Que é un sistema de xestión de baterías?

Definición

O sistema de xestión da batería (BMS) é unha tecnoloxía dedicada á supervisión dun paquete de baterías, que é un conxunto de células de batería, organizadas eléctricamente nunha configuración de matriz de filas x columnas para permitir a entrega do rango obxectivo de tensión e corrente durante un período de tempo escenarios de carga esperados.A supervisión que ofrece un BMS adoita incluír:

• Monitorización da batería
• Proporcionando protección de batería
• Estimación do estado de funcionamento da batería
• Optimizando continuamente o rendemento da batería
• Informe do estado operativo a dispositivos externos

Aquí, o termo "batería" implica todo o paquete;non obstante, as funcións de vixilancia e control aplícanse especificamente a celas individuais ou grupos de celas chamados módulos no conxunto global da batería.As pilas recargables de iones de litio teñen a maior densidade de enerxía e son a opción estándar para baterías para moitos produtos de consumo, desde portátiles ata vehículos eléctricos.Aínda que teñen un excelente rendemento, poden ser bastante implacables se se operan fóra dunha zona de operación segura (SOA) xeralmente estreita, con resultados que van desde comprometer o rendemento da batería ata consecuencias absolutamente perigosas.O BMS certamente ten unha descrición do traballo desafiante, e a súa complexidade xeral e alcance de supervisión poden abarcar moitas disciplinas como eléctrica, dixital, control, térmica e hidráulica.

Como funcionan os sistemas de xestión de baterías?

Os sistemas de xestión de baterías non teñen un conxunto de criterios fixos ou únicos que deban ser adoptados.O alcance do deseño da tecnoloxía e as características implementadas xeralmente correlacionan con:

• Os custos, a complexidade e o tamaño da batería
• Aplicación da batería e calquera cuestión de seguridade, vida útil e garantía
• Requisitos de certificación de varias normativas gobernamentais onde os custos e as sancións son primordiales se hai medidas de seguridade funcional inadecuadas.

Hai moitas funcións de deseño de BMS, sendo a xestión da protección da batería e a xestión da capacidade dúas características esenciais.Discutiremos aquí como funcionan estas dúas funcións.A xestión da protección do paquete de baterías ten dous ámbitos fundamentais: a protección eléctrica, que implica non permitir que a batería sexa danada polo uso fóra do seu SOA, e a protección térmica, que implica un control pasivo e/ou activo da temperatura para manter ou incorporar o paquete ao seu SOA.

Xestión Eléctrica Protección: actual

Vixiar a corrente da batería e as tensións das células ou módulos é o camiño cara á protección eléctrica.O SOA eléctrico de calquera célula de batería está unido pola corrente e a tensión.A figura 1 ilustra un SOA típico de células de iones de litio e un BMS ben deseñado protexerá o paquete impedindo o funcionamento fóra das clasificacións de células do fabricante.En moitos casos, pódese aplicar unha redución adicional para residir dentro da zona segura SOA co fin de aumentar a vida útil da batería.

As células de ión-litio teñen límites de corrente diferentes para cargar que para descarga, e ambos os modos poden soportar correntes de pico máis altas, aínda que durante períodos de tempo curtos.Os fabricantes de pilas de batería adoitan especificar límites máximos de corrente de carga e descarga continuas, xunto cos límites de corrente máxima de carga e descarga.Un BMS que proporcione protección de corrente certamente aplicará unha corrente continua máxima.Non obstante, isto pode ir precedido para dar conta dun cambio repentino das condicións de carga;por exemplo, a aceleración brusca dun vehículo eléctrico.Un BMS pode incorporar a monitorización da corrente de pico integrando a corrente e despois do tempo delta, decidindo reducir a corrente dispoñible ou interromper por completo a corrente do paquete.Isto permite que o BMS posúe unha sensibilidade case instantánea aos picos de corrente extremos, como unha condición de curtocircuíto que non chamou a atención de ningún fusible residente, pero que tamén perdoe as altas demandas de picos, sempre que non sexan excesivas durante demasiado. longo.

