Cómo se ve un BMS (Battery Management System) por dentro
El BMS o Battery Management System es uno de los componentes más importantes para las baterías de litio ya que es el elemento de seguridad imprescindible para evitar cualquier tipo de fallas. Este componente de seguridad controla el proceso de carga y descarga de las celdas de litio evitando cualquier inconveniente.
El interior de un sistema de gestión de baterías (BMS) depende de su arquitectura, pero normalmente incluye los siguientes componentes:
Front-end analógico (AFE): proporciona lecturas de voltaje, temperatura y corriente de la batería al MCU y al indicador de carga eléctrica.
Microcontrolador (MCU): el elemento central del BMS, que toma información del AFE y el indicador de carga e interactúa con el resto del sistema
Indicador de carga eléctrica: puede ser un circuito integrado (CI) independiente o integrado en el MCU
FET de corte, los BMS con FET (transistor de efecto de campo, generalmente MOSFET) integrados simplifican su conformación, ya que no es necesario conectar relés de potencia. Su función especifica es equilibrar las celdas para optimizar la capacidad de la batería y evitar la sobretensión o la subtensión. Para ello utiliza relés Opto-MOSFET para encender y apagar las celdas según sea necesario.
Por ejemplo: reducir la carga a la celda más débil durante el ciclo de carga o equilibrar el paquete de baterías en el ciclo de descarga.
Un BMS realiza una serie de funciones, entre ellas:
Monitoreo de la batería o banco de baterías
Protección de la batería. Apagar las celdas para proteger la batería
Estimación del estado operativo de la batería, carga/descarga
Optimización continua del rendimiento de la batería
Informes del estado operativo a dispositivos externos
Calcular el estado de salud (SOH) de la batería
Controlar la recarga de la batería
Exploración de los componentes clave de un BMS
Un BMS, se suele implementar en una placa de circuito impreso, normalmente comprende un AFE, un circuito integrado (IC) de gestión de batería y un microprocesador integrado (MPU) que ejecuta software integrado. Algunas soluciones altamente integradas combinan dos o más de estas funciones en un solo chip, mientras que los diseños específicos de BMS pueden incluir módulos especializados adicionales más allá de estos elementos básicos, como circuitos de protección de batería, circuitos de equilibrado de celdas y módulos de comunicación.
El BMS utiliza datos y algoritmos en tiempo real para supervisar y controlar con precisión el voltaje, la corriente y la temperatura, activado por cortocircuitos, sobrecorrientes y diversas medidas de protección térmica según sea necesario. También facilita la comunicación de datos externos entre los paquetes de baterías y las celdas individuales, coordinando de manera eficiente las funciones de gestión y brindando diagnósticos integrales.
Un sistema de gestión de batería incluye varios bloques de construcción.
La agrupación de bloques funcionales varía ampliamente desde un simple front-end analógico, como por ejemplo, el ISL94208, que ofrece equilibrio y monitoreo y requiere un microcontrolador, hasta una solución integrada independiente que se ejecuta de manera autónoma (por ejemplo, el ISL94203). Ahora examinemos el propósito y la tecnología detrás de cada bloque, así como los pros y contras de cada tecnología.
FET de corte y controlador FET
Un bloque funcional de controlador (FET) es responsable de la conexión y el aislamiento del paquete de baterías entre la carga eléctrica y el cargador. El comportamiento del controlador FET se basa en mediciones de voltajes de celdas de batería, mediciones de corriente y circuitos de detección en tiempo real. Las siguientes figuras ilustran dos tipos diferentes de conexiones FET entre la carga y el cargador, y el paquete de baterías.
Se muestra un esquema FET de corte para una conexión única entre la carga y el cargador (A) y una conexión de dos terminales que permite la carga y descarga simultáneas (B).
Por ejemplo, el ISL94203 tiene un monitor de canal (CHMON) que monitorea el voltaje en el lado derecho de los FET de corte. Si se conecta un cargador y el paquete de baterías está aislado de él, la corriente inyectada hacia el paquete de baterías hará que el voltaje aumente hasta el voltaje de suministro máximo del cargador. El nivel de voltaje en CHMON se dispara, lo que permite que el dispositivo BMS sepa que hay un cargador presente. Para determinar una conexión de carga, se inyecta una corriente para determinar si hay una carga presente. Si el voltaje en el pin no aumenta significativamente al inyectar corriente, el resultado determina que hay una carga presente. El DFET del controlador FET se enciende. El esquema de conexión en la figura permite que el paquete de baterías funcione mientras se carga.
Los controladores FET pueden diseñarse para conectarse al lado alto o bajo de un paquete de baterías. Una conexión del lado alto requiere un controlador de carga para activar los FET NMOS. Cuando se usa un controlador del lado alto, permite una referencia de tierra sólida para el resto del circuito. Las conexiones de controlador FET de lado bajo se encuentran en algunas soluciones integradas para reducir costos, ya que no necesitan un controlador de carga. Tampoco requieren dispositivos de alto voltaje, que consumen un área de matriz más grande. El uso de FET de corte en el lado bajo hace que la conexión a tierra del paquete de baterías flote, lo que lo hace más susceptible al ruido inyectado en la medición. Esto afecta el rendimiento de algunos circuitos integrados.
