¿Qué es un sistema de gestión de baterías?

Definición

El sistema de gestión 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 suele incluir:

• Monitoreo de la batería
• Proporcionar protección a la batería
• Estimación del estado operativo de la batería.
• Optimización continua del rendimiento de la batería
• Informar 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 llamados módulos en el conjunto general del paquete de baterías.Las celdas recargables de iones de litio tienen la mayor densidad de energía 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 completamente peligrosas.El BMS ciertamente tiene una descripción de trabajo desafiante, y su complejidad general y su alcance de 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 de criterios fijo o único que deba adoptarse.El alcance del diseño de la tecnología y las características implementadas generalmente se correlacionan con:

• Los costos, la complejidad y el tamaño de la batería.
• Aplicación de la batería y cualquier inquietud sobre seguridad, vida útil y garantía
• Requisitos de certificación de diversas regulaciones gubernamentales donde los costos y sanciones son primordiales si se implementan medidas de seguridad funcional inadecuadas.

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

Protección de gestión eléctrica: actual

Monitorear la corriente del paquete de baterías y los voltajes de las 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 evitando la operación 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 límites de corriente diferentes para carga y descarga, y ambos modos pueden manejar corrientes máximas más altas, aunque por períodos de tiempo cortos.Los fabricantes de celdas de batería suelen especificar límites máximos de corriente de carga y descarga continua, junto con límites máximos de corriente de carga y descarga.Un BMS que proporcione protección actual ciertamente aplicará una corriente continua máxima.Sin embargo, esto puede ir 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 integrando 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 picos de corriente extremos, como una condición de cortocircuito que no haya llamado la atención de ningún fusible residente, pero también perdone las demandas de picos elevados, siempre que no sean excesivas durante demasiado tiempo. largo.

Protección de gestión eléctrica: voltaje

La Figura 2 muestra que una celda de iones de litio debe funcionar 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 demandas de carga y carga desde una variedad de fuentes de energía, estos límites de voltaje SOA generalmente se limitan aún más para optimizar la vida útil de la batería.El BMS debe saber cuáles son estos límites y tomará 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 vibraciones de control sobre el umbral de apagado.Por otro lado, cuando se acerque al límite de bajo voltaje, un BMS solicitará que las cargas clave activas infractoras 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 dar la máxima prioridad a las consideraciones de seguridad para el conductor y, al mismo tiempo, proteger el paquete de baterías para evitar daños permanentes.

Protección de gestión térmica: temperatura

A primera vista, puede parecer que las celdas de iones de litio tienen un amplio rango de temperatura operativa, 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 del recubrimiento de litio metálico puede ocurrir en el ánodo durante la carga bajo cero.Este es un daño permanente y no solo resulta en una capacidad reducida, sino que las células son más vulnerables a fallar si se las somete a vibraciones u otras condiciones estresantes.Un BMS puede controlar la temperatura del paquete de baterías mediante calentamiento y enfriamiento.

La gestión térmica realizada depende completamente del tamaño y costo del paquete de baterías y de los objetivos de rendimiento, los criterios de diseño del BMS y la unidad de producto, que pueden incluir la consideración de la región geográfica objetivo (por ejemplo, Alaska frente a Hawaii).Independientemente del tipo de calentador, generalmente es más efectivo extraer energía de una fuente de alimentación de CA externa o de una batería residente alternativa diseñada para 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 hidráulico térmico, entonces se utiliza un calentador eléctrico para calentar el refrigerante que se bombea y distribuye por todo el conjunto del paquete.

