¿Qué es un sistema de gestión de baterías (BMS)?

El sistema de gestión de baterías (BMS) para Ailisheng ’ La maquinaria de construcción eléctrica mini y compacta de s es una tecnología diseñada específicamente para supervisar un paquete de baterías. Un paquete de baterías es un componente de celdas de batería que están organizadas eléctricamente en una configuración de matriz de fila x columna para ofrecer un rango objetivo de voltajes y corrientes a lo largo del tiempo en respuesta a un perfil de carga esperado.

La supervisión proporcionada por el BMS generalmente incluye:

yo  Monitorea la batería,

yo  proporciona protección de la batería,

yo  estima las condiciones de funcionamiento de la batería,

yo  Optimiza continuamente el rendimiento de la batería e informa el estado operativo a dispositivos externos.

En este contexto, el término "batería" implica el conjunto de baterías completo; sin embargo, las funciones de monitoreo y control se aplican específicamente a celdas o paquetes individuales llamados módulos dentro del conjunto general del paquete de baterías. Las baterías recargables de iones de litio tienen la mayor densidad de energía y son la opción estándar para paquetes de baterías en muchos productos de consumo, desde computadoras portátiles hasta vehículos eléctricos. Si bien tienen un rendimiento excelente, pueden ser bastante implacables si se utilizan fuera del área de operación segura (SOA), normalmente estrecha, con resultados que van desde un rendimiento comprometido de la batería hasta consecuencias completamente peligrosas. La función de un BMS es, sin duda, un desafío, y la complejidad general y el alcance de la supervisión pueden involucrar una amplia gama de disciplinas, incluidas las eléctricas, digitales, de control, térmicas e hidráulicas.  

1. La funcionalidad de los sistemas de gestión de baterías (BMS) es crucial para el funcionamiento eficaz de los equipos que funcionan con baterías.

No existe un conjunto de estándares universalmente aplicables para BMS, y el alcance del diseño técnico y las características realizadas generalmente están influenciadas por factores como:

yo  costo, complejidad y tamaño de los paquetes de baterías;

yo  aplicación de la batería y cualquier problema de seguridad, longevidad y garantía;

yo  requisitos de certificación de diversas regulaciones gubernamentales, costos y sanciones.

yo  Si no existen medidas de seguridad funcional, estas son críticas.

Hay muchas características de diseño de un BMS, siendo las dos funciones básicas la gestión de la protección del paquete de baterías y la gestión de la capacidad. Discutiremos cómo funcionan estas dos funciones aquí. Las dos áreas clave de la gestión de la protección del paquete de baterías son las siguientes: protección eléctrica, que significa no permitir que la batería se dañe por su uso fuera de SOA; y protección térmica, que implica control de temperatura pasivo y/o activo para mantener o llevar el paquete de baterías al SOA.

1.1 Protección de gestión eléctrica: corriente  

La forma más efectiva de lograr protección eléctrica es monitorear la corriente del paquete de baterías y el voltaje de la celda o del módulo. La SOA eléctrica de cualquier celda de batería está limitada tanto por la corriente como por el voltaje. La Figura 1 ilustra una batería SOA de iones de litio típica, donde un BMS bien diseñado protegerá el paquete de baterías evitando el funcionamiento fuera de las clasificaciones de celda 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 descarga, y ambos modos pueden manejar corrientes máximas más altas, aunque por períodos breves. 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. Un BMS que proporciona protección actual ciertamente aplicará la corriente continua máxima. Sin embargo, los cambios repentinos en las condiciones de carga, como la aceleración repentina de un vehículo eléctrico, podrán tenerse en cuenta antes de alcanzar este límite. El BMS puede incorporar monitoreo de corriente pico integrando la corriente y, después de un δ tiempo, decidiendo reducir la corriente disponible o interrumpir la corriente del grupo por completo. Esto permite que el BMS sea casi instantáneamente sensible a picos de corriente extremos, como condiciones de cortocircuito que no atraen la atención de ningún fusible residente, pero también puede tolerar demandas máximas elevadas siempre que no sufran una sobredosis durante demasiado tiempo.  