Mediciones de corriente/indicador de carga
El bloque funcional del indicador de carga eléctrica lleva un registro de la carga que entra y sale del paquete de baterías. La carga es el producto de la corriente y el tiempo (q (Coulomb) = i (amp) * t (seg)). Se pueden utilizar varias técnicas diferentes al diseñar un indicador de carga eléctrica.
Un amplificador de detección de corriente y un MCU con un convertidor analógico a digital (ADC) de baja resolución integrado es un método de medición de corriente. El amplificador de detección de corriente, que funciona en entornos de modo común alto, amplifica la señal, lo que permite mediciones de mayor resolución. Sin embargo, esta técnica de diseño sacrifica el rango dinámico.
Otras
técnicas utilizan un ADC de alta resolución o un costoso CI de indicador de carga.
Comprender el consumo de corriente del comportamiento de la carga en función
del tiempo determina el mejor tipo de diseño de indicador de carga eléctrica
del banco de baterías. La solución más precisa y rentable es medir el voltaje a
través de una resistencia de detección utilizando un ADC de 16 bits o más con
un desfase bajo y una clasificación de modo común alta. Un ADC de alta
resolución ofrece un amplio rango dinámico a expensas de la velocidad. Si la
batería está conectada a una carga errática, como un vehículo eléctrico, el ADC
lento puede no detectar picos de corriente de alta magnitud y alta frecuencia
que se entregan a la carga.
Para cargas erráticas, puede ser más conveniente un ADC de registro aproximado sucesivo (SAR) con quizás un amplificador de detección de corriente. Cualquier error de compensación afecta el error general en la cantidad de carga de la batería. Los errores de medición a lo largo del tiempo causarán errores significativos en el estado de carga de la batería (SOC). Una compensación de medición de 50 µV o menos con una resolución de 16 bits es adecuada para medir la carga.
Voltaje de celda y maximización de la vida útil de la batería
Monitorear el voltaje de cada celda de una batería es esencial para determinar su estado general. Todas las celdas tienen una ventana de voltaje operativo donde debe ocurrir la carga/descarga para garantizar un funcionamiento adecuado y la vida útil de la batería. En el caso de una batería con una química de litio, el voltaje operativo generalmente varía entre 2,5 y 4,2 V. El rango de voltaje depende de la química. Operar la batería fuera del rango de voltaje reduce significativamente la vida útil de la celda y puede dejarla inútil.
Las celdas se conectan en serie y en paralelo para formar un paquete de baterías. Una conexión en paralelo aumenta la corriente de conducción del paquete de baterías, mientras que una conexión en serie aumenta el voltaje general. El rendimiento de una celda tiene una distribución: en el momento cero, las tasas de carga y descarga de las celdas del paquete de baterías son las mismas. A medida que cada celda pasa del ciclo de carga a descarga, las tasas de carga y descarga de cada celda cambian. Esto da como resultado una distribución dispersa en un paquete de baterías.
Una forma sencilla de determinar si un paquete de baterías está cargado es monitorear el voltaje de cada celda a un nivel de voltaje establecido. El primer voltaje de celda que alcanza el límite de voltaje activa el límite de carga del paquete de baterías. Un paquete de baterías con celdas más débiles que el promedio hace que la celda más débil alcance el límite primero, lo que evita que el resto de las celdas se carguen por completo.
Una situación de carga, como el descrito, no maximiza el tiempo de carga del paquete de baterías. El esquema de carga reduce la vida útil del paquete de baterías porque necesita más ciclos de carga y descarga. Una celda más débil se descarga más rápido. Esto también ocurre en el ciclo de descarga; La celda más débil alcanza primero el límite de descarga, dejando al resto de las celdas con carga restante.
Hay dos maneras de mejorar el tiempo de carga de la batería. La primera es reducir la velocidad de carga de la celda más débil durante el ciclo de carga. Esto se logra conectando un FET de derivación con una resistencia limitadora de corriente a través de la celda, figura A. Toma corriente de la celda con la corriente más alta, lo que resulta en una carga de celda más lenta. Como resultado, las otras celdas de la batería pueden alcanzarla. El objetivo final es maximizar la capacidad de carga de la batería haciendo que todas las celdas alcancen simultáneamente el límite de carga completa.
Los FET de equilibrio de celdas de derivación ayudan a reducir la velocidad de carga de una celda durante el ciclo de carga. El equilibrio activo se utiliza durante el ciclo de descarga para robar carga de una celda fuerte y dársela a una celda débil figura B.
Este método consiste en equilibrar la batería en el ciclo de descarga mediante la implementación de un esquema de desplazamiento de carga. Esto se logra tomando carga a través de acoplamiento inductivo o almacenamiento capacitivo de la celda alfa e inyectando la carga almacenada en la celda más débil. Esto reduce el tiempo que tarda la celda más débil en alcanzar el límite de descarga, también conocido como equilibrio activo.