Xestión Eléctrica Protección: Tensión

A figura 2 mostra que unha célula de iones de litio debe funcionar dentro dun determinado rango de tensión.Estes límites SOA virán finalmente determinados pola química intrínseca da célula de ión-litio seleccionada e a temperatura das células nun momento dado.Ademais, dado que calquera paquete de batería experimenta unha cantidade significativa de ciclos de corrente, descargándose debido ás demandas de carga e cargando desde unha variedade de fontes de enerxía, estes límites de tensión SOA adoitan estar máis limitados para optimizar a vida útil da batería.O BMS debe saber cales son estes límites e tomará decisións en función da proximidade a estes limiares.Por exemplo, cando se achega ao límite de alta tensión, un BMS pode solicitar unha redución gradual da corrente de carga ou pode solicitar que a corrente de carga se remate por completo se se alcanza o límite.Non obstante, este límite adoita ir acompañado de consideracións adicionais sobre a histérese de tensión intrínseca para evitar as conversas de control sobre o limiar de apagado.Por outra banda, ao achegarse ao límite de baixa tensión, un BMS solicitará que as cargas infractoras activas clave reduzan as súas demandas actuais.No caso dun vehículo eléctrico, poderá realizarse reducindo o par permitido dispoñible para o motor de tracción.Por suposto, o BMS debe facer que as consideracións de seguridade para o condutor sexan a máxima prioridade ao tempo que protexe a batería para evitar danos permanentes.

Protección de Xestión Térmica: Temperatura

No seu valor nominal, pode parecer que as células de ión-litio teñen un amplo rango de temperatura de funcionamento, pero a capacidade global da batería diminúe a baixas temperaturas porque as taxas de reacción química diminúen notablemente.Con respecto á capacidade a baixas temperaturas, funcionan moito mellor que as baterías de chumbo-ácido ou NiMh;con todo, a xestión da temperatura é prudentemente esencial xa que cargar por debaixo de 0 °C (32 °F) é fisicamente problemático.O fenómeno de revestimento de litio metálico pode ocorrer no ánodo durante a carga por subconxelación.Este é un dano permanente e non só produce unha capacidade reducida, senón que as células son máis vulnerables ao fallo se están sometidas a vibracións ou outras condicións estresantes.Un BMS pode controlar a temperatura da batería mediante a calefacción e o arrefriamento.

A xestión térmica realizada depende enteiramente do tamaño e do custo da batería e dos obxectivos de rendemento, dos criterios de deseño do BMS e da unidade de produto, que poden incluír a consideración da rexión xeográfica de destino (por exemplo, Alaska versus Hawai).Independentemente do tipo de aquecedor, xeralmente é máis eficaz extraer enerxía dunha fonte de alimentación de CA externa ou dunha batería residente alternativa destinada a operar o aquecedor cando sexa necesario.Non obstante, se o aquecedor eléctrico ten un consumo de corrente modesto, a enerxía da batería principal pódese extraer para quentar.Se se implementa un sistema hidráulico térmico, utilízase un quentador eléctrico para quentar o refrixerante que se bombea e distribúese por todo o conxunto do paquete.

