Sistema de gestión de batería

Un sistema de gestión de baterías ( BMS ) es cualquier sistema electrónico que administra una batería recargable ( celda o paquete de baterías ) facilitando el uso seguro y una larga vida útil de la batería en escenarios prácticos mientras monitorea y estima sus diversos estados (como el estado de salud y el estado de carga ), ^[1] calculando datos secundarios, informando esos datos, controlando su entorno, autenticándolos o equilibrándolos . ^[2]

El módulo de circuito de protección ( PCM ) es una alternativa más sencilla al BMS. ^[3] Un paquete de baterías integrado con un sistema de gestión de baterías con un bus de datos de comunicación externo es un paquete de baterías inteligente . Un paquete de baterías inteligente debe cargarse con un cargador de baterías inteligente . ^{[1] [4]}

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

• Voltaje : voltaje total, voltajes de celdas individuales o voltaje de tomas periódicas ^{[ aclaración necesaria ]}
• Temperatura : temperatura promedio, temperatura de entrada de refrigerante, temperatura de salida de 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, del frenado regenerativo ) de regreso al paquete de baterías (generalmente 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 alguna forma de cambio de fase. La refrigeración por aire tiene la ventaja de ser sencilla. 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 por aire activa de sus sistemas de batería. ^[5] La principal desventaja de la refrigeración por aire es su ineficiencia. Se deben utilizar grandes cantidades de energía para operar el mecanismo de refrigeración, mucho más que la refrigeración líquida activa. ^[6] Los componentes adicionales del mecanismo de refrigeración también añaden peso al BMS, lo que reduce la eficiencia de las baterías utilizadas para el transporte. ^{[ cita requerida ]}

La refrigeración líquida tiene un potencial de enfriamiento natural mayor que la refrigeración por aire, ya que los refrigerantes líquidos tienden a tener conductividades térmicas más altas que el aire. Las baterías pueden sumergirse directamente en el refrigerante o el refrigerante puede fluir a través del BMS sin entrar en contacto directo con la batería. La refrigeración indirecta tiene el potencial de crear grandes gradientes térmicos a través del BMS debido a la mayor longitud de los canales de refrigeración. Esto se puede reducir bombeando el refrigerante más rápido a través del sistema, lo que crea un equilibrio entre la velocidad de bombeo y la consistencia térmica. ^[6]

Además, un BMS puede calcular valores en función de los elementos que se enumeran a continuación, como: ^{[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 energía (SoP) es la cantidad de energía disponible durante un intervalo de tiempo definido dado el uso de energía actual, la temperatura y otras condiciones.
• Estado de seguridad (SOS)
• Corriente de carga máxima como límite de corriente de carga (CCL)
• Corriente máxima de descarga como límite de corriente de descarga (DCL)
• Energía entregada desde la última carga o ciclo de carga
• Impedancia interna de una celda (para determinar el voltaje de circuito abierto)
• Carga entregada o almacenada (a veces esta función se denomina conteo de Coulomb )
• Tiempo total de funcionamiento desde el primer uso
• Número total de ciclos
• Monitoreo 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 . ^{[ aclaración necesaria ]}

La comunicación externa de alto nivel es sencilla y utiliza varios métodos: ^{[ cita requerida ]}

• Diferentes tipos de comunicaciones en serie .
• Las comunicaciones mediante bus CAN se utilizan comúnmente en entornos automotrices.
• Diferentes tipos de comunicaciones inalámbricas . ^[7]

Los BMS centralizados de bajo voltaje en su mayoría no tienen comunicaciones internas.

Los BMS distribuidos o modulares deben utilizar algún tipo de comunicación interna de bajo nivel entre celda y controlador (arquitectura modular) o entre controlador y controlador (arquitectura distribuida). Este tipo de comunicaciones son difíciles, especialmente para sistemas de alto voltaje. El problema es el cambio de voltaje entre celdas. La primera señal de tierra de la celda puede ser cientos de voltios más alta que la otra señal de tierra de la celda. Aparte de los protocolos de software, existen dos formas conocidas de comunicación de hardware para sistemas de cambio de voltaje: comunicación inalámbrica y comunicación con aislador óptico . Otra restricción para las comunicaciones internas es el número máximo de celdas. Para la arquitectura modular, la mayoría del hardware está limitado a un máximo de 255 nodos. Para los sistemas de alto voltaje, el tiempo de búsqueda de todas las celdas es otra restricción, que limita las velocidades mínimas del bus y pierde algunas opciones de hardware. El costo de los sistemas modulares es importante, porque puede ser comparable al precio de la celda. ^[8] La combinación de restricciones de hardware y software da como resultado algunas opciones para la comunicación interna:

• Comunicaciones seriales aisladas
• Comunicaciones seriales inalámbricas

Para evitar las limitaciones de potencia de los cables USB existentes debido al calor de la corriente eléctrica, se han desarrollado protocolos de comunicación implementados en cargadores de teléfonos móviles para negociar un voltaje elevado, de los cuales los más utilizados son Qualcomm Quick Charge y MediaTek Pump Express . " VOOC " de Oppo (también conocido como "Dash Charge" con "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 del terminal de la batería, lo que sin embargo lo hace incompatible con los cables USB existentes y depende de cables USB especiales de alta corriente con cables de cobre más gruesos. Más recientemente, el estándar USB Power Delivery apunta a un protocolo de negociación universal en dispositivos de hasta 240 vatios. ^[9]

Un BMS puede proteger su batería impidiendo que funcione fuera de su área operativa segura , como por ejemplo: ^{[1] [10]}

