Sistema de gestión de baterías (bms) para vehículos eléctricos

El 7 ^º enero de 2013, un vuelo de Boeing 787 estaba estacionado para el mantenimiento, durante el que un mecánico llamas se dio cuenta y el humo procedente de la unidad de potencia auxiliar (batería de litio Pack) del vuelo, que se utiliza para alimentar los sistemas electrónicos de vuelo. Se hicieron esfuerzos para apagar el fuego, pero 10 días más tarde antes de que esta cuestión podría resolverse, el 16 ^º enero otro fallo de la batería se produjo en un vuelo operado por 787 All Nippon Airways que provocó un aterrizaje de emergencia en el aeropuerto japonés. Estas dos frecuentes fallas catastróficas de la batería hicieron que el vuelo del Boeing 787 Dreamliners quedara en tierra indefinidamente, lo que empañó la reputación del fabricante y provocó enormes pérdidas financieras.

Después de una serie de investigaciones conjuntas por parte de EE. UU. Y Japón, el paquete de baterías de litio del B-787 pasó por una tomografía computarizada y reveló que una de las ocho celdas de iones de litio estaba dañada, lo que provocó un cortocircuito que provocó una fuga térmica con fuego. Este incidente podría haberse evitado fácilmente si el sistema de gestión de la batería del paquete de baterías de iones de litio estuviera diseñado para detectar / prevenir cortocircuitos. Después de algunos cambios de diseño y regulaciones de seguridad, el B-787 comenzó a volar nuevamente, pero aún así el incidente permanece como una evidencia para demostrar cuán peligrosas pueden llegar a ser las baterías de litio si no se manejan adecuadamente.

Avance rápido 15 años, hoy tenemos autos eléctricos que usan las mismas baterías de iones de litio que se empaquetan juntas en cientos, si no miles, en número. Estos enormes paquetes de baterías con una tensión nominal de alrededor de 300 V se colocan en el automóvil y suministran una corriente de hasta 300 A (cifras aproximadas) durante el funcionamiento. Cualquier percance aquí terminaría en un gran desastre, por lo que el sistema de gestión de la batería siempre se enfatiza en los vehículos eléctricos. Entonces, en este artículo aprenderemos más sobre este Sistema de administración de baterías (BMS) y lo analizaremos para comprender su diseño y funciones para comprenderlo mucho mejor. Dado que las baterías y BMS están estrechamente relacionados, se recomienda encarecidamente consultar nuestros artículos anteriores sobre vehículos eléctricos y baterías de EV.

¿Por qué necesitamos un sistema de gestión de baterías (BMS)?

Las baterías de iones de litio han demostrado ser la batería de interés para los fabricantes de vehículos eléctricos debido a su alta densidad de carga y bajo peso. A pesar de que estas baterías tienen una gran potencia para su tamaño, son de naturaleza muy inestable. Es muy importante que estas baterías no se sobrecarguen ni se descarguen nunca en ninguna circunstancia que requiera controlar su voltaje y corriente. Este proceso se vuelve un poco más difícil ya que hay muchas celdas juntas para formar un paquete de baterías en EV y cada celda debe ser monitoreada individualmente para su seguridad y operación eficiente, lo que requiere un sistema dedicado especial llamado Sistema de administración de batería.. Además, para obtener la máxima eficiencia de un paquete de baterías, debemos cargar y descargar completamente todas las celdas al mismo tiempo al mismo voltaje, lo que nuevamente requiere un BMS. Aparte de esto, el BMS es responsable de muchas otras funciones que se discutirán a continuación.

Consideraciones de diseño del sistema de gestión de baterías (BMS)

Hay muchos factores que deben tenerse en cuenta al diseñar un BMS. Las consideraciones completas dependen de la aplicación final exacta en la que se utilizará el BMS. Además de los BMS de EV, también se utilizan cuando se trata de un paquete de baterías de litio, como una matriz de paneles solares, molinos de viento, paredes eléctricas, etc. Independientemente de la aplicación, un diseño de BMS debe considerar todos o muchos de los siguientes factores.

