una vez que están completamente cargados, no pueden aceptar más corriente, y cualquier energía adicional que se introduzca en ellos se transmuta en calor, y el voltaje puede aumentar rápidamente, posiblemente a niveles peligrosos.No es una situación saludable para la celda y puede causar daños permanentes y condiciones de operación inseguras si continúa.

La matriz de celdas de la serie del paquete de baterías es lo que determina el voltaje general del paquete, y la falta de coincidencia entre las celdas adyacentes crea un dilema cuando se intenta cargar cualquier pila.La Figura 3 muestra por qué esto es así.Si uno tiene un conjunto de celdas perfectamente equilibrado, todo está bien, ya que cada una se cargará de la misma manera, y la corriente de carga se puede cortar cuando se alcanza el umbral de corte de voltaje superior de 4.0.Sin embargo, en el escenario desequilibrado, la celda superior alcanzará su límite de carga antes de tiempo, y la corriente de carga debe terminar para el tramo antes de que otras celdas subyacentes se hayan cargado a plena capacidad.

El BMS es lo que interviene y salva el día, o la batería en este caso.Para mostrar cómo funciona esto, es necesario explicar una definición clave.El estado de carga (SOC) de una celda o módulo en un momento dado es proporcional a la carga disponible en relación con la carga total cuando está completamente cargada.Por lo tanto, una batería que reside al 50 % de SOC implica que está cargada al 50 %, lo que es similar a una cifra de mérito del indicador de combustible.La gestión de la capacidad de BMS tiene que ver con equilibrar la variación del SOC en cada pila en el ensamblaje del paquete.Dado que el SOC no es una cantidad medible directamente, se puede estimar mediante varias técnicas, y el esquema de equilibrio en sí generalmente se divide en dos categorías principales, pasivo y activo.Hay muchas variaciones de temas, y cada tipo tiene ventajas y desventajas.Depende del ingeniero de diseño de BMS decidir cuál es óptimo para el paquete de baterías dado y su aplicación.El balanceo pasivo es el más fácil de implementar, además de explicar el concepto general de balanceo.El método pasivo permite que cada celda de la pila tenga la misma capacidad cargada que la celda más débil.Usando una corriente relativamente baja, transporta una pequeña cantidad de energía desde las celdas con SOC alto durante el ciclo de carga para que todas las celdas se carguen a su SOC máximo.La Figura 4 ilustra cómo el BMS logra esto.Supervisa cada celda y aprovecha un interruptor de transistor y una resistencia de descarga de tamaño adecuado en paralelo con cada celda.Cuando el BMS detecta que una celda determinada se está acercando a su límite de carga, dirigirá el exceso de corriente a su alrededor a la siguiente celda de arriba hacia abajo.

Los puntos finales del proceso de equilibrio, antes y después, se muestran en la Figura 5. En resumen, un BMS equilibra una pila de baterías al permitir que una celda o módulo en una pila vea una corriente de carga diferente a la corriente del paquete de una de las siguientes maneras:

• Eliminación de carga de las celdas más cargadas, lo que da margen para corriente de carga adicional para evitar la sobrecarga y permite que las celdas menos cargadas reciban más corriente de carga
• Redirección de parte o casi toda la corriente de carga alrededor de las celdas más cargadas, lo que permite que las celdas menos cargadas reciban corriente de carga durante un período de tiempo más largo

Tipos de sistemas de gestión de baterías

Los sistemas de administración de baterías varían de simples a complejos y pueden abarcar una amplia gama de tecnologías diferentes para lograr su directiva principal de "cuidar la batería".Sin embargo, estos sistemas se pueden clasificar en función de su topología, que se relaciona con la forma en que se instalan y funcionan con las celdas o módulos del paquete de baterías.

Arquitectura BMS centralizada

Tiene un BMS central en el conjunto del paquete de baterías.Todos los paquetes de baterías están conectados directamente al BMS central.La estructura de un BMS centralizado se muestra en la Figura 6. El BMS centralizado tiene algunas ventajas.Es más compacto y tiende a ser el más económico ya que solo hay un BMS.Sin embargo, existen desventajas de un BMS centralizado.Dado que todas las baterías están conectadas directamente al BMS, el BMS necesita muchos puertos para conectarse con todos los paquetes de baterías.Esto se traduce en muchos cables, cables, conectores, etc. en grandes paquetes de baterías, lo que complica tanto la resolución de problemas como el mantenimiento.