Sen dúbida, os enxeñeiros de deseño de BMS teñen trucos do seu oficio de deseño para introducir enerxía térmica no paquete.Por exemplo, pódense activar varios dispositivos electrónicos de potencia dentro do BMS dedicados á xestión da capacidade.Aínda que non é tan eficiente como a calefacción directa, pódese aproveitar independentemente.O arrefriamento é particularmente vital para minimizar a perda de rendemento dunha batería de ión-litio.Por exemplo, quizais unha determinada batería funcione de forma óptima a 20 °C;se a temperatura do paquete aumenta ata os 30 °C, a súa eficiencia de rendemento podería reducirse ata un 20%.Se o paquete se carga e recarga continuamente a 45 °C (113 °F), a perda de rendemento pode aumentar ata un 50 %.A duración da batería tamén pode sufrir un envellecemento e degradación prematuros se se expón continuamente a unha xeración excesiva de calor, especialmente durante os ciclos de carga e descarga rápidas.O arrefriamento adoita conseguirse mediante dous métodos, pasivo ou activo, e pódense empregar ambas as dúas técnicas.O arrefriamento pasivo depende do movemento do fluxo de aire para arrefriar a batería.No caso dun vehículo eléctrico, isto implica que simplemente se está movendo pola estrada.Non obstante, pode ser máis sofisticado do que parece, xa que os sensores de velocidade do aire poderían integrarse para axustar estratexicamente as presas de aire deflectoras para maximizar o fluxo de aire.A implantación dun ventilador activo controlado por temperatura pode axudar a baixas velocidades ou cando o vehículo se detivo, pero o único que pode facer é igualar o paquete coa temperatura ambiente circundante.No caso dun día de calor abrasador, isto podería aumentar a temperatura inicial do paquete.O arrefriamento activo térmico hidráulico pódese deseñar como un sistema complementario e normalmente utiliza un refrixerante de etilenglicol cunha proporción de mestura especificada, que se fai circular a través dunha bomba accionada por motor eléctrico a través de tubos/mangueiras, colectores de distribución, un intercambiador de calor de fluxo cruzado (radiador). , e unha placa de refrixeración situada contra o conxunto da batería.Un BMS monitoriza as temperaturas en todo o paquete e abre e pecha varias válvulas para manter a temperatura da batería global nun rango de temperatura estreito para garantir un rendemento óptimo da batería.

Xestión da capacidade

Maximizar a capacidade dunha batería é sen dúbida unha das características de rendemento da batería máis vitais que ofrece un BMS.Se non se realiza este mantemento, un paquete de baterías pode eventualmente volverse inservible.A raíz do problema é que unha "pila" de baterías (serie de células) non é perfectamente igual e ten intrinsecamente unhas taxas de fuga ou de autodescarga lixeiramente diferentes.A fuga non é un defecto do fabricante senón unha característica química da batería, aínda que pode verse afectada estatisticamente por variacións mínimas do proceso de fabricación.Inicialmente, un paquete de batería pode ter células ben combinadas, pero co paso do tempo, a semellanza entre celas degrádase aínda máis, non só debido á autodescarga, senón tamén ao impacto do ciclo de carga/descarga, a temperatura elevada e o envellecemento xeral do calendario.Con isto entendido, lembre antes a discusión de que as células de iones de litio funcionan de xeito excelente, pero poden ser bastante implacables se se operan fóra dun SOA axustado.Aprendemos anteriormente sobre a protección eléctrica necesaria porque as células de iones de litio non se enfrontan ben á sobrecarga.Unha vez cargados por completo, non poden aceptar máis corrente, e calquera enerxía adicional que se introduza nel transmútase en calor, coa tensión potencialmente aumentando rapidamente, posiblemente ata niveis perigosos.Non é unha situación saudable para a célula e pode causar danos permanentes e condicións de funcionamento inseguras se continúa.

A matriz de células da serie do paquete de baterías é o que determina a tensión global do paquete, e a falta de coincidencia entre as células adxacentes crea un dilema ao tentar cargar calquera pila.A figura 3 mostra por que isto é así.Se un ten un conxunto de celas perfectamente equilibrado, todo está ben, xa que cada unha cargarase da mesma forma e a corrente de carga pódese cortar cando se alcance o limiar de corte de voltaxe superior de 4.0.Non obstante, no escenario desequilibrado, a célula superior alcanzará o seu límite de carga cedo e a corrente de carga debe finalizar para o tramo antes de que outras células subxacentes se carguen a plena capacidade.