Control de descarga: la función principal de un BMS es mantener las celdas de litio dentro de la región operativa segura. Por ejemplo, una celda de litio 18650 típica tendrá una clasificación de voltaje bajo de alrededor de 3V. Es responsabilidad del BMS asegurarse de que ninguna de las celdas del paquete se descargue por debajo de 3V.

Control de carga: además de la descarga, el BMS también debe monitorear el proceso de carga. La mayoría de las baterías tienden a dañarse o reducir su vida útil cuando se cargan de manera inapropiada. Para el cargador de batería de litio se utiliza un cargador de 2 etapas. La primera etapa se llama Corriente Constante (CC) durante la cual el cargador genera una corriente constante para cargar la batería. Cuando la batería está casi llena, la segunda etapa se llama voltaje constante (CV)Se utiliza una etapa durante la cual se suministra un voltaje constante a la batería a una corriente muy baja. El BMS debe asegurarse de que tanto el voltaje como la corriente durante la carga no excedan los límites permeables para no sobrecargar o cargar rápidamente las baterías. El voltaje de carga y la corriente de carga máximos permitidos se pueden encontrar en la hoja de datos de la batería.

Determinación del estado de carga (SOC): puede pensar en el SOC como el indicador de combustible del EV. En realidad, nos dice la capacidad de la batería del paquete en porcentaje. Como el de nuestro teléfono móvil. Pero no es tan fácil como parece. El voltaje y la corriente de carga / descarga del paquete siempre deben monitorearse para predecir la capacidad de la batería. Una vez que se miden el voltaje y la corriente, hay muchos algoritmos que se pueden usar para calcular el SOC del paquete de baterías. El método más utilizado es el método de recuento de culombios; discutiremos más sobre esto más adelante en el artículo. Medir los valores y calcular el SOC también es responsabilidad de un BMS.

Determinación del estado de salud (SOC): la capacidad de la batería no solo depende de su perfil de voltaje y corriente, sino también de su antigüedad y temperatura de funcionamiento. La medición de SOH nos informa sobre la edad y el ciclo de vida esperado de la batería en función de su historial de uso. De esta manera podemos saber cuánto se reduce el kilometraje (distancia recorrida después de la carga completa) del EV a medida que la batería envejece y también podemos saber cuándo se debe reemplazar la batería. El SOH también debe ser calculado y controlado por el BMS.

Equilibrio celular: otra función vital de un BMS es mantener el equilibrio celular. Por ejemplo, en un paquete de 4 celdas conectadas en serie, el voltaje de las cuatro celdas siempre debe ser igual. Si una celda tiene un voltaje menor o alto que la otra, afectará a todo el paquete, digamos si una celda está a 3,5 V mientras que las otras tres están a 4 V. Durante la carga, estas tres celdas alcanzarán 4.2V mientras que la otra solo habría alcanzado 3.7V de manera similar, esta celda será la primera en descargar a 3V antes que las otras tres. De esta manera, debido a esta única celda, todas las demás celdas del paquete no se pueden utilizar en su máximo potencial, comprometiendo así la eficiencia.

Para hacer frente a este problema, el BMS tiene que implementar algo llamado equilibrio celular. Hay muchos tipos de técnicas de equilibrio celular, pero las más utilizadas son el equilibrio celular de tipo activo y pasivo. En el balance pasivo, la idea es que las celdas con exceso de voltaje sean forzadas a descargarse a través de una carga como resistencia para alcanzar el valor de voltaje de las otras celdas. Mientras esté en equilibrio activo, las células más fuertes se usarán para cargar las células más débiles para igualar sus potenciales. Aprenderemos más sobre el equilibrio celular más adelante en un artículo diferente.

Control térmico: la vida útil y la eficiencia de un paquete de baterías de litio dependen en gran medida de la temperatura de funcionamiento. La batería tiende a descargarse más rápido en climas cálidos en comparación con la temperatura ambiente normal. Sumado a esto, el consumo de alta corriente aumentaría aún más la temperatura. Esto requiere un sistema térmico (principalmente aceite) en un paquete de baterías. Este sistema térmico solo debería poder disminuir la temperatura, pero también debería poder aumentar la temperatura en climas fríos si es necesario. El BMS es responsable de medir la temperatura de la celda individual y controlar el sistema térmico en consecuencia para mantener la temperatura general del paquete de baterías.