Topología de BMS modular

Similar a una implementación centralizada, el BMS se divide en varios módulos duplicados, cada uno con un paquete de cables y conexiones dedicados a una parte asignada adyacente de una pila de baterías.Consulte la Figura 7. En algunos casos, estos submódulos BMS pueden residir bajo la supervisión de un módulo BMS primario cuya función es monitorear el estado de los submódulos y comunicarse con el equipo periférico.Gracias a la modularidad duplicada, la solución de problemas y el mantenimiento son más fáciles, y la extensión a paquetes de baterías más grandes es sencilla.La desventaja es que los costos generales son ligeramente más altos y puede haber funcionalidades duplicadas sin usar según la aplicación.

BMS primario/subordinado

Conceptualmente similar a la topología modular, sin embargo, en este caso, los esclavos están más restringidos a solo transmitir información de medición, y el maestro se dedica a la computación y el control, así como a la comunicación externa.Entonces, aunque al igual que los tipos modulares, los costos pueden ser más bajos ya que la funcionalidad de los esclavos tiende a ser más simple, probablemente con menos gastos generales y menos características sin usar.

Arquitectura BMS distribuida

Considerablemente diferente de las otras topologías, donde el hardware y el software electrónicos están encapsulados en módulos que interactúan con las celdas a través de paquetes de cableado adjunto.Un BMS distribuido incorpora todo el hardware electrónico en un tablero de control colocado directamente en la celda o módulo que se está monitoreando.Esto alivia la mayor parte del cableado a unos pocos cables de sensores y cables de comunicación entre módulos BMS adyacentes.En consecuencia, cada BMS es más autónomo y maneja los cálculos y las comunicaciones según sea necesario.Sin embargo, a pesar de esta aparente simplicidad, esta forma integrada hace que la solución de problemas y el mantenimiento sean potencialmente problemáticos, ya que reside en el interior de un conjunto de módulo de protección.Los costos también tienden a ser más altos ya que hay más BMS en la estructura general del paquete de baterías.

La importancia de los sistemas de gestión de baterías

La seguridad funcional es de suma importancia en un BMS.Es crítico durante la operación de carga y descarga, evitar que el voltaje, la corriente y la temperatura de cualquier celda o módulo bajo control de supervisión exceda los límites SOA definidos.Si se superan los límites durante un período de tiempo, no solo se compromete un paquete de baterías potencialmente caro, sino que también pueden producirse peligrosas condiciones de fuga térmica.Además, los límites de umbral de voltaje más bajos también se controlan rigurosamente para la protección de las celdas de iones de litio y la seguridad funcional.Si la batería de iones de litio permanece en este estado de bajo voltaje, eventualmente podrían crecer dendritas de cobre en el ánodo, lo que puede resultar en tasas elevadas de autodescarga y plantear posibles problemas de seguridad.La alta densidad de energía de los sistemas alimentados con iones de litio tiene un precio que deja poco margen para el error de gestión de la batería.Gracias a los BMS y las mejoras de iones de litio, esta es una de las químicas de batería más exitosas y seguras disponibles en la actualidad.

El rendimiento del paquete de baterías es la siguiente característica más importante de un BMS, y esto implica la gestión eléctrica y térmica.Para optimizar eléctricamente la capacidad general de la batería, se requiere que todas las celdas del paquete estén balanceadas, lo que implica que el SOC de las celdas adyacentes en todo el conjunto sea aproximadamente equivalente.Esto es excepcionalmente importante porque no solo se puede lograr una capacidad óptima de la batería, sino que también ayuda a prevenir la degradación general y reduce los puntos de acceso potenciales de sobrecarga de las celdas débiles.Las baterías de iones de litio deben evitar descargarse por debajo de los límites de bajo voltaje, ya que esto puede provocar efectos de memoria y una pérdida significativa de capacidad.Los procesos electroquímicos son muy susceptibles a la temperatura y las baterías no son una excepción.Cuando la temperatura ambiental desciende, la capacidad y la energía disponible de la batería disminuyen significativamente.En consecuencia, un BMS puede activar un calentador en línea externo que reside, por ejemplo, en el sistema de refrigeración líquida de un paquete de baterías de un vehículo eléctrico, o encender placas de calentador residentes que están instaladas debajo de los módulos de un paquete incorporado dentro de un helicóptero u otro aeronave.Además, dado que la carga de celdas de iones de litio frígidas es perjudicial para el rendimiento de la vida útil de la batería, es importante elevar primero la temperatura de la batería lo suficiente.La mayoría de las celdas de iones de litio no pueden cargarse rápidamente cuando están por debajo de los 5 °C y no deben cargarse en absoluto cuando están por debajo de los 0 °C.Para un rendimiento óptimo durante el uso operativo típico, la gestión térmica de BMS a menudo garantiza que una batería funcione dentro de una estrecha región de operación Goldilocks (por ejemplo, 30 a 35 °C).Esto protege el rendimiento, promueve una vida más larga y fomenta un paquete de baterías saludable y confiable.

