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 también puede distribuirse, con el software y el hardware integrados en
módulos que se conectan mediante cableado. En este caso, el hardware
electrónico se sincroniza con la celda o el módulo que se está monitoreando en
una placa de control.
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.-
