El sistema de gestión de baterías (BMS) es una tecnología diseñada específicamente para supervisar paquetes de baterías, que son componentes de celdas de batería que están organizadas eléctricamente en una configuración de matriz de filas y columnas para proporcionar un rango objetivo de voltaje y corriente para las condiciones de carga esperadas durante un período de tiempo. .
La supervisión proporcionada por BMS suele incluir:
- Monitoreo de batería
- Proporcionar protección de la batería
- Estimar el estado de funcionamiento de la batería.
- Optimización continua del rendimiento de la batería
- Informar el estado operativo a dispositivos externos
Aquí, el término 'batería' significa todo el paquete de baterías; Sin embargo, las funciones de monitoreo y control se aplican específicamente a baterías o paquetes de baterías individuales denominados módulos dentro del conjunto completo del paquete de baterías. Las baterías recargables de iones de litio tienen la mayor densidad de energía y son la opción estándar para muchos paquetes de baterías de consumo, desde computadoras portátiles hasta vehículos eléctricos. Aunque funcionan bien, pueden ser bastante despiadados si se operan fuera del área operativa segura (SOA) típicamente estrecha, con resultados que van desde dañar el rendimiento de la batería hasta consecuencias completamente peligrosas. La descripción del trabajo de BMS es sin duda un desafío, ya que su complejidad general y alcance de supervisión pueden involucrar múltiples disciplinas como eléctrica, digital, de control, térmica e hidráulica.
¿Cómo funciona el sistema de gestión de baterías?
No existe un estándar fijo o único que deba adoptarse para los sistemas de gestión de baterías. El alcance del diseño técnico y las características de implementación suelen estar relacionados con lo siguiente:
- El costo, la complejidad y el tamaño de los paquetes de baterías.
- La aplicación de baterías y cualquier problema de seguridad, vida útil y garantía.
- Los requisitos de certificación de diversas regulaciones gubernamentales, si no existen medidas de seguridad funcional, los costos y las sanciones son cruciales.
BMS tiene muchas funciones de diseño, y la gestión de la protección del paquete de baterías y la gestión de la capacidad son dos funciones básicas. Discutiremos aquí cómo funcionan estas dos funciones. Hay dos áreas clave en la gestión de la protección del paquete de baterías: protección eléctrica, lo que significa que no se permite que las baterías se dañen cuando se usan fuera de SOA; Protección térmica, que implica control de temperatura pasivo y/o activo para mantener o llevar el paquete de baterías a SOA.
Protección de gestión eléctrica: corriente.
Monitorear la corriente del paquete de baterías y el voltaje de la batería o módulo es una forma de lograr protección eléctrica. La SOA eléctrica de cualquier celda de batería está limitada por la corriente y el voltaje. La Figura 1 muestra una batería SOA de iones de litio típica, donde un BMS bien diseñado protegerá el paquete de baterías evitando que funcione fuera de la clasificación de batería del fabricante. En muchos casos, se puede aplicar una reducción adicional dentro de la zona de seguridad SOA para prolongar la vida útil de la batería.
Las baterías de iones de litio tienen diferentes límites de corriente de carga y límites de corriente de descarga, y ambos modos pueden manejar corrientes máximas más altas, aunque el tiempo sea corto. Los fabricantes de baterías suelen especificar límites máximos de corriente de carga y descarga continua, así como límites máximos de tensión de carga y descarga. El BMS que proporciona protección actual definitivamente aplicará la corriente continua máxima. Sin embargo, antes de esto se podrán tener en cuenta cambios bruscos en las condiciones de carga; Por ejemplo, la aceleración repentina de los vehículos eléctricos. BMS puede combinar el monitoreo de corriente máxima integrando la corriente y decidiendo reducir la corriente disponible o interrumpir completamente la corriente del grupo después de Δ tiempo. Esto permite que BMS tenga una sensibilidad casi instantánea a picos de corriente extremos, como situaciones de cortocircuito que no atraen la atención de ningún fusible residente, pero también puede tolerar demandas máximas altas siempre que no sean excesivas durante demasiado tiempo.