1.2 Protección de gestión eléctrica: voltaje

Consulte la Figura 2, que ilustra el rango de voltajes sobre los cuales debe funcionar una batería de iones de litio. Cabe señalar que estos límites SOA estarán determinados en última instancia por la química inherente de la batería de iones de litio seleccionada y la temperatura de la batería en un momento dado. Dada la exposición del paquete de baterías a importantes ciclos de corriente, resultantes de las demandas de carga y la carga desde diversas fuentes de energía, es probable que estos límites de voltaje SOA se limiten aún más para maximizar la longevidad de la batería. El BMS debe ser consciente de estos límites y utilizar este conocimiento para tomar decisiones informadas basadas en la proximidad de estos umbrales. Por ejemplo, el BMS puede solicitar una reducción gradual de la corriente de carga cuando se acerca a un límite de alto voltaje o puede solicitar una terminación completa de la corriente de carga si se alcanza ese límite. Sin embargo, este límite suele ir acompañado de consideraciones adicionales de histéresis de voltaje inherente para evitar vibraciones de control sobre el umbral de apagado. Por el contrario, cuando se acerque al límite de bajo voltaje, el BMS solicitará la carga crítica activa infractora para reducir su demanda actual. En el caso de un vehículo eléctrico, esto se puede lograr reduciendo el par permitido disponible para el motor de tracción. Naturalmente, el BMS debe dar la máxima prioridad a las consideraciones de seguridad del conductor, al tiempo que protege el paquete de baterías para evitar daños permanentes.

1.3 Protección de gestión térmica: temperatura

Las baterías de iones de litio tienen un amplio rango de temperaturas de funcionamiento, pero su capacidad general se reduce a bajas temperaturas debido a una disminución significativa en la velocidad de reacción química. En términos de capacidad a bajas temperaturas, superan a las baterías de plomo-ácido y NiMH; sin embargo, una gestión eficaz de la temperatura es esencial ya que cargar por debajo 0 ° C (32 ° F) es un desafío físico. Durante la carga bajo cero, el metal de litio puede depositarse en el ánodo, lo que provoca daños permanentes que reducen la capacidad y aumentan la susceptibilidad a fallas cuando se somete a vibraciones u otros factores estresantes. El BMS puede regular la temperatura del paquete de baterías mediante mecanismos de calentamiento y enfriamiento.

La eficacia del sistema de gestión térmica depende de varios factores, incluido el tamaño y el costo del paquete de baterías, los objetivos de rendimiento, los criterios de diseño del BMS y la celda del producto, que también pueden considerar el área geográfica objetivo. Independientemente del tipo de calentador, a menudo es más eficiente extraer energía de una fuente de alimentación de CA externa o de una batería residente alternativa utilizada para operar el calentador cuando sea necesario. Sin embargo, si el calentador eléctrico tiene un consumo de corriente moderado, la energía del paquete de baterías principal se puede desviar para calentarse. Si se utiliza un sistema termohidráulico, se utiliza un calentador eléctrico para calentar el refrigerante que se bombea y distribuye por todo el lugar. la asamblea.

No hay duda de que los ingenieros de diseño de BMS tienen algunos trucos bajo la manga en la industria del diseño para gotear calor en el paquete de baterías. Una de esas estrategias implica la activación de varios dispositivos electrónicos de potencia dentro del BMS dedicados a la gestión de capacidad. Si bien es posible que este enfoque no logre una eficiencia óptima, su implementación es beneficiosa. La refrigeración desempeña un papel crucial a la hora de mitigar la pérdida de rendimiento en los paquetes de baterías de iones de litio. Por ejemplo, una batería podría funcionar óptimamente en 20 ° DO; sin embargo, si la temperatura del paquete se eleva a 30 ° C, su eficiencia podría disminuir hasta un 20%. Además, si el paquete de baterías se carga y descarga continuamente a 45 ° C (113 ° F), la reducción de eficiencia podría alcanzar el 50%. Además, si la batería se expone a un calor excesivo de forma continua, su vida útil puede verse reducida. Este es especialmente el caso durante los ciclos rápidos de carga y descarga. El enfriamiento normalmente se logra mediante dos métodos: pasivo o activo. Se pueden utilizar ambas tecnologías. El enfriamiento pasivo se basa en el movimiento del flujo de aire para enfriar la batería. En el caso de un coche eléctrico, esto significa que simplemente circula por la carretera. Sin embargo, esto puede ser más complejo ya que se pueden integrar sensores de velocidad del aire para ajustar automáticamente el deflector de aire para maximizar el flujo de aire. A bajas velocidades o cuando el vehículo está detenido, un ventilador activo con control de temperatura puede ayudar a igualar el paquete de baterías con la temperatura ambiente. , pero esto sólo aumenta la temperatura inicial del paquete en climas cálidos. Un sistema de enfriamiento activo termohidráulico se puede diseñar como un sistema suplementario, generalmente usando un refrigerante de glicol con una proporción de mezcla específica, que circula mediante bombas eléctricas a través de tuberías/mangueras, colectores de distribución, intercambiadores de calor de flujo cruzado (radiadores) y paneles de refrigeración contra los componentes del paquete de baterías. El BMS monitorea las temperaturas en todo el paquete de baterías y abre y cierra una variedad de válvulas para mantener las temperaturas en toda la batería dentro de un rango de temperatura estrecho para garantizar un rendimiento óptimo de la batería.

