¿Qué es un sistema de gestión de baterías, BMS?
El sistema de gestión de baterías (BMS, Battery Management System) es una tecnología dedicada a la supervisión de un paquete de baterías, que es un conjunto de celdas, organizadas eléctricamente en una configuración de matriz de fila x columna (eléctricamente, una combinación serie – paralelo) para permitir la entrega del rango específico de voltaje y corriente durante un período de tiempo en escenarios de funcionamiento deseados. Es un elemento indispensable en una batería de litio para garantizar la máxima seguridad y rendimiento.
La supervisión que proporciona un BMS incluye:
Monitoreo de la batería
Proporcionar protección a la batería
Estimación del estado operativo de la batería
Optimización continua del rendimiento de la batería
Informar el estado operativo a dispositivos externos
Aquí, el término "batería" implica el paquete completo; sin embargo, las funciones de monitoreo y control se aplican específicamente a celdas individuales o grupos de celdas llamados módulos en el conjunto general del paquete de baterías. Las celdas recargables de iones de litio tienen la mayor densidad de energía y son la opción estándar para paquetes de baterías para muchos productos de consumo, desde computadoras portátiles hasta vehículos eléctricos. Si bien funcionan de manera excelente, pueden ser bastante implacables si se operan fuera de un área de operación segura (SOA) generalmente estrecha, con resultados que van desde comprometer el rendimiento de la batería hasta consecuencias totalmente peligrosas. El BMS ciertamente tiene una ocupación de trabajo desafiante, y su complejidad general y su alcance de supervisión pueden abarcar muchas disciplinas, como la eléctrica, digital, de control, térmica.
Funcionamiento BMS para baterías de litio
Compuesto por una combinación de elementos electrónicos avanzados (hardware) y software integrado (firmware), el BMS es una placa electrónica sofisticada que realiza varias funciones clave necesarias para el buen funcionamiento de una batería de litio para vehículos eléctricos.
Monitoreo constante de los datos de la batería:
El BMS monitorea continuamente parámetros clave de la batería, como voltaje, temperatura, corriente y capacidad de cada celda en tiempo real. Esto le permite recopilar datos precisos sobre el estado de la batería y optimizar la gestión de carga y descarga si es necesario.
Gestión de cargas y descargas:
El BMS controla el proceso de carga y descarga de la batería para mantener condiciones operativas seguras y eficientes. Regula el voltaje y la corriente de carga, asegurando que la batería no esté ni sobrecargada, lo que puede provocar su deterioro, ni subcargada, lo que puede reducir el rendimiento.
Comunicación e interfaz de usuario:
Los BMS ofrecen una interfaz fácil de usar que permite a los conductores monitorear la información de la batería, como el estado de carga (SoC), la autonomía restante y las previsiones de consumo. Algunos BMS también ofrecen conectividad inalámbrica para comunicarse con otros sistemas del vehículo o aplicaciones de monitoreo remoto.
Protección contra situaciones peligrosas:
El BMS es responsable de la seguridad de la batería. Detecta situaciones potencialmente peligrosas como sobretensión, sobrecorriente, sobrecalentamiento o cortocircuitos, y toma medidas para prevenirlas. Esto incluye cortar el suministro eléctrico o limitar la energía para proteger la batería y garantizar la seguridad de los ocupantes del vehículo.
Predicción y diagnóstico de fallos:
Al monitorear continuamente la batería, el BMS puede detectar signos tempranos de falla o mal funcionamiento. Puede realizar diagnósticos precisos y proporcionar advertencias o alertas para mantenimiento preventivo, evitando averías inesperadas que inmovilicen los vehículos durante largas horas y extendiendo la vida útil de la batería.
Equilibrio celular:
En una batería de iones de litio, cada celda individual puede tener características ligeramente diferentes. El BMS monitorea y equilibra la carga de la celda para evitar desequilibrios que podrían reducir la capacidad total de la batería o causar problemas de seguridad. Los dos factores clave que afectan directamente el rendimiento y la seguridad general de la batería son la calidad de la celda y el sistema de gestión de la batería.
Calidad de las celdas. Más que cualquier otra cosa, la calidad de las celdas determinará qué tan bien una batería entrega energía y cuánto durará (es decir, su ciclo de vida). Las celdas de litio y hierro (LiFePO4) son probablemente las más comunes utilizadas en las aplicaciones enumeradas anteriormente porque esta química es inherentemente segura y altamente resistente a la fuga térmica y al fuego. Incluso con esta química segura, es fundamental que las células se gestionen para garantizar que se mantengan dentro de su rango operativo seguro.