Protección de gestión eléctrica: tensión.
La Figura 2 muestra que las baterías de iones de litio deben funcionar dentro de un cierto rango de voltaje. Estos límites SOA estarán determinados en última instancia por las propiedades químicas inherentes de la batería de iones de litio seleccionada y la temperatura de la batería en un momento dado. Además, debido a la gran cantidad de ciclos de corriente, descargas debido a la demanda de carga y carga desde diversas fuentes de energía a las que se somete cualquier paquete de baterías, estas limitaciones de voltaje SOA a menudo se restringen aún más para optimizar la vida útil de la batería. BMS debe saber cuáles son estas limitaciones y tomar decisiones en función de la proximidad de estos umbrales. Por ejemplo, cuando se acerca al límite de alto voltaje, BMS puede solicitar una disminución gradual de la corriente de carga o, si se alcanza el límite, puede solicitar una terminación completa de la corriente de carga. Sin embargo, esta limitación suele ir acompañada de consideraciones adicionales de histéresis de voltaje inherentes para evitar oscilaciones de control con respecto al umbral de apagado. Por otro lado, cuando se acerque al límite de bajo voltaje, el BMS solicitará cargas críticas activas que no cumplan con las normas para reducir su demanda actual. En el caso de los vehículos eléctricos, esto se puede lograr reduciendo el par permitido disponible para el motor de tracción. Por supuesto, BMS debe priorizar la seguridad del conductor y proteger la batería de daños permanentes.
Protección de gestión térmica: Temperatura
En la superficie, las baterías de iones de litio tienen un amplio rango de temperaturas de funcionamiento, pero debido a velocidades de reacción química significativamente más lentas, la capacidad total de la batería disminuye a bajas temperaturas. En términos de capacidad a bajas temperaturas, su rendimiento es mucho mejor que el de las baterías de plomo-ácido o NiMh; Sin embargo, la gestión de la temperatura es crucial, ya que cargar por debajo de 0 grados C (32 grados F) es físicamente problemático. Durante la carga bajo cero, puede ocurrir el fenómeno de galvanoplastia del litio metálico en el ánodo. Se trata de un daño permanente que no sólo conduce a una disminución de la capacidad, sino que también aumenta la probabilidad de que la batería falle si se somete a vibraciones u otras condiciones de estrés. BMS puede controlar la temperatura del paquete de baterías mediante calentamiento y enfriamiento.
La implementación de la gestión térmica depende completamente del tamaño y el costo del paquete de baterías, los objetivos de rendimiento, los estándares de diseño de BMS y las unidades de producto, que pueden incluir consideraciones para el área geográfica de destino. Independientemente del tipo de calentador, generalmente es más eficiente extraer energía de una fuente de alimentación de CA externa o de baterías residentes alternativas utilizadas para operar el calentador cuando sea necesario. Sin embargo, si el calentador eléctrico tiene un consumo de corriente moderado, la energía de la batería principal se puede desviar para calentarse. Si se utiliza un sistema hidráulico caliente, se utiliza un calentador eléctrico para calentar el refrigerante bombeado y distribuido por todo el componente.