O BMS é o que intervén e salva o día, ou a batería neste caso.Para mostrar como funciona isto, cómpre explicar unha definición clave.O estado de carga (SOC) dunha cela ou módulo nun momento dado é proporcional á carga dispoñible en relación á carga total cando está completamente cargada.Así, unha batería que reside ao 50% SOC implica que está cargada ao 50%, o que é semellante a unha cifra de mérito do indicador de combustible.A xestión da capacidade do BMS consiste en equilibrar a variación do SOC en cada pila do conxunto do paquete.Dado que o SOC non é unha cantidade directamente medible, pódese estimar mediante varias técnicas, e o propio esquema de balance xeralmente cae en dúas categorías principais, pasivo e activo.Hai moitas variacións de temas, e cada tipo ten pros e contras.Corresponde ao enxeñeiro de deseño de BMS decidir cal é o óptimo para a batería dada e a súa aplicación.O equilibrio pasivo é o máis sinxelo de implementar, así como para explicar o concepto xeral de equilibrio.O método pasivo permite que cada cela da pila teña a mesma capacidade de carga que a cela máis débil.Usando unha corrente relativamente baixa, transporta unha pequena cantidade de enerxía das células de alto SOC durante o ciclo de carga para que todas as células carguen ao seu SOC máximo.A figura 4 ilustra como o BMS fai isto.Monitoriza cada célula e aproveita un interruptor de transistor e unha resistencia de descarga do tamaño adecuado en paralelo con cada célula.Cando o BMS detecta que unha determinada célula se está achegando ao seu límite de carga, dirixirá o exceso de corrente ao seu redor ata a seguinte célula debaixo dunha forma de arriba abaixo.

Os puntos finais do proceso de equilibrado, antes e despois, móstranse na Figura 5. En resumo, un BMS equilibra unha pila de batería permitindo que unha célula ou módulo dunha pila vexa unha corrente de carga diferente á corrente do paquete dunha das seguintes formas:

• Eliminación da carga das células máis cargadas, o que dá espazo para a corrente de carga adicional para evitar a sobrecarga e permite que as células menos cargadas reciban máis corrente de carga.
• Redirección de parte ou case toda a corrente de carga ao redor das células máis cargadas, permitindo así que as células menos cargadas reciban corrente de carga durante máis tempo.

Tipos de sistemas de xestión de baterías

Os sistemas de xestión de baterías van de simples a complexos e poden abarcar unha gran variedade de tecnoloxías diferentes para acadar a súa principal directiva de "coidar da batería".Non obstante, estes sistemas pódense clasificar en función da súa topoloxía, que se relaciona coa forma en que se instalan e funcionan nas células ou módulos do paquete de baterías.

Arquitectura BMS centralizada

Ten un BMS central no conxunto da batería.Todos os paquetes de batería están conectados directamente ao BMS central.A estrutura dun BMS centralizado móstrase na Figura 6. O BMS centralizado ten algunhas vantaxes.É máis compacto e adoita ser o máis económico xa que só hai un BMS.Non obstante, hai desvantaxes dun BMS centralizado.Dado que todas as baterías están conectadas directamente ao BMS, o BMS necesita moitos portos para conectarse con todos os paquetes de baterías.Isto tradúcese en moitos fíos, cableados, conectores, etc. en grandes paquetes de baterías, o que complica tanto a resolución de problemas como o mantemento.

Topoloxía BMS modular

Do mesmo xeito que unha implementación centralizada, o BMS divídese en varios módulos duplicados, cada un cun paquete dedicado de cables e conexións a unha parte adxacente asignada dunha pila de baterías.Vexa a figura 7. Nalgúns casos, estes submódulos BMS poden residir baixo a supervisión dun módulo BMS principal cuxa función é supervisar o estado dos submódulos e comunicarse con equipos periféricos.Grazas á modularidade duplicada, a resolución de problemas e o mantemento son máis fáciles, e a extensión a baterías máis grandes é sinxela.A desvantaxe é que os custos xerais son lixeiramente máis altos e pode haber funcións duplicadas sen usar dependendo da aplicación.

BMS primaria/subordinada

Conceptualmente semellante á topoloxía modular, con todo, neste caso, os escravos están máis restrinxidos a só transmitir información de medición e o mestre dedícase á computación e control, así como á comunicación externa.Así, aínda que como os tipos modulares, os custos poden ser máis baixos xa que a funcionalidade dos escravos adoita ser máis sinxela, con menos gastos xerais e menos funcións sen utilizar.