1.4 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 ofrece un BMS. Sin este mantenimiento, la batería puede eventualmente volverse inútil. La raíz del problema es que las 'pilas' de paquetes de baterías (conjuntos de celdas en serie) no son exactamente iguales e inherentemente tienen tasas de fuga o autodescarga ligeramente diferentes. Si bien la fuga no se considera un defecto, es una característica química inherente a las células. Sin embargo, puede verse influenciado por pequeñas variaciones de fabricación. Inicialmente, un paquete de baterías puede contener celdas con grandes similitudes, pero con el tiempo, estas celdas pueden divergir debido a diversos factores como la autodescarga, los ciclos de carga/descarga, las temperaturas elevadas y el envejecimiento calendario general. Como se mencionó anteriormente, si bien las baterías de iones de litio generalmente funcionan bien, pueden ser bastante implacables si se operan fuera de una SOA estricta. Anteriormente hemos aprendido sobre la protección eléctrica necesaria porque las baterías de iones de litio no responden bien a la sobrecarga. Una vez completamente cargados, no pueden aceptar corriente adicional; cualquier exceso de energía se convierte en calor y el voltaje puede aumentar rápidamente, alcanzando niveles potencialmente peligrosos. Esta no es una situación saludable para las células y, de mantenerse, podría causar daños permanentes y condiciones de funcionamiento inseguras.

  El conjunto de celdas de la serie del paquete de baterías determina el voltaje general del paquete de baterías y las discrepancias entre las celdas vecinas pueden causar problemas al intentar cargar cualquier paquete de baterías. La Figura 3 muestra por qué este es el caso. Si uno tiene un conjunto de celdas perfectamente equilibrado, entonces todo está bien porque cada celda se cargará de manera igual y la corriente de carga se puede cortar cuando se alcanza el umbral de voltaje superior de 4.0. Sin embargo, en un escenario desequilibrado, la celda superior alcanzará su límite de carga prematuramente, lo que requerirá la terminación de la corriente de carga en la rama antes de que las celdas inferiores puedan cargarse completamente.

Para ilustrar este proceso, es esencial definir el estado de carga (SOC) de una batería o módulo en un momento dado como la proporción de energía disponible con carga completa en relación con la potencia total. Por lo tanto, una batería con un 50% de SOC tiene una carga del 50%, lo que es similar al factor de calidad de un medidor de potencia. La gestión de la capacidad del BMS consiste en equilibrar el cambio en el SOC para cada pila del paquete de baterías. El SOC no es un factor medible directamente. cantidad, por lo que puede estimarse mediante una variedad de técnicas, y los propios esquemas de equilibrio generalmente se dividen en dos categorías amplias: pasivos y activos. Hay muchas variaciones sobre el tema y cada tipo tiene ventajas y desventajas, por lo que el ingeniero de diseño de BMS debe decidir cuál se adapta mejor a un paquete de baterías determinado y su aplicación. El equilibrio pasivo es el más fácil de implementar y explica el concepto general de equilibrio: el enfoque pasivo permite que cada celda del paquete de baterías tenga la misma capacidad de carga que la celda más débil. Utiliza una corriente relativamente baja para transferir una pequeña cantidad de energía desde las celdas con alto SOC durante el ciclo de carga, de modo que todas las celdas se carguen a su SOC máximo.   Como se ilustra en la Figura 4, el BMS emplea un sofisticado sistema de monitoreo que utiliza interruptores transistorizados y resistencias de descarga de tamaño apropiado en paralelo con cada celda. Cuando el BMS detecta que una celda se está acercando a su límite de carga, dirige estratégicamente el exceso de corriente a la siguiente celda de arriba hacia abajo.

Como se ilustra en la Figura 5, los puntos finales del proceso de equilibrio antes y después son los siguientes. En resumen, el BMS equilibra el paquete de baterías al permitir que las celdas o módulos del paquete vean una corriente de carga diferente a la corriente del paquete de una de las siguientes maneras:

1). eliminar la carga de las celdas más cargadas, lo que proporciona espacio para corriente de carga adicional para evitar la sobrecarga y permite que las celdas menos cargadas reciban más corriente de carga; o

2). Redirigir parte o casi toda la corriente de carga alrededor de la celda más cargada, permitiendo así que la celda menos cargada reciba corriente de carga durante un período de tiempo más largo.