• Sobrecarga
• Descarga excesiva
• Sobrecorriente durante la carga
• Sobrecorriente durante la descarga
• Sobretensión durante la carga, especialmente importante para celdas de plomo-ácido , Li-ion y LiFePO4
• Subtensión durante la descarga, especialmente importante para celdas de Li-ion y LiFePO4
• Sobretemperatura
• Temperatura baja
• Sobrepresión ( baterías NiMH )
• Detección de fuga de corriente o falla a tierra (sistema que monitorea que la batería de alto voltaje esté desconectada eléctricamente de cualquier objeto conductor que se pueda tocar para usar, como la carrocería del vehículo)

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

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

Un BMS también puede contar con un sistema de precarga que permite una forma segura de conectar la batería a diferentes cargas y eliminar las corrientes de entrada excesivas a los condensadores de carga.

La conexión a las cargas normalmente se controla a través de relés electromagnéticos llamados contactores. El circuito de precarga puede estar formado por resistencias de potencia conectadas en serie con las cargas hasta que se carguen los condensadores. Alternativamente, se puede utilizar una fuente de alimentación conmutada conectada en paralelo a las cargas para cargar el voltaje del circuito de carga hasta un nivel lo suficientemente cercano al voltaje de la batería para permitir el cierre de los contactores entre la batería y el circuito de carga. Un BMS puede tener un circuito que pueda comprobar si un relé ya está cerrado antes de la recarga (debido a una soldadura, por ejemplo) para evitar que se produzcan corrientes de entrada.

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

• Disipar energía de las celdas más cargadas conectándolas a una carga (por ejemplo, a través de reguladores pasivos )
• Reparto de energía desde las células más cargadas a las menos cargadas ( equilibradores )
• Reducir la corriente de carga a un nivel suficientemente bajo que no dañe las celdas completamente cargadas, mientras que las celdas menos cargadas pueden continuar cargándose (no se aplica a las celdas con química de litio)

Algunos cargadores logran el equilibrio cargando cada celda de forma independiente. Esto suele ser realizado por el BMS y no por el cargador (que normalmente proporciona solo 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 patinetas eléctricas . En este método, el BMS solicitará una corriente de carga más baja (como las baterías de vehículos eléctricos) o apagará la entrada de carga (algo típico en dispositivos electrónicos portátiles) mediante el uso de circuitos de transistores mientras se realiza el equilibrio (para evitar la sobrecarga de las celdas).

La tecnología BMS varía en complejidad y rendimiento:

• Los reguladores pasivos simples logran el equilibrio entre baterías o celdas al desviar la corriente de carga cuando el voltaje de la celda alcanza un cierto nivel. El voltaje de la celda es un mal indicador del SoC de la celda (y para ciertas químicas de litio, como LiFePO4)
  ₄, no es un indicador en absoluto), por lo tanto, igualar los voltajes de las celdas mediante reguladores pasivos no equilibra el SoC, que es el objetivo de un BMS. Por lo tanto, estos dispositivos, si bien son ciertamente beneficiosos, tienen graves limitaciones en su eficacia.
• Los reguladores activos activan y desactivan de manera inteligente una carga cuando corresponde, nuevamente para lograr el equilibrio. Si solo se utiliza el voltaje de la celda como parámetro para habilitar los reguladores activos, se aplican las mismas restricciones mencionadas anteriormente para los reguladores pasivos.
• Un BMS completo también informa el estado de la batería a una pantalla y la protege.

Las topologías BMS se dividen en tres categorías:

• Centralizado: un único controlador está conectado a las celdas de la batería a través de una multitud de cables
• Distribuida: se instala una placa BMS en cada celda, con un solo cable de comunicación entre la batería y un controlador
• Modular: unos pocos controladores, cada uno de los cuales maneja una cierta cantidad de celdas, con comunicación entre los controladores.

Los BMS centralizados son los más económicos, los menos ampliables y están plagados de una multitud de cables. Los BMS distribuidos son los más caros, los más sencillos de instalar y ofrecen el montaje más limpio. Los BMS modulares ofrecen un equilibrio entre las características y los problemas de las otras dos topologías.

Los requisitos para un BMS en aplicaciones móviles (como vehículos eléctricos) y aplicaciones estacionarias (como UPS de reserva en una sala de servidores ) son bastante diferentes, especialmente en lo que respecta a los requisitos de restricción de espacio y peso, por lo que las implementaciones de hardware y software deben adaptarse al uso específico. En el caso de vehículos eléctricos o híbridos, el BMS es solo un subsistema y no puede funcionar como un dispositivo independiente. Debe comunicarse al menos con un cargador (o infraestructura de carga), una carga, gestión térmica y subsistemas de apagado de emergencia. Por lo tanto, en un buen diseño de vehículo, el BMS está estrechamente integrado con esos subsistemas. Algunas aplicaciones móviles pequeñas (como carros de equipo médico, sillas de ruedas motorizadas, scooters y carretillas elevadoras) a menudo tienen hardware de carga externo, sin embargo, el BMS a bordo aún debe tener una integración de diseño estrecha con el cargador externo.

Se utilizan varios métodos de equilibrio de batería , algunos de ellos basados ​​en la teoría del estado de carga .

• Equilibrado de la batería
• Batería inteligente
• Cargador de batería
• Controlador de carga

• Enfoque modular para el equilibrado continuo a nivel de celdas con el fin de mejorar el rendimiento de los paquetes de baterías de gran tamaño, Laboratorio Nacional de Energías Renovables , septiembre de 2014