Arquitectura BMS distribuida

Considerablemente diferente das outras topoloxías, onde o hardware e o software electrónico están encapsulados en módulos que interactúan coas células mediante paquetes de cableado conectado.Un BMS distribuído incorpora todo o hardware electrónico nun cadro de control situado directamente na cela ou módulo que se está a supervisar.Isto alivia a maior parte do cableado a algúns fíos de sensor e fíos de comunicación entre os módulos BMS adxacentes.En consecuencia, cada BMS é máis autónomo e xestiona os cálculos e as comunicacións segundo sexa necesario.Non obstante, a pesar desta aparente sinxeleza, esta forma integrada fai que a resolución de problemas e o mantemento sexan potencialmente problemáticos, xa que reside no fondo dun conxunto de módulos de protección.Os custos tamén adoitan ser máis altos xa que hai máis BMS na estrutura global da batería.

A importancia dos sistemas de xestión de baterías

A seguridade funcional é a máxima importancia nun BMS.É fundamental durante a operación de carga e descarga evitar que a tensión, a corrente e a temperatura de calquera célula ou módulo baixo control de supervisión superen os límites SOA definidos.Se se superan os límites durante un período de tempo, non só se ve comprometida unha batería potencialmente cara, senón que tamén se poden producir condicións de fuga térmica perigosas.Ademais, os límites de limiar de tensión máis baixos tamén se supervisan rigorosamente para a protección das células de ión-litio e a seguridade funcional.Se a batería de ión-litio permanece neste estado de baixa tensión, as dendritas de cobre poden crecer no ánodo, o que pode provocar taxas de autodescarga elevadas e provocar posibles problemas de seguridade.A alta densidade de enerxía dos sistemas alimentados con ión-litio ten un prezo que deixa pouco espazo para o erro de xestión da batería.Grazas aos BMS e ás melloras de iones de litio, esta é unha das químicas de batería máis exitosas e seguras dispoñibles na actualidade.

O rendemento da batería é a seguinte característica máis importante dun BMS, e isto implica a xestión eléctrica e térmica.Para optimizar eléctricamente a capacidade total da batería, todas as celas do paquete deben estar equilibradas, o que implica que o SOC das celas adxacentes en todo o conxunto é aproximadamente equivalente.Isto é excepcionalmente importante porque non só se pode conseguir unha capacidade óptima da batería, senón que tamén axuda a evitar a degradación xeral e reduce os puntos quentes potenciais de sobrecargar as células débiles.As baterías de ión-litio deben evitar a descarga por debaixo dos límites de baixa tensión, xa que isto pode producir efectos de memoria e unha perda significativa de capacidade.Os procesos electroquímicos son moi susceptibles á temperatura e as baterías non son unha excepción.Cando a temperatura ambiental baixa, a capacidade e a enerxía dispoñible da batería diminúen significativamente.En consecuencia, un BMS pode conectar un aquecedor externo en liña que reside, por exemplo, no sistema de refrixeración líquida dunha batería de vehículo eléctrico ou en placas de quentador residente que se instalan debaixo dos módulos dun paquete incorporado nun helicóptero ou outro. avións.Ademais, dado que a carga de células frías de ión-litio é prexudicial para o rendemento da duración da batería, é importante elevar a temperatura da batería o suficiente.A maioría das células de ión-litio non se poden cargar rapidamente cando están a menos de 5 °C e non se deben cargar cando están por debaixo de 0 °C.Para obter un rendemento óptimo durante o uso operativo típico, a xestión térmica de BMS adoita asegurar que unha batería funcione dentro dunha rexión estreita de operación de Goldilocks (por exemplo, 30 – 35 °C).Isto garante o rendemento, aumenta a vida útil e fomenta unha batería saudable e fiable.

Os beneficios dos sistemas de xestión de baterías

Todo un sistema de almacenamento de enerxía da batería, denominado a miúdo BESS, podería estar formado por decenas, centos ou incluso miles de células de ión-litio embaladas estratexicamente, dependendo da aplicación.Estes sistemas poden ter unha tensión nominal inferior a 100 V, pero poden chegar a ser de 800 V, con correntes de subministración de paquetes de ata 300 A ou máis.Calquera mala xestión dun paquete de alta tensión pode provocar un desastre catastrófico que ameaza a vida.En consecuencia, os BMS son absolutamente críticos para garantir un funcionamento seguro.Os beneficios dos BMS pódense resumir do seguinte xeito.