Los beneficios de los sistemas de gestión de baterías

Un sistema de almacenamiento de energía de batería completo, a menudo denominado BESS, podría estar compuesto por decenas, cientos o incluso miles de celdas de iones de litio empaquetadas estratégicamente, según la aplicación.Estos sistemas pueden tener una clasificación de voltaje de menos de 100 V, pero pueden ser tan altos como 800 V, con corrientes de suministro de paquete que van hasta 300 A o más.Cualquier mala gestión de un paquete de alto voltaje podría desencadenar un desastre catastrófico que ponga en peligro la vida.En consecuencia, los BMS son absolutamente críticos para garantizar un funcionamiento seguro.Los beneficios de los BMS se pueden resumir de la siguiente manera.

• Seguridad Funcional.Indiscutiblemente, para paquetes de baterías de iones de litio de gran formato, esto es particularmente prudente y esencial.Pero se sabe que incluso los formatos más pequeños utilizados, por ejemplo, en las computadoras portátiles, se incendian y causan daños enormes.La seguridad personal de los usuarios de productos que incorporan sistemas alimentados por iones de litio deja poco margen para errores de gestión de la batería.
• Vida útil y confiabilidad.La gestión de la protección del paquete de baterías, eléctrica y térmica, garantiza que todas las celdas se utilicen dentro de los requisitos SOA declarados.Esta delicada supervisión garantiza que las celdas estén protegidas contra el uso agresivo y los ciclos rápidos de carga y descarga, e inevitablemente da como resultado un sistema estable que potencialmente brindará muchos años de servicio confiable.
• Rendimiento y rango.La gestión de la capacidad del paquete de baterías BMS, donde se emplea el equilibrio de celda a celda para igualar el SOC de las celdas adyacentes en todo el conjunto del paquete, permite lograr una capacidad óptima de la batería.Sin esta función de BMS para tener en cuenta las variaciones en la autodescarga, los ciclos de carga/descarga, los efectos de la temperatura y el envejecimiento general, un paquete de baterías eventualmente podría volverse inútil.
• Diagnóstico, Recopilación de Datos y Comunicación Externa.Las tareas de supervisión incluyen el monitoreo continuo de todas las celdas de la batería, donde el registro de datos se puede usar por sí mismo para el diagnóstico, pero a menudo está destinado a la tarea de cálculo para estimar el SOC de todas las celdas en el ensamblaje.Esta información se aprovecha para equilibrar los algoritmos, pero en conjunto se puede transmitir a dispositivos externos y pantallas para indicar la energía residente disponible, estimar el rango esperado o el rango/vida útil en función del uso actual y proporcionar el estado de salud del paquete de baterías.
• Reducción de costos y garantías.La introducción de un BMS en un BESS agrega costos y los paquetes de baterías son costosos y potencialmente peligrosos.Cuanto más complicado es el sistema, mayores son los requisitos de seguridad, lo que genera la necesidad de una mayor presencia de supervisión del BMS.Pero la protección y el mantenimiento preventivo de un BMS en cuanto a seguridad funcional, vida útil y fiabilidad, rendimiento y autonomía, diagnóstico, etc. garantiza que se reducirán los costes globales, incluidos los relacionados con la garantía.

Sistemas de gestión de baterías y Synopsis

La simulación es un aliado valioso para el diseño de BMS, particularmente cuando se aplica para explorar y abordar los desafíos de diseño dentro del desarrollo, la creación de prototipos y las pruebas de hardware.Con un modelo preciso de celda de iones de litio en juego, el modelo de simulación de la arquitectura BMS es la especificación ejecutable reconocida como prototipo virtual.Además, la simulación permite una investigación sencilla de las variantes de las funciones de supervisión de BMS frente a diferentes escenarios de operación ambiental y de batería.Los problemas de implementación se pueden descubrir e investigar muy pronto, lo que permite verificar las mejoras en el rendimiento y la seguridad funcional antes de la implementación en el prototipo de hardware real.Esto reduce el tiempo de desarrollo y ayuda a garantizar que el primer prototipo de hardware sea sólido.Además, se pueden realizar muchas pruebas de autenticación, incluidos los peores escenarios, del BMS y del paquete de baterías cuando se utilizan en aplicaciones de sistemas integrados físicamente realistas.

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