Sin duda, los ingenieros de diseño de BMS tienen trucos en su oficio de diseño para introducir 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 la calefacción directa, se puede aprovechar de todos modos.La refrigeración es particularmente vital para minimizar la pérdida de rendimiento de un paquete de baterías de iones de litio.Por ejemplo, quizás 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 la batería se carga y recarga continuamente a 45 °C (113 °F), la pérdida de rendimiento puede aumentar hasta un considerable 50 %.La duración de la batería también puede sufrir envejecimiento prematuro y degradación si se expone continuamente a una generación excesiva de calor, especialmente durante ciclos rápidos de carga y descarga.El enfriamiento normalmente 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 se podrían integrar sensores de velocidad del aire para ajustar automáticamente estratégicamente las presas de aire deflectivas 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 está parado, pero todo lo que esto puede hacer es simplemente igualar el paquete con la temperatura ambiente circundante.En caso de un día muy caluroso, esto podría aumentar la temperatura inicial de la mochila.El enfriamiento activo termohidráulico se puede diseñar como un sistema complementario y normalmente utiliza refrigerante de etilenglicol con una proporción de mezcla específica, que circula a través de una bomba impulsada por un motor eléctrico a través de tuberías/mangueras, colectores de distribución y 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 toda la batería dentro de un rango de temperatura estrecho para garantizar un rendimiento óptimo de la batería.

Gestión de capacidad

Maximizar la capacidad de un paquete de baterías es posiblemente una de las características de rendimiento de la batería más importantes que proporciona un BMS.Si no se realiza este mantenimiento, una batería puede eventualmente 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.Las fugas no son un defecto del fabricante sino una característica química de la batería, aunque pueden verse afectadas estadísticamente por variaciones mínimas en el proceso de fabricación.Inicialmente, un paquete de baterías puede tener celdas bien coincidentes, pero con el tiempo, la similitud entre celdas se degrada aún más, no solo debido a la autodescarga, sino también debido al impacto de los ciclos de carga/descarga, la temperatura elevada y el envejecimiento general del calendario.Una vez entendido esto, recordemos la discusión anterior sobre que las celdas de iones de litio funcionan magníficamente, pero pueden ser bastante implacables si se operan fuera de una SOA estricta.Anteriormente aprendimos sobre la protección eléctrica requerida porque las celdas de iones de litio no soportan bien la sobrecarga.Una vez completamente cargados, no pueden aceptar más corriente, y cualquier energía adicional que se les introduzca se transmuta en calor, con el potencial de que el voltaje aumente rápidamente, posiblemente hasta niveles peligrosos.No es una situación saludable para la celda y puede causar daños permanentes y condiciones de funcionamiento inseguras si continúa.

El conjunto 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 al intentar 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 terminarse para el tramo antes de que las otras celdas subyacentes se hayan cargado a su capacidad total.

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 se encuentra 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 consiste en equilibrar la variación del SOC en cada pila del conjunto del paquete.Dado que el SOC no es una cantidad directamente mensurable, puede estimarse mediante diversas técnicas, y el propio esquema de equilibrio generalmente se divide en dos categorías principales, pasivo y activo.Hay muchas variaciones de temas y cada tipo tiene sus pros y sus contras.Depende del ingeniero de diseño de BMS decidir cuál es el óptimo para el paquete de baterías determinado y su aplicación.El equilibrio pasivo es el más fácil de implementar, además de explicar el concepto general de equilibrio.El método pasivo permite que cada celda de la pila tenga la misma capacidad de carga que la celda más débil.Usando una corriente relativamente baja, transporta una pequeña cantidad de energía desde las celdas con alto SOC 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.Monitorea cada celda y aprovecha un interruptor de transistor y una resistencia de descarga del 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 hasta la siguiente celda debajo 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 de 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 espacio 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, permitiendo así 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 gestión de baterías varían desde simples hasta 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 según su topología, que se relaciona con cómo se instalan y operan en 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 suele 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 una gran cantidad de cables, conectores, etc. en paquetes de baterías grandes, lo que complica tanto la resolución de problemas como el mantenimiento.

Topología BMS modular

De manera similar a una implementación centralizada, el BMS se divide en varios módulos duplicados, cada uno con un conjunto de cables dedicado y conexiones a una porción 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 resolución 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 es posible que haya funciones duplicadas no utilizadas según la aplicación.

BMS primario/subordinado

Conceptualmente similar a la topología modular, sin embargo, en este caso los esclavos están más restringidos a simplemente transmitir información de medición, y el maestro se dedica a la computación y el control, así como a la comunicación externa.Entonces, si bien es similar a los tipos modulares, los costos pueden ser menores ya que la funcionalidad de los esclavos tiende a ser más simple, probablemente con menos gastos generales y menos funciones no utilizadas.