El BMS gestiona y protege la batería de varias formas:
Equilibrio de celdas: cuando una batería se está cargando o descargando, es importante que las celdas permanezcan en equilibrio (es decir, al mismo voltaje). Un BMS no es capaz de aumentar el voltaje de un voltaje bajo.
Sin embargo, puede usar una resistencia para colocar una pequeña carga a través de una celda de alto voltaje para reducir el voltaje. Al reducir el voltaje de las celdas de alto voltaje, el BMS puede garantizar que todas las celdas funcionen dentro del mismo rango de voltaje. Esto significa que cada celda puede contribuir por igual a cualquier carga que experimente la batería y se mantiene en el mismo SoC durante el proceso de carga.
Protocolos de comunicación
El formato y el intercambio de datos entre dispositivos se rigen por protocolos de comunicación en el contexto de un BMS. Para garantizar que los dispositivos puedan entenderse entre sí y comunicarse correctamente. Las prácticas típicas incluyen:
Red de área de controlador (CAN): se utiliza con frecuencia en aplicaciones automotrices. Permite la comunicación en tiempo real y es conocido por su confiabilidad y resistencia en entornos caóticos.
Circuito interintegrado (I2C): en sistemas integrados, I2C se utiliza con frecuencia para vincular periféricos de baja velocidad. En un solo dispositivo, es sencillo y práctico para comunicaciones a corta distancia.
Interfaz periférica serie (SPI): especialmente en sistemas integrados, SPI se utiliza para comunicaciones de corta distancia. Se utiliza con frecuencia en aplicaciones donde la velocidad es esencial porque es más rápida que I2C.
Registro de datos e informes
El registro en tiempo real para su análisis se conoce como registro de datos. Los datos que son registrados son de voltaje, corriente, temperatura y SOC. Para el análisis de tendencias y rendimiento, la resolución de problemas y el mantenimiento, estos datos pueden ser cruciales.
Envía estos datos a sistemas y dispositivos fuera del proceso de generación de informes. Por ejemplo, el BMS transmite el SOC al tablero de un vehículo eléctrico para que el conductor pueda controlar el nivel de la batería. También proporcionar datos a un sistema de control centralizado para monitoreo y control en una aplicación industrial.
Para asegurarse de que la batería funcione dentro de sus límites seguros y bien organizados, el BMS realiza un seguimiento continuo de varios parámetros. Los parámetros básicos controlables son:
Voltaje: Los escenarios de sobrecarga y sobredescarga pueden obstaculizar la batería o disminuir su vida útil, por lo que el monitoreo del voltaje de la celda juega un papel vital para prevenirlos.
Corriente: La detección de corriente previene condiciones de sobrecorriente que pueden volverse potencialmente riesgosas y producir exceso de calor.
Temperatura: El exceso de temperaturas altas y bajas puede tener un impacto adverso en el rendimiento y la vida útil de la batería porque las baterías son sensibles a la temperatura. Por lo tanto, la temperatura de las celdas de la batería se controla periódicamente para garantizar que se encuentren dentro de un rango aceptable.
Estado de carga (SOC): el SOC, obtenido a partir de datos de voltaje, corriente y temperatura, es una evaluación de la capacidad restante.
Estado de salud (SOH): Este valor sugiere el estado general de la batería o una comparación entre el rendimiento degradado y el rendimiento inicial. Numerosos factores, como el recuento de ciclos de carga y descarga, la tasa de autodescarga y otros criterios de rendimiento, ayudan a calcular el SOH.
Al garantizar la seguridad, la confiabilidad y la eficiencia, un BMS puede controlar y manejar con éxito el funcionamiento de una batería realizando un seguimiento constante de estos parámetros. Es posible tomar decisiones informadas sobre el uso y el mantenimiento de la batería gracias a los datos necesarios proporcionados por BMS para la evaluación de SOC y SOH.
Este es un breve repaso de un dispositivo crucial (insoslayable) para el correcto funcionamiento de las baterías y principalmente garantizar la seguridad de todo el sistema y los usuarios.
Ricardo Berizzo
Ingeniero Electricista 2024.-
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