• Seguridade Funcional.Sen dúbida, para paquetes de baterías de iones de litio de gran formato, isto é particularmente prudente e esencial.Pero sábese que incluso os formatos máis pequenos utilizados en, por exemplo, ordenadores portátiles se incendian e causan danos enormes.A seguridade persoal dos usuarios de produtos que incorporan sistemas alimentados por iones de litio deixa pouco espazo para erros de xestión da batería.
• Vida útil e fiabilidade.A xestión da protección do paquete de baterías, eléctrica e térmica, garante que todas as celas se usen dentro dos requisitos SOA declarados.Esta delicada supervisión garante que as celas sexan coidadas contra un uso agresivo e un ciclo de carga e descarga rápida, e inevitablemente resulta nun sistema estable que pode proporcionar moitos anos de servizo fiable.
• Rendemento e alcance.A xestión da capacidade do paquete de baterías BMS, onde se emprega o equilibrio entre celas para igualar o SOC das células adxacentes en todo o conxunto do paquete, permite conseguir unha capacidade óptima da batería.Sen esta función de BMS para ter en conta as variacións na autodescarga, o ciclo de carga/descarga, os efectos da temperatura e o envellecemento xeral, unha batería podería eventualmente volverse inútil.
• Diagnóstico, recollida de datos e comunicación externa.As tarefas de supervisión inclúen o seguimento continuo de todas as celas da batería, onde o rexistro de datos pode usarse por si só para diagnósticos, pero a miúdo está destinado á tarefa de cálculo para estimar o SOC de todas as celas do conxunto.Esta información utilízase para os algoritmos de equilibrio, pero en conxunto pódese transmitir a dispositivos e pantallas externos para indicar a enerxía residente dispoñible, estimar o intervalo esperado ou o intervalo/vida útil en función do uso actual e proporcionar o estado de saúde da batería.
• Redución de custos e garantía.A introdución dun BMS nun BESS engade custos e as baterías son caras e potencialmente perigosas.Canto máis complicado sexa o sistema, máis altos serán os requisitos de seguridade, polo que se necesitará máis presenza de supervisión de BMS.Pero a protección e o mantemento preventivo dun BMS en materia de seguridade funcional, vida útil e fiabilidade, rendemento e alcance, diagnósticos, etc. garante que reducirá os custos globais, incluídos os relacionados coa garantía.

Sistemas de xestión de baterías e sinopsis

A simulación é un aliado valioso para o deseño de BMS, especialmente cando se aplica para explorar e abordar os desafíos de deseño no desenvolvemento de hardware, prototipado e probas.Cun modelo preciso de células de iones de litio en xogo, o modelo de simulación da arquitectura BMS é a especificación executable recoñecida como o prototipo virtual.Ademais, a simulación permite a investigación sen dor de variantes das funcións de supervisión do BMS contra diferentes escenarios de operación ambiental e de batería.Os problemas de implementación pódense descubrir e investigar moi cedo, o que permite verificar as melloras de rendemento e seguridade funcional antes da implementación no prototipo de hardware real.Isto reduce o tempo de desenvolvemento e axuda a garantir que o primeiro prototipo de hardware será robusto.Ademais, pódense realizar moitas probas de autenticación, incluíndo o peor dos casos, do BMS e do paquete de batería cando se exercen en aplicacións de sistemas integrados fisicamente realistas.

Sinopsis SaberRDofrece amplas bibliotecas de modelos eléctricos, dixitais, de control e hidráulicos térmicos para capacitar aos enxeñeiros interesados ​​no deseño e desenvolvemento de BMS e baterías.Hai ferramentas dispoñibles para xerar rapidamente modelos a partir de especificacións básicas da folla de datos e curvas de medición para moitos dispositivos electrónicos e diferentes tipos de química de batería.As análises estatísticas, de tensión e de avarías permiten a verificación en todos os espectros da rexión operativa, incluídas as áreas de límite, para garantir a fiabilidade global do BMS.Ademais, ofrécense moitos exemplos de deseño para que os usuarios poidan iniciar un proxecto e chegar rapidamente ás respostas necesarias a partir da simulación.