Monitoreo de temperatura
Las baterías actuales suministran mucha corriente mientras mantienen un voltaje constante. Esto puede provocar una condición de descontrol que haga que la batería se incendie. Los productos químicos que se utilizan para construir una batería son altamente volátiles. Las mediciones de temperatura no solo se utilizan por seguridad, sino que también pueden determinar si es conveniente cargar o descargar una batería.
Los sensores de temperatura monitorean cada celda para aplicaciones de sistemas de almacenamiento de energía (ESS) o una agrupación de celdas para aplicaciones más pequeñas y portátiles. Los termistores alimentados por una referencia de voltaje ADC interna se utilizan comúnmente para monitorear la temperatura de cada circuito. Además, una referencia de voltaje interna ayuda a reducir las imprecisiones de la lectura de temperatura frente a los cambios de temperatura ambiental.
Algoritmos
La mayoría de los sistemas BMS requieren un microcontrolador (MCU) o una matriz de puertas programables en campo (FPGA) para administrar la información de los circuitos de detección y luego tomar decisiones con la información recibida. En algunos dispositivos, como el ISL94203, un algoritmo codificado digitalmente permite una solución independiente con un chip. Las soluciones independientes también son valiosas cuando se combinan con un MCU, porque la medición de estados del dispositivo independiente se puede utilizar para liberar ciclos de reloj del MCU y espacio de memoria.
Otros bloques de construcción de BMS
Otros bloques funcionales de BMS pueden incluir autenticación de batería, reloj de tiempo real (RTC), memoria y conexión en cadena. El RTC y la memoria se utilizan para aplicaciones de caja negra: el RTC se utiliza como sello de tiempo y la memoria se utiliza para almacenar datos. Esto permite al usuario conocer el comportamiento del paquete de baterías antes de un evento catastrófico. El bloque de autenticación de batería evita que la electrónica de BMS se conecte a un paquete de baterías no admitido por el mismo. La referencia/regulador de voltaje se utiliza para alimentar los circuitos periféricos alrededor del sistema BMS.
Los beneficios de los sistemas de gestión de baterías
Un sistema completo de almacenamiento de energía de baterías podría estar formado por decenas, cientos o incluso miles de celdas de iones de litio estratégicamente empaquetadas. Estos sistemas pueden tener una tensión nominal de menos de 100 V, pero podrían ser tan altas como 800 V, con corrientes de suministro de paquetes que van hasta 300 A o más. Cualquier mala gestión de un paquete de alto voltaje podría desencadenar un desastre potencialmente mortal. En consecuencia, los BMS son absolutamente críticos para garantizar un funcionamiento seguro.
Resumen
Los beneficios de los BMS se pueden resumir de la siguiente manera.
Seguridad funcional. Sin duda, para los paquetes de baterías de iones de litio de gran formato, esto es particularmente prudente y esencial. La seguridad personal de los usuarios de productos que incorporan sistemas alimentados por baterías de litio deja poco margen para errores en la gestión de la batería.
Vida útil y confiabilidad. La gestión de la protección eléctrica y térmica de la batería garantiza que todas las celdas se utilicen dentro de los requisitos de SOA (área segura de funcionamiento) declarados. Esta delicada supervisión garantiza que las celdas estén protegidas contra el uso agresivo y los ciclos rápidos de carga y descarga, y da como resultado inevitablemente un sistema estable que potencialmente proporcionará muchos años de servicio confiable.
Rendimiento y autonomía. La gestión de la capacidad de la batería BMS, donde se emplea el equilibrio de celda a celda para igualar el SOC de las celdas adyacentes en todo el conjunto de la batería, permite lograr una capacidad óptima de la batería. Las tareas de supervisión incluyen el monitoreo continuo de todas las celdas de la batería, donde el registro de datos se puede utilizar por sí solo para el diagnóstico, pero a menudo se destina a la tarea de cálculo para estimar el SOC de todas las celdas en el conjunto. Esta información se utiliza para los algoritmos de equilibrado, pero en conjunto se puede transmitir a dispositivos externos y pantallas para indicar la energía residente disponible, estimar el alcance esperado o el alcance/vida útil en función del uso actual y proporcionar el estado de salud del paquete de baterías.
Reducción de costos y garantía. Si bien la introducción de un BMS en un banco de baterías agrega costos, y los paquetes de baterías son caros y potencialmente peligrosos. Cuanto más complicado sea el sistema, mayores serán los requisitos de seguridad, lo que genera la necesidad de una mayor presencia de supervisión del BMS. Pero la protección y el mantenimiento preventivo de un BMS en lo que respecta a la seguridad funcional, la vida útil y la confiabilidad, el rendimiento y el alcance, los diagnósticos, etc. garantizan que reducirá los costos generales.
Ricardo Berizzo
Ingeniero Electricista 2025.-