Sin duda, los ingenieros de diseño de BMS tienen algunas habilidades en la industria del diseño para inyectar energía térmica en paquetes de baterías. Por ejemplo, se pueden encender varios dispositivos electrónicos de potencia dedicados a la gestión de capacidad dentro de BMS. Aunque no es tan eficiente como el calentamiento directo, aún se puede utilizar pase lo que pase. La refrigeración es particularmente importante para minimizar la pérdida de rendimiento de los paquetes de baterías de iones de litio. Por ejemplo, quizás una batería determinada funcione mejor a 20 grados C; Si la temperatura del embalaje aumenta a 30 grados C, su eficiencia de rendimiento puede disminuir en un 20%. Si la batería se carga y recarga continuamente a una temperatura de 45 grados C (113 grados F), la pérdida de rendimiento puede llegar al 50 %. Si se expone continuamente a ambientes sobrecalentados, especialmente durante ciclos rápidos de carga y descarga, la vida útil de la batería también puede envejecer y degradarse prematuramente. El enfriamiento generalmente se logra mediante dos métodos, pasivo o activo, y se pueden utilizar ambas técnicas. El enfriamiento pasivo se basa en el movimiento del flujo de aire para enfriar la batería. En cuanto a los vehículos eléctricos, esto significa que sólo circulan por carretera. Sin embargo, puede ser más complejo de lo que parece, ya que el sensor de velocidad del aire se puede integrar para ajustar estratégicamente y automáticamente la presa de aire de desviación para maximizar el flujo de aire. La implementación de ventiladores activos con control de temperatura puede ser útil a bajas velocidades o cuando el vehículo está parado, pero todo esto es solo para mantener la batería a la misma temperatura que el entorno. Si hace calor, esto puede aumentar la temperatura inicial del embalaje. El enfriamiento activo hidráulico caliente se puede diseñar como un sistema suplementario, generalmente usando refrigerante de etilenglicol con una proporción de mezcla específica, circulando a través de tuberías/mangueras, colectores de distribución, intercambiadores de calor de flujo cruzado (radiadores) y placas de enfriamiento contra los componentes del paquete de baterías usando un sistema eléctrico. bomba. BMS monitorea la temperatura de todo el paquete de baterías 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 del paquete de baterías puede considerarse una de las características de rendimiento de la batería más importantes proporcionadas por BMS. Si no se realiza este mantenimiento, la batería puede llegar a quedar inservible. La raíz del problema radica en el hecho de que el "apilamiento" de paquetes de baterías (conjuntos de baterías en serie) no es completamente igual y esencialmente tiene tasas de fuga o autodescarga ligeramente diferentes. Las fugas no son un defecto del fabricante, sino de las propiedades químicas de la batería, aunque pueden verse afectadas estadísticamente por cambios menores en el proceso de fabricación. Inicialmente, los paquetes de baterías pueden tener baterías que coincidan bien, pero con el tiempo, la similitud entre las baterías disminuye aún más, no solo debido a la autodescarga sino también influenciada por los ciclos de carga/descarga, el aumento de temperatura y el envejecimiento calendario general. Teniendo esto en cuenta, recordando la discusión anterior, las baterías de iones de litio funcionan bien, pero pueden ser bastante despiadadas si se operan fuera de la estricta SOA. Ya hemos aprendido anteriormente sobre la protección eléctrica necesaria, ya que las baterías de iones de litio no soportan bien la sobrecarga. Una vez completamente cargados, no pueden aceptar más corriente, cualquier energía adicional se convertirá en calor y el voltaje puede aumentar rápidamente, alcanzando niveles potencialmente peligrosos. Esta no es una condición saludable para las células y, si persiste, puede causar daños permanentes y condiciones de funcionamiento inseguras.
La conexión en serie de conjuntos de baterías determina el voltaje de todo el paquete de baterías, y la falta de coincidencia entre baterías adyacentes puede causar dificultades al intentar cargar cualquier paquete de baterías. La Figura 3 muestra por qué sucede esto. Si una persona tiene un conjunto de baterías completamente equilibrado, entonces todo está bien porque cada batería se cargará de la misma manera y la corriente de carga se puede cortar cuando se alcanza el umbral superior de voltaje 4.0. Sin embargo, en una situación de desequilibrio, la batería superior alcanzará su límite de carga antes de lo previsto y la corriente de carga de la rama debe finalizar antes de que las otras baterías inferiores se carguen a su capacidad total.