2  Tipos de sistemas de gestión de baterías

Los sistemas de gestión de baterías varían desde simples hasta complejos y pueden emplear una variedad de tecnologías diferentes para cumplir con 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 operado en celdas o módulos en todo el paquete de baterías.

2.1 Arquitectura BMS centralizada

  El conjunto del paquete de baterías cuenta con un BMS central, al que todos los paquetes de baterías están conectados directamente. La Figura 6 ilustra la arquitectura del BMS centralizado, que ofrece varias ventajas, incluida una mayor compacidad y rentabilidad debido al uso de un solo BMS. Sin embargo, es importante señalar que el BMS centralizado también tiene ciertas desventajas. Dado que todas las baterías están conectadas directamente al BMS, el BMS requiere numerosos puertos para conectar todos los paquetes de baterías, lo que resulta en una cantidad sustancial de alambres, cables, conectores, etc. en paquetes de baterías grandes, lo que complica la resolución de problemas y el mantenimiento.

2.2 Topología BMS modular

Un enfoque similar a la implementación centralizada ve el BMS dividido en varios módulos repetitivos. Cada módulo tiene un haz de cables dedicado y está conectado a secciones adyacentes del paquete de baterías (consulte la Fig. 7). En algunos casos, estos submódulos BMS pueden estar ubicados bajo la supervisión del módulo BMS principal. La función del módulo BMS principal es monitorear el estado de los submódulos y comunicarse con los dispositivos periféricos. La modularidad repetitiva facilita la resolución de problemas y el mantenimiento al mismo tiempo que permite la expansión a paquetes de baterías más grandes con facilidad. Las desventajas de este enfoque son un costo total ligeramente mayor y, dependiendo de la aplicación, funcionalidad no utilizada potencialmente duplicada.

2.3 BMS primario/secundario

El concepto es similar a la topología modular. En este caso, los dispositivos esclavos se limitan a transmitir información de medición únicamente, mientras que el dispositivo maestro se dedica a la computación, el control y las comunicaciones externas. Como resultado, el costo puede ser menor, ya que los dispositivos esclavos tienden a tener una función más simple, tienen menos gastos generales y tienen menos funciones no utilizadas.

2.4 Arquitectura BMS distribuida

La arquitectura BMS distribuida se diferencia de otras topologías en las que el hardware y el software electrónicos están encapsulados en módulos conectados a la batería a través de un arnés conectado. BMS distribuido integra todo el hardware electrónico en un tablero de control colocado directamente en la celda o módulo que se está monitoreando. Este enfoque elimina la necesidad de un cableado extenso de múltiples sensores y cables de comunicación entre módulos BMS vecinos, mejorando la independencia y autonomía de cada BMS, que puede realizar cálculos y comunicarse según sea necesario. Sin embargo, a pesar de esta aparente simplicidad, esta forma de integración hace que la resolución de problemas y el mantenimiento sean potencialmente problemáticos, ya que está ubicado en lo profundo del conjunto del módulo blindado. Los costos también tienden a ser más altos porque hay más BMS en toda la estructura del paquete de baterías.  

3  La importancia de un sistema de gestión de baterías

 No se puede subestimar el sistema de gestión de baterías (BMS) para garantizar la seguridad funcional durante las operaciones de carga y descarga. El BMS desempeña un papel crucial a la hora de evitar que el voltaje, la corriente y la temperatura de las celdas o módulos bajo control de supervisión excedan los límites SOA especificados. Exceder estos límites durante cualquier duración no solo puede afectar a costosos paquetes de baterías, sino también provocar condiciones peligrosas de fuga térmica. Además, los límites del umbral de voltaje más bajo se monitorean meticulosamente para salvaguardar la batería de iones de litio y mantener la seguridad funcional. Es imperativo que las baterías de iones de litio se mantengan en los niveles de voltaje correctos. No hacerlo puede provocar el crecimiento de dendritas de cobre en el ánodo, lo que puede provocar mayores tasas de autodescarga y posibles problemas de seguridad. La alta densidad de energía de los sistemas de propulsión de iones de litio se logra a expensas de un margen limitado para errores en la gestión de la batería. Sin embargo, los avances en BMS y celdas de iones de litio han contribuido al éxito y la seguridad de esta química de batería.