Alimentado por la propia batería: la única fuente de energía disponible en el EV es la propia batería. Por lo tanto, un BMS debe diseñarse para que funcione con la misma batería que se supone que debe proteger y mantener. Esto puede parecer simple, pero aumenta la dificultad del diseño del BMS.

Menos potencia ideal: un BMS debe estar activo y en funcionamiento incluso si el automóvil está funcionando o cargando o en modo ideal. Esto hace que el circuito BMS se alimente de forma continua y, por lo tanto, es obligatorio que el BMS consuma muy menos energía para no agotar mucho la batería. Cuando un vehículo eléctrico se deja sin cargar durante semanas o meses, el BMS y otros circuitos tienden a agotar la batería por sí mismos y, finalmente, es necesario encenderlo o cargarlo antes del próximo uso. Este problema sigue siendo común incluso con automóviles populares como Tesla.

Aislamiento galvánico: el BMS actúa como un puente entre la batería y la ECU del EV. Toda la información recopilada por el BMS debe enviarse a la ECU para que se muestre en el grupo de instrumentos o en el tablero. Por lo tanto, el BMS y la ECU deben comunicarse continuamente más a través del protocolo estándar como la comunicación CAN o el bus LIN. El diseño del BMS debe ser capaz de proporcionar un aislamiento galvánico entre el paquete de baterías y la ECU.

Registro de datos: es importante que el BMS tenga un gran banco de memoria, ya que tiene que almacenar una gran cantidad de datos. Los valores como el estado de salud SOH se pueden calcular solo si se conoce el historial de carga de la batería. Por lo tanto, el BMS debe realizar un seguimiento de los ciclos de carga y el tiempo de carga del paquete de baterías desde la fecha de instalación e interrumpir estos datos cuando sea necesario. Esto también ayuda a proporcionar servicio postventa o analizar un problema con el EV para los ingenieros.

Precisión: cuando se carga o descarga una celda, el voltaje a través de ella aumenta o disminuye gradualmente. Desafortunadamente, la curva de descarga (voltaje frente al tiempo) de una batería de litio tiene regiones planas, por lo que el cambio de voltaje es muy inferior. Este cambio debe medirse con precisión para calcular el valor de SOC o para usarlo para el balance de celdas. Un BMS bien diseñado podría tener una precisión de hasta ± 0,2 mV, pero debería tener una precisión mínima de 1 mV-2 mV. Normalmente se utiliza un ADC de 16 bits en el proceso.

Velocidad de procesamiento: El BMS de un vehículo eléctrico tiene que hacer muchos cálculos numéricos para calcular el valor de SOC, SOH, etc. Hay muchos algoritmos para hacer esto, y algunos incluso utilizan el aprendizaje automático para realizar la tarea. Esto hace que el BMS sea un dispositivo ávido de procesamiento. Aparte de esto, también tiene que medir el voltaje de la celda en cientos de celdas y notar los cambios sutiles casi de inmediato.

Bloques de construcción de un BMS

Hay muchos tipos diferentes de BMS disponibles en el mercado, puede diseñar uno por su cuenta o incluso comprar el IC integrado que está disponible. Desde la perspectiva de la estructura del hardware, solo hay tres tipos de BMS según su topología: BMS centralizado, BMS distribuido y BMS modular. Sin embargo, la función de estos BMS es similar. A continuación se ilustra un sistema de gestión de batería genérico.