Para demostrar su principio de funcionamiento, es necesario explicar una definición clave. El estado de carga (SOC) de una batería o módulo en un momento dado es directamente proporcional a la potencia disponible en relación con la potencia total cuando está completamente cargada. Por lo tanto, una batería al 50 % de SOC significa que se ha cargado al 50 %, similar al factor de calidad de un medidor de potencia. La gestión de la capacidad de BMS consiste en equilibrar los cambios de SOC de cada pila en el paquete de baterías. Dado que el SOC no es una cantidad directamente mensurable, se puede estimar mediante varias técnicas, y el esquema de equilibrio en sí generalmente se divide en dos categorías: pasivo y activo. Hay muchas variaciones de temas, cada una con sus propias ventajas y desventajas. El ingeniero de diseño de BMS decide cuál es el más adecuado para el paquete de baterías determinado y su aplicación. El equilibrio pasivo es el más fácil de lograr y también puede explicar el concepto general de equilibrio. Los métodos pasivos permiten que cada batería del paquete tenga la misma capacidad de carga que la batería más débil. Utiliza una corriente relativamente baja para transferir una pequeña cantidad de energía de baterías con alto SOC durante el ciclo de carga, de modo que todas las baterías puedan cargarse a su SOC máximo. La Figura 4 ilustra cómo BMS logra esto. Supervisa cada batería y utiliza interruptores de transistores y resistencias de descarga del tamaño adecuado en paralelo con cada batería. Cuando el BMS detecta que una batería determinada se está acercando a su límite de carga, guiará el exceso de corriente a su alrededor de arriba hacia abajo hasta la siguiente batería que se encuentra debajo.
Los puntos finales del proceso de equilibrio antes y después se muestran en la Figura 5. En resumen, BMS permite que las baterías o módulos en el paquete de baterías vean corrientes de carga que son diferentes de la corriente del paquete de baterías para equilibrar el paquete de baterías a través de uno de los siguientes métodos:
Quitar la carga de la batería más cargada proporciona espacio para corriente de carga adicional para evitar la sobrecarga y permite que las baterías menos cargadas reciban más corriente de carga.
Reposicionar parte o casi toda la corriente de carga alrededor de la batería más cargada, permitiendo que las baterías menos cargadas reciban corriente de carga durante un período de tiempo más largo.
Tipos de sistemas de gestión de baterías
El sistema de gestión de batería puede adoptar varias tecnologías, desde simples hasta complejas, para lograr sus instrucciones principales de "cuidar la batería". Sin embargo, estos sistemas se pueden clasificar en función de su topología, la cual está relacionada con su instalación y funcionamiento sobre las baterías o módulos de todo el paquete de baterías.
Arquitectura BMS centralizada
Hay un BMS central en el conjunto del paquete de baterías. Todos los paquetes de baterías están conectados directamente al BMS central. La estructura del BMS centralizado se muestra en la Figura 6. El BMS centralizado tiene algunas ventajas. Es más compacto y, a menudo, el más económico porque solo hay un BMS. Sin embargo, el BMS centralizado también tiene desventajas. Debido a que todas las baterías están conectadas directamente al BMS, el BMS requiere muchos puertos para conectar todos los paquetes de baterías. Esto significa que hay una gran cantidad de alambres, cables, conectores, etc. en paquetes de baterías grandes, lo que dificulta la resolución de problemas y el mantenimiento.
Topología BMS modular
De manera similar a la implementación centralizada, BMS se divide en varios módulos repetitivos, cada uno con un conjunto de cables dedicado y conectados a partes designadas adyacentes del paquete de baterías. Consulte la Figura 7. En algunos casos, estos submódulos BMS pueden estar bajo la supervisión del módulo BMS principal, cuya función es monitorear el estado de los submódulos y comunicarse con los dispositivos periféricos. Debido a la modularización repetida, la resolución de problemas y el mantenimiento son más fáciles, y también es fácil expandirse a paquetes de baterías más grandes. La desventaja es que el costo total es ligeramente mayor y puede haber funciones duplicadas no utilizadas según la aplicación.