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 haces de cableado adjunto.Un BMS distribuido incorpora todo el hardware electrónico en un tablero de control colocado directamente sobre 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 resolución de problemas y el mantenimiento sean potencialmente problemáticos, ya que reside en lo profundo 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 fundamental 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 excedan los límites SOA definidos.Si se exceden los límites durante un período de tiempo, no sólo se pone en peligro una batería potencialmente costosa, sino que también se pueden producir condiciones peligrosas de descontrol térmico.Además, los límites de umbral de tensión más bajos también se controlan rigurosamente para la protección de las células 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 generar posibles problemas de seguridad.La alta densidad de energía de los sistemas alimentados por iones de litio tiene un precio que deja poco margen para errores en la gestión de la batería.Gracias a los BMS y las mejoras de los 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, es necesario que todas las celdas del paquete estén equilibradas, 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 posibles puntos críticos por 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 externo en línea que reside, por ejemplo, en el sistema de enfriamiento líquido de un paquete de baterías de un vehículo eléctrico, o encender placas calefactoras residentes que se instalan 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 heladas es perjudicial para la duración de la batería, es importante primero elevar la temperatura de la batería lo suficiente.La mayoría de las celdas de iones de litio no se pueden cargar rápidamente cuando están a menos de 5°C y no deben cargarse en absoluto cuando están por debajo de 0°C.Para un rendimiento óptimo durante el uso operativo típico, la gestión térmica del BMS a menudo garantiza que una batería funcione dentro de una región de funcionamiento estrecha (por ejemplo, 30 – 35 °C).Esto salvaguarda el rendimiento, promueve una vida útil más larga y fomenta un paquete de baterías saludable y confiable.

Los beneficios de los sistemas de gestión de baterías

Un sistema completo de almacenamiento de energía en batería, a menudo denominado BESS, podría estar compuesto por decenas, cientos o incluso miles de celdas de iones de litio estratégicamente empaquetadas, según la aplicación.Estos sistemas pueden tener una tensión nominal inferior a 100 V, pero pueden llegar hasta 800 V, con corrientes de suministro de paquetes de 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.Sin duda, para los 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 en la 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 alcance.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 característica BMS para tener en cuenta las variaciones en la autodescarga, los ciclos de carga/descarga, los efectos de la temperatura y el envejecimiento general, una batería podría eventualmente volverse inútil.
• Diagnóstico, Recolección 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 solo para diagnóstico, pero a menudo está destinado a la tarea de cálculo para estimar el SOC de todas las celdas del conjunto.Esta información se aprovecha para los algoritmos de equilibrio, pero en conjunto se puede transmitir a dispositivos y pantallas externos para indicar la energía residente disponible, estimar el alcance esperado o el alcance/vida útil según el uso actual y proporcionar el estado de salud del paquete de baterías.
• Reducción de costos y garantía.La introducción de un BMS en un BESS añade 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 reducirá los costes generales, incluidos los relacionados con la garantía.

Sistemas de gestión de baterías y sinopsis

La simulación es un aliado valioso para el diseño de BMS, particularmente cuando se aplica para explorar y abordar 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 el prototipo virtual.Además, la simulación permite una investigación sencilla de variantes de las funciones de supervisión del BMS en diferentes escenarios de operación ambiental y de batería.Los problemas de implementación se pueden descubrir e investigar muy temprano, lo que permite verificar las mejoras de rendimiento y 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 practican en aplicaciones de sistemas integrados físicamente realistas.

Sinopsis SabreRDofrece amplias bibliotecas de modelos eléctricos, digitales, de control y termohidráulicos para capacitar a los ingenieros interesados ​​en el diseño y desarrollo de BMS y paquetes de baterías.Hay herramientas disponibles para generar rápidamente modelos a partir de especificaciones de hojas de datos básicas y curvas de medición para muchos dispositivos electrónicos y diferentes tipos de química de baterías.Los análisis estadísticos, de estrés y de fallas permiten la verificación en todos los espectros de la región operativa, incluidas las áreas límite, para garantizar la confiabilidad general del BMS.Además, se ofrecen muchos ejemplos de diseño para permitir a los usuarios iniciar un proyecto y alcanzar rápidamente las respuestas necesarias a partir de la simulación.