  El rendimiento del paquete de baterías representa la segunda función más importante del BMS, y abarca tanto la gestión eléctrica como la térmica. Para optimizar eléctricamente la capacidad general de las celdas, es esencial equilibrar todas las celdas dentro del paquete de baterías. Esto implica garantizar que los SOC de las celdas vecinas en todo el conjunto sean aproximadamente iguales. Esto es fundamental, ya que no solo permite una capacidad celular óptima, sino que también previene la degradación general y reduce los posibles puntos críticos de sobrecarga de las células débiles. Es imperativo evitar descargar las baterías de iones de litio 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. A medida que la temperatura ambiente desciende, la capacidad de la batería y la energía disponible disminuyen significativamente. Para solucionar esto, el BMS puede activar un calentador externo en línea, como uno ubicado en el sistema de enfriamiento líquido de una máquina de construcción eléctrica, o encender una placa calefactora residente instalada debajo de un módulo de un paquete de baterías dentro de un vehículo eléctrico o otro dispositivo eléctrico. Además, dado que cargar baterías de iones de litio a bajas temperaturas es perjudicial para su vida útil, es importante, en primer lugar, elevar adecuadamente la temperatura de la batería. La mayoría de las baterías de iones de litio no se pueden cargar rápidamente a temperaturas inferiores 5°C y no debe cargarse en absoluto a temperaturas inferiores 0°C. Para garantizar un rendimiento óptimo durante el uso operativo típico, la gestión térmica del BMS a menudo garantiza que la batería funcione dentro de la estrecha región operativa de Goldilocks (p. ej. 30-35°C). Esto protege el rendimiento, extiende la vida útil y garantiza una batería saludable y confiable.

4  Los beneficios de los sistemas de gestión de baterías

Los sistemas de almacenamiento de energía en baterías, a menudo denominados BESS, pueden consistir en docenas, cientos o incluso miles de baterías de iones de litio ensambladas estratégicamente, según la aplicación. Estos sistemas pueden tener una potencia nominal inferior a 100 V, pero pueden llegar a 800 V, con corrientes de suministro de baterías de hasta 300 A o más. Las consecuencias de una mala gestión de un paquete de baterías de alto voltaje pueden ser catastróficas e incluso poner en peligro la vida, lo que enfatiza la importancia crítica de un BMS para garantizar un funcionamiento seguro. Los beneficios clave de un BMS se pueden resumir de la siguiente manera:

4.1  Seguridad funcional:  Esto es especialmente crucial y necesario para los paquetes de baterías de iones de litio de gran tamaño, aunque incluso los formatos más pequeños utilizados en las computadoras portátiles pueden representar un riesgo significativo de incendio y daños. 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.

4. 2. Longevidad y confiabilidad. La gestión de la protección del paquete de baterías, eléctrica y térmica, garantiza que todas las baterías se utilicen dentro de los requisitos SOA establecidos. Esta sutil supervisión garantiza el uso seguro de las baterías y ciclos rápidos de carga y descarga e inevitablemente produce un sistema estable que tiene el potencial de proporcionar años de servicio confiable.

4.3  Rendimiento y alcance: La gestión de la capacidad del paquete de baterías BMS, donde se emplea el equilibrio entre celdas para igualar el SOC de las celdas vecinas en el conjunto del paquete de baterías, permite lograr una capacidad óptima de la batería. Sin esta funcionalidad BMS para tener en cuenta las variaciones en la autodescarga, los ciclos de carga/descarga, los efectos de la temperatura y el envejecimiento general, la batería puede eventualmente volverse inútil.

4. 4 Diagnóstico, recogida 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 puede usarse para diagnóstico, pero generalmente se usa en tareas computacionales para predecir el SOC de todas las celdas del conjunto. Esta información se utiliza en algoritmos de equilibrio, pero se puede reenviar 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 un estado de salud para el banco de baterías.

4. 5. Reducción de costes y garantía.   La introducción de un BMS en un BESS aumenta los costos y los paquetes de baterías son costosos y potencialmente peligrosos. Cuanto más complejo sea el sistema, mayores serán los requisitos de seguridad y, por tanto, se necesitará más supervisión del BMS. Sin embargo, la protección y el mantenimiento preventivo del BMS en términos de seguridad funcional, longevidad y confiabilidad, rendimiento y alcance, y diagnóstico garantizan que reducirá los costos generales, incluidos los asociados con la garantía.

5. Onlusión

La simulación es un aliado invaluable para 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 la batería de iones de litio, se reconoce un modelo de simulación de la arquitectura BMS como una especificación ejecutable para la creación de prototipos virtuales. Además, las simulaciones permiten una investigación sencilla de variantes de las funciones de supervisión del BMS para diferentes escenarios operativos ambientales y de batería. Los problemas de implementación se pueden identificar e investigar muy temprano, lo que permite verificar las mejoras en el rendimiento y la 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 una aplicación de sistema integrada, se pueden realizar muchas pruebas de verificación de identidad en el BMS y el paquete de baterías, incluidos los peores escenarios.