BMS primario/secundario
Sin embargo, conceptualmente similar a la topología modular, en este caso los dispositivos esclavos están más limitados a transmitir únicamente información de medición, mientras que los dispositivos maestros se dedican a la computación y el control, así como a la comunicación externa. Por lo tanto, aunque es similar a los tipos modulares, el costo puede ser menor porque la funcionalidad del dispositivo suele ser más simple, los gastos generales pueden ser menores y puede haber menos funciones no utilizadas.
Arquitectura BMS distribuida
A diferencia de otras topologías, en otras topologías, el hardware y el software electrónicos están encapsulados en módulos, que se conectan a la batería a través de mazos de cables. BMS distribuido integra todo el hardware electrónico en un tablero de control colocado directamente en la batería o módulo monitoreado. Esto reduce el cableado extenso de unos pocos cables de sensores y cables de comunicación entre módulos BMS adyacentes. Por lo tanto, cada BMS es más independiente y maneja la computación y la comunicación según sea necesario. Sin embargo, a pesar de esta obvia simplicidad, esta forma integrada hace que la resolución de problemas y el mantenimiento sean un problema potencial, ya que se encuentra en lo profundo de los componentes del módulo blindado. El costo suele ser mayor porque hay más BMS en toda la estructura del paquete de baterías.
La importancia del sistema de gestión de baterías
En BMS, la seguridad funcional es lo más importante. Es fundamental evitar que el voltaje, la corriente y la temperatura de cualquier batería o módulo bajo supervisión y control excedan los límites SOA especificados durante las operaciones de carga y descarga. Si se excede el límite durante un período de tiempo, no sólo se verán afectados los paquetes de baterías potencialmente costosos, sino que también pueden producirse situaciones peligrosas de fuga térmica. Además, para proteger las baterías de iones de litio y garantizar la seguridad funcional, también se requiere un control estricto de los límites del umbral de tensión inferior. Si las baterías de iones de litio se mantienen en este estado de bajo voltaje, eventualmente pueden crecer dendritas de cobre en el ánodo, lo que podría provocar un aumento en la tasa de autodescarga y posibles problemas de seguridad. El costo de la alta densidad de energía en los sistemas de energía de iones de litio es que casi no hay lugar para errores en la gestión de la batería. Gracias a las mejoras en BMS y las baterías de iones de litio, este es uno de los productos químicos para baterías más exitosos y seguros disponibles en la actualidad.
El rendimiento del paquete de baterías es la segunda función más importante del BMS, que implica la gestión eléctrica y térmica. Para optimizar eléctricamente la capacidad general de la batería, todas las baterías del paquete de baterías deben estar equilibradas, lo que significa que el SOC de las baterías adyacentes en todo el componente es aproximadamente igual. Esto es muy importante porque no sólo logra una capacidad óptima de la batería, sino que también ayuda a prevenir la degradación generalizada y reducir los posibles puntos críticos de sobrecarga de las baterías débiles. Las baterías de iones de litio deben evitar descargarse por debajo del límite de bajo voltaje, ya que esto puede provocar efectos de memoria y una pérdida significativa de capacidad. Los procesos electroquímicos son muy sensibles a la temperatura y las baterías no son una excepción. Cuando la temperatura ambiente baja, la capacidad y la energía disponible de la batería disminuirán significativamente. Por lo tanto, BMS puede conectar calentadores externos en línea ubicados en sistemas de refrigeración líquida, como paquetes de baterías de vehículos eléctricos, o encender placas calefactoras residentes instaladas debajo de módulos de paquetes de baterías en helicópteros u otras aeronaves. Además, dado que cargar baterías de iones de litio a baja temperatura no favorece la vida útil de la batería, es importante primero aumentar completamente la temperatura de la batería. La mayoría de las baterías de iones de litio no se pueden cargar rápidamente por debajo de 5 grados C y no deben cargarse por debajo de 0 grados C. Para lograr un rendimiento óptimo durante el uso operativo típico, la gestión térmica del BMS generalmente garantiza que la batería funcione dentro de un área de operación Ricitos de Oro estrecha (por ejemplo, 30-35 grados C). Esto puede proteger el rendimiento, prolongar la vida útil y cultivar paquetes de baterías saludables y confiables.
