Sistema de gestión de la batería

Un BMS puede monitorear el estado de la batería representado por varios elementos, tales como:

• Voltaje : voltaje total, voltajes de celdas individuales o voltaje de tomas periódicas.
• Temperatura : temperatura promedio, temperatura de entrada del refrigerante, temperatura de salida del refrigerante o temperaturas de celdas individuales.
• Flujo de refrigerante: para baterías refrigeradas por líquido
• Corriente : corriente que entra o sale de la batería.
• Salud de las células individuales
• Estado de equilibrio de las células

• El BMS también controlará la recarga de la batería redirigiendo la energía recuperada (es decir, procedente del frenado regenerativo ) de vuelta al paquete de baterías (normalmente compuesto por varios módulos de batería, cada uno compuesto por varias celdas).

Los sistemas de gestión térmica de baterías pueden ser pasivos o activos, y el medio de refrigeración puede ser aire, líquido o algún tipo de cambio de fase. ^{[ 5 ]} La refrigeración por aire es ventajosa por su simplicidad. Estos sistemas pueden ser pasivos, dependiendo únicamente de la convección del aire circundante, o activos, utilizando ventiladores para el flujo de aire. Comercialmente, tanto el Honda Insight como el Toyota Prius utilizan refrigeración activa por aire de sus sistemas de baterías. ^{[ 6 ]} La principal desventaja de la refrigeración por aire es su ineficiencia. Se debe utilizar una gran cantidad de energía para operar el mecanismo de refrigeración, mucho más que la refrigeración activa por líquido. ^{[ 7 ]} Los componentes adicionales del mecanismo de refrigeración también aumentan el peso del BMS, reduciendo la eficiencia de las baterías utilizadas para el transporte.

La refrigeración líquida tiene un mayor potencial de enfriamiento natural que la refrigeración por aire, ya que los refrigerantes líquidos tienden a tener una conductividad térmica más alta que el aire. Las baterías pueden sumergirse directamente en el refrigerante o este puede fluir a través del BMS sin contacto directo con la batería. La refrigeración indirecta puede generar grandes gradientes térmicos en el BMS debido a la mayor longitud de los canales de refrigeración. Esto se puede reducir bombeando el refrigerante a mayor velocidad a través del sistema, lo que implica un equilibrio entre la velocidad de bombeo y la consistencia térmica. ^{[ 7 ]}

Además, un BMS puede calcular valores en función de los elementos que se enumeran a continuación, como por ejemplo: ^{[ 1 ] [ 4 ]}

• Voltaje : voltaje mínimo y máximo de la celda
• Estado de carga (SoC) o profundidad de descarga (DoD), para indicar el nivel de carga de la batería.
• El estado de salud (SoH) es una medida definida de diversas maneras de la capacidad restante de la batería como una fracción de la capacidad original.
• El estado de potencia (SoP) es la cantidad de potencia disponible durante un intervalo de tiempo definido, dadas las condiciones actuales de consumo de energía, temperatura y otras condiciones.
• Estado de seguridad (SOS)
• Corriente de carga máxima como límite de corriente de carga (CCL)
• Corriente de descarga máxima como límite de corriente de descarga (DCL)
• Energía suministrada desde la última carga o ciclo de carga
• Impedancia interna de una celda (para determinar el voltaje en circuito abierto)
• Carga entregada o almacenada (a veces esta función se denomina conteo de culombios )
• Tiempo total de funcionamiento desde el primer uso
• Número total de ciclos
• Control de temperatura
• Flujo de refrigerante para baterías refrigeradas por aire o líquido.

El controlador central de un BMS se comunica internamente con su hardware que opera a nivel de celda, o externamente con hardware de alto nivel como computadoras portátiles o una HMI .

La comunicación externa de alto nivel es sencilla y utiliza varios métodos:

• Diferentes tipos de comunicaciones en serie .
• Las comunicaciones mediante bus CAN se utilizan habitualmente en entornos automovilísticos.
• Diferentes tipos de comunicaciones inalámbricas . ^{[ 8 ]}

Los sistemas de gestión de baterías centralizados de bajo voltaje generalmente no tienen comunicación interna.

Los BMS distribuidos o modulares deben utilizar algún tipo de comunicación interna de bajo nivel entre celda y controlador (arquitectura modular) o entre controladores (arquitectura distribuida). Este tipo de comunicaciones son difíciles, especialmente para sistemas de alto voltaje. El problema radica en el desplazamiento de voltaje entre celdas. La señal de tierra de la primera celda puede ser cientos de voltios superior a la de la otra. Además de los protocolos de software, existen dos métodos conocidos de comunicación de hardware para sistemas de desplazamiento de voltaje: el aislador óptico y la comunicación inalámbrica . Otra restricción para las comunicaciones internas es el número máximo de celdas. En la arquitectura modular, la mayoría del hardware está limitado a un máximo de 255 nodos. Para sistemas de alto voltaje, el tiempo de búsqueda de todas las celdas es otra restricción, que limita las velocidades mínimas del bus y reduce algunas opciones de hardware. El costo de los sistemas modulares es importante, ya que puede ser comparable al precio de la celda. ^{[ 9 ]} La combinación de restricciones de hardware y software da como resultado algunas opciones para la comunicación interna:

• Comunicaciones seriales aisladas
• Comunicaciones seriales inalámbricas

Para sortear las limitaciones de potencia de los cables USB existentes debido al calor generado por la corriente eléctrica, se han desarrollado protocolos de comunicación implementados en los cargadores de teléfonos móviles para negociar un voltaje elevado, siendo los más utilizados Qualcomm Quick Charge y MediaTek Pump Express . " VOOC " de Oppo (también comercializado como "Dash Charge" por OnePlus) aumenta la corriente en lugar del voltaje con el objetivo de reducir el calor producido en el dispositivo al convertir internamente un voltaje elevado al voltaje de carga terminal de la batería, lo que, sin embargo, lo hace incompatible con los cables USB existentes y requiere cables USB especiales de alta corriente con cables de cobre más gruesos. Más recientemente, el estándar USB Power Delivery busca un protocolo de negociación universal para dispositivos de hasta 240 vatios. ^{[ 10 ]}

Un BMS puede proteger su batería impidiendo que funcione fuera de su área de funcionamiento segura , como por ejemplo: ^{[ 1 ] [ 11 ]}

• Cobro excesivo
• Descarga excesiva
• Sobrecorriente durante la carga
• Sobrecorriente durante la descarga
• Sobretensión durante la carga, especialmente importante para las celdas de plomo-ácido , iones de litio y LiFePO₄ _.
• Subtensión durante la descarga, especialmente importante para las celdas de iones de litio y LiFePO₄ _.
• Sobretemperatura
• Bajo temperatura
• Sobrepresión ( baterías NiMH )
• Detección de falla a tierra o corriente de fuga (sistema que monitorea que la batería de alto voltaje esté desconectada eléctricamente de cualquier objeto conductor que se pueda tocar o usar, como la carrocería del vehículo).

El BMS puede impedir el funcionamiento fuera del área de funcionamiento segura de la batería mediante:

• Incluye un interruptor interno (como un relé o un MOSFET ) que se abre si la batería se utiliza fuera de su área de funcionamiento segura.
• Solicitar a los dispositivos que reduzcan o incluso dejen de usar o cargar la batería.
• Controlar activamente el ambiente, por ejemplo, mediante calentadores, ventiladores, aire acondicionado o refrigeración líquida.
• Reduzca la velocidad del procesador para disminuir el calor.

Un sistema de gestión de baterías (BMS) también puede incluir un sistema de precarga que permite conectar la batería de forma segura a diferentes cargas y elimina las corrientes de irrupción excesivas en los condensadores de carga.

La conexión a las cargas se controla normalmente mediante relés electromagnéticos llamados contactores. El circuito de precarga puede consistir en resistencias de potencia conectadas en serie con las cargas hasta que los condensadores se carguen. Alternativamente, se puede utilizar una fuente de alimentación conmutada conectada en paralelo a las cargas para elevar la tensión del circuito de carga hasta un nivel suficientemente cercano a la tensión de entrada de la batería, permitiendo así el cierre de los contactores entre la batería y el circuito de carga. Un sistema de gestión de baterías (BMS) puede incluir un circuito que compruebe si un relé ya está cerrado antes de la recarga (por ejemplo, debido a la soldadura) para evitar sobrecorrientes.

Para maximizar la capacidad de la batería y evitar la sobrecarga o descarga insuficiente localizada, el BMS puede garantizar activamente que todas las celdas que la componen se mantengan al mismo voltaje o estado de carga mediante el balanceo. El BMS puede balancear las celdas mediante:

• Disipar la energía de las celdas más cargadas conectándolas a una carga (por ejemplo, mediante reguladores pasivos ).
• Transferencia de energía desde las celdas más cargadas a las menos cargadas ( balanceadores ).
• Reducir la corriente de carga a un nivel suficientemente bajo que no dañe las celdas completamente cargadas, mientras que las celdas con menor carga pueden continuar cargándose (esto no se aplica a las celdas de litio).

Algunos cargadores logran el balanceo cargando cada celda de forma independiente. Esto suele hacerlo el BMS y no el cargador (que normalmente solo proporciona la corriente de carga principal y no interactúa con el paquete a nivel de grupo de celdas), por ejemplo, los cargadores de bicicletas eléctricas y patinetes eléctricos . En este método, el BMS solicita una corriente de carga menor (como en las baterías de vehículos eléctricos) o interrumpe la entrada de carga (típico en dispositivos electrónicos portátiles) mediante circuitos de transistores mientras se realiza el balanceo (para evitar la sobrecarga de las celdas).