Adquisición de datos BMS

Analicemos el bloque de funciones anterior desde su núcleo. La función principal del BMS es monitorear la batería para la que necesita medir tres parámetros vitales, como el voltaje, la corriente y la temperatura de cada celda del paquete de baterías.. Sabemos que los paquetes de baterías se forman conectando muchas celdas en configuración en serie o en paralelo, como el Tesla tiene 8.256 celdas en las que 96 celdas están conectadas en serie y 86 están conectadas en paralelo para formar un paquete. Si un conjunto de celdas está conectado en serie, entonces tenemos que medir el voltaje en cada celda, pero la corriente para todo el conjunto será la misma, ya que la corriente será la misma en un circuito en serie. De manera similar, cuando un conjunto de celdas se conectan en paralelo, tenemos que medir solo el voltaje completo, ya que el voltaje en cada celda será el mismo cuando se conecten en paralelo. La siguiente imagen muestra un conjunto de celdas conectadas en serie, puede notar que el voltaje y la temperatura se miden para celdas individuales y la corriente del paquete se mide como un todo.

"¿Cómo medir el voltaje de la celda en BMS?"

Dado que un vehículo eléctrico típico tiene una gran cantidad de celdas conectadas entre sí, es un poco difícil medir el voltaje de celda individual de un paquete de baterías. Pero solo si conocemos el voltaje de la celda individual, podemos realizar el equilibrio de la celda y proporcionar protección de la celda. Para leer el valor de voltaje de una celda se usa un ADC. Pero la complejidad involucrada es alta ya que las baterías están conectadas en serie. Lo que significa que los terminales a través de los cuales se mide el voltaje deben cambiarse cada vez. Hay muchas formas de hacer esto que involucran relés, muxes, etc. Aparte de esto, también hay algunos IC de administración de batería como MAX14920 que se pueden usar para medir voltajes de celdas individuales de múltiples celdas (12-16) conectadas en serie.

"¿Cómo medir la temperatura de la celda para BMS?"

Además de la temperatura de la celda, a veces el BMS también tiene que medir la temperatura del bus y la temperatura del motor, ya que todo funciona con una corriente alta. El elemento más común utilizado para medir la temperatura se llama NTC, que significa coeficiente de temperatura negativa (NTC). Es similar a una resistencia pero cambia (disminuye) su resistencia en función de la temperatura a su alrededor. Midiendo el voltaje a través de este dispositivo y usando una simple ley de ohmios, podemos calcular la resistencia y por lo tanto la temperatura.

Interfaz analógica multiplexada (AFE) para medición de temperatura y voltaje de celda

La medición del voltaje de la celda puede volverse compleja, ya que requiere una alta precisión y también puede inyectar ruidos de conmutación de mux, aparte de esto, cada celda está conectada a una resistencia a través de un interruptor para equilibrar la celda. Para superar estos problemas se utiliza un AFE - Analog Front end IC. Un AFE tiene un módulo Mux, búfer y ADC integrado con alta precisión. Podría medir fácilmente el voltaje y la temperatura con el modo común y transferir la información al microcontrolador principal.

"¿Cómo medir la corriente del paquete para BMS?"

El paquete de baterías EV puede generar un gran valor de corriente hasta 250 A o incluso alto, aparte de esto, también tenemos que medir la corriente de cada módulo en el paquete para asegurarnos de que la carga se distribuya uniformemente. Al diseñar el elemento sensor de corriente, también debemos proporcionar aislamiento entre el dispositivo de medición y el sensor. El método más comúnmente utilizado para detectar la corriente es el método Shunt y el método basado en sensor Hall. Ambos métodos tienen sus pros y sus contras. Los métodos de derivación anteriores se consideraban menos precisos, pero con la reciente disponibilidad de diseños de derivación de alta precisión con amplificadores y moduladores aislados, son más preferidos que el método basado en sensores de pasillo.

Estimación del estado de la batería

La mayor potencia computacional de un BMS se dedica a estimar el estado de la batería. Esto incluye la medición de SOC y SOH. El SOC se puede calcular utilizando el voltaje de la celda, la corriente, el perfil de carga y el perfil de descarga. El SOH se puede calcular utilizando el número de ciclos de carga y el rendimiento de la batería.

"¿Cómo medir el SOC de una batería?"

Hay muchos algoritmos para medir el SOC de una batería, cada uno con sus propios valores de entrada. El método más comúnmente utilizado para SOC se llama el método de contabilidad de Coulomb, también conocido como método de contabilidad. Discutiremos