Los beneficios del sistema de gestión de baterías.
Un sistema completo de almacenamiento de energía en baterías, comúnmente conocido como BESS, se puede ensamblar estratégicamente a partir de docenas, cientos o incluso miles de baterías de iones de litio, según la aplicación. El voltaje nominal de estos sistemas puede ser inferior a 100 V, pero puede alcanzar hasta 800 V, con un rango de corriente de fuente de alimentación de batería de hasta 300 A o más. Cualquier mala gestión de los paquetes de baterías de alto voltaje puede provocar desastres catastróficos que pongan en peligro vidas. Por lo tanto, BMS es crucial para garantizar un funcionamiento seguro. Los beneficios de BMS se pueden resumir de la siguiente manera.
Seguridad funcional.No hace falta decir que en el caso de baterías de iones de litio de gran tamaño, esto es especialmente cauteloso y necesario. Pero como es bien sabido, incluso los formatos más pequeños utilizados en los portátiles pueden incendiarse y causar daños importantes. La seguridad personal de los usuarios de productos que contienen sistemas de energía de iones de litio deja poco margen para errores en la gestión de la batería.
Vida útil y confiabilidad.Gestión de la protección del pack de baterías, eléctrica y térmica, asegurando que todas las baterías se utilicen dentro de los requisitos SOA declarados. Esta sutil supervisión garantiza el uso seguro y los ciclos rápidos de carga y descarga de la batería, e inevitablemente genera un sistema estable que puede proporcionar años de servicio confiable.
Rendimiento y alcance.Gestión de la capacidad del paquete de baterías BMS, que utiliza el equilibrio entre baterías para equilibrar el SOC de las baterías adyacentes en los componentes del paquete de baterías, lo que permite una capacidad óptima de la batería. Sin esta función BMS para considerar los cambios en la autodescarga, los ciclos de carga/descarga, los efectos de la temperatura y el envejecimiento general, la batería puede, en última instancia, volverse inútil.
Diagnóstico, recogida de datos y comunicación externa.La tarea de supervisión incluye el monitoreo continuo de todas las celdas de la batería, donde el registro de datos en sí se puede usar para el diagnóstico, pero generalmente se usa para tareas computacionales para predecir el SOC de todas las baterías del componente. Esta información se utiliza para algoritmos de equilibrio, pero se puede compartir con 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.
Reducir costes y garantía.La introducción de BMS en BESS aumenta los costos y el paquete de baterías es costoso y potencialmente peligroso. Cuanto más complejo sea el sistema, mayores serán los requisitos de seguridad, por lo que se requerirá más supervisión del BMS. Sin embargo, la protección y el mantenimiento preventivo de BMS en términos de seguridad funcional, vida útil y confiabilidad, rendimiento y alcance, diagnóstico, etc. garantizan que reducirá los costos generales, incluidos los costos relacionados con la garantía.
Conclusión
La simulación es un aliado valioso en el diseño de BMS, especialmente cuando se aplica para explorar y resolver desafíos de diseño en el desarrollo, creación de prototipos y pruebas de hardware. Con un modelo preciso de batería de iones de litio, el modelo de simulación de la arquitectura BMS se reconoce como una especificación ejecutable para prototipos virtuales. Además, la simulación permite una investigación sencilla de variantes de funciones de monitoreo de BMS para diferentes escenarios operativos ambientales y de batería. Los problemas de implementación se pueden identificar e investigar desde el principio, lo que permite la validación del rendimiento y las mejoras de seguridad funcional antes de la implementación en prototipos de hardware reales. Esto reduce el tiempo de desarrollo y ayuda a garantizar que el primer prototipo de hardware sea sólido. Además, cuando se realizan en aplicaciones de sistemas integrados, se pueden realizar muchas pruebas de autenticación en BMS y paquetes de baterías, incluidos los peores escenarios.