Un sistema de gestión de baterías ( BMS ) es cualquier sistema electrónico que gestiona una batería recargable ( celda o paquete de baterías ) facilitando el uso seguro y una larga vida útil de la batería en escenarios prácticos mientras monitorea y estima sus diversos estados (como SoH y SoC ), [1] calculando datos secundarios, informando esos datos, controlando su entorno, autenticándolos o equilibrándolos . [2] El módulo de circuito de protección ( PCM ) es una alternativa más simple a BMS. [3] Un paquete de baterías construido junto con un sistema de gestión de baterías con un bus de datos de comunicación externo es un paquete de baterías inteligente . Un paquete de baterías inteligente debe cargarse con un cargador de batería inteligente . [1] [4]
Un BMS puede monitorear el estado de la batería representado por varios elementos, como:
Los sistemas de gestión térmica de baterías pueden ser pasivos o activos, y el medio de refrigeración puede ser aire, líquido o alguna forma de cambio de fase. La refrigeración por aire tiene la ventaja de ser sencilla. Estos sistemas pueden ser pasivos, dependiendo únicamente de la convección del aire circundante, o activos, utilizando ventiladores para el flujo de aire. Comercialmente, tanto el Honda Insight como el Toyota Prius utilizan refrigeración por aire activa de sus sistemas de batería. [5] La principal desventaja de la refrigeración por aire es su ineficiencia. Se deben utilizar grandes cantidades de energía para operar el mecanismo de refrigeración, mucho más que la refrigeración líquida activa. [6] Los componentes adicionales del mecanismo de refrigeración también añaden peso al BMS, lo que reduce la eficiencia de las baterías utilizadas para el transporte.
La refrigeración líquida tiene un potencial de enfriamiento natural mayor que la refrigeración por aire, ya que los refrigerantes líquidos tienden a tener conductividades térmicas más altas que el aire. Las baterías pueden sumergirse directamente en el refrigerante o el refrigerante puede fluir a través del BMS sin entrar en contacto directo con la batería. La refrigeración indirecta tiene el potencial de crear grandes gradientes térmicos a través del BMS debido a la mayor longitud de los canales de refrigeración. Esto se puede reducir bombeando el refrigerante más rápido a través del sistema, lo que crea un equilibrio entre la velocidad de bombeo y la consistencia térmica. [6]
Además, un BMS puede calcular valores en función de los elementos que se enumeran a continuación, como: [1] [4]
El controlador central de un BMS se comunica internamente con su hardware que opera a nivel de celda, o externamente con hardware de alto nivel como computadoras portátiles o una HMI . [ aclaración necesaria ]
La comunicación externa de alto nivel es sencilla y utiliza varios métodos: [ cita requerida ]
Los BMS centralizados de bajo voltaje en su mayoría no tienen comunicaciones internas.
Los BMS distribuidos o modulares deben utilizar algún tipo de comunicación interna de bajo nivel entre celda y controlador (arquitectura modular) o entre controlador y controlador (arquitectura distribuida). Este tipo de comunicaciones son difíciles, especialmente para sistemas de alto voltaje. El problema es el cambio de voltaje entre celdas. La primera señal de tierra de la celda puede ser cientos de voltios más alta que la otra señal de tierra de la celda. Aparte de los protocolos de software, existen dos formas conocidas de comunicación de hardware para sistemas de cambio de voltaje: comunicación por aislador óptico e inalámbrica . Otra restricción para las comunicaciones internas es el número máximo de celdas. Para la arquitectura modular, la mayoría del hardware está limitado a un máximo de 255 nodos. Para los sistemas de alto voltaje, el tiempo de búsqueda de todas las celdas es otra restricción, que limita las velocidades mínimas del bus y pierde algunas opciones de hardware. El costo de los sistemas modulares es importante, porque puede ser comparable al precio de la celda. [8] La combinación de restricciones de hardware y software da como resultado algunas opciones para la comunicación interna:
Para evitar las limitaciones de potencia de los cables USB existentes debido al calor de la corriente eléctrica, se han desarrollado protocolos de comunicación implementados en cargadores de teléfonos móviles para negociar un voltaje elevado, de los cuales los más utilizados son Qualcomm Quick Charge y MediaTek Pump Express . " VOOC " de Oppo (también conocido como "Dash Charge" con "OnePlus") aumenta la corriente en lugar del voltaje con el objetivo de reducir el calor producido en el dispositivo al convertir internamente un voltaje elevado al voltaje de carga del terminal de la batería, lo que sin embargo lo hace incompatible con los cables USB existentes y depende de cables USB especiales de alta corriente con cables de cobre más gruesos. Más recientemente, el estándar USB Power Delivery apunta a un protocolo de negociación universal en dispositivos de hasta 240 vatios. [9]
Un BMS puede proteger su batería impidiendo que funcione fuera de su área operativa segura , como por ejemplo: [1] [10]
El BMS puede impedir el funcionamiento fuera del área de funcionamiento segura de la batería mediante las siguientes acciones:
Un BMS también puede contar con un sistema de precarga que permite una forma segura de conectar la batería a diferentes cargas y eliminar las corrientes de entrada excesivas a los condensadores de carga.
La conexión a las cargas normalmente se controla a través de relés electromagnéticos llamados contactores. El circuito de precarga puede estar formado por resistencias de potencia conectadas en serie con las cargas hasta que se carguen los condensadores. Alternativamente, se puede utilizar una fuente de alimentación conmutada conectada en paralelo a las cargas para cargar el voltaje del circuito de carga hasta un nivel lo suficientemente cercano al voltaje de la batería para permitir el cierre de los contactores entre la batería y el circuito de carga. Un BMS puede tener un circuito que pueda comprobar si un relé ya está cerrado antes de la recarga (debido a una soldadura, por ejemplo) para evitar que se produzcan corrientes de entrada.
Para maximizar la capacidad de la batería y evitar una sobrecarga o una subcarga localizada, el BMS puede garantizar activamente que todas las celdas que componen la batería se mantengan al mismo voltaje o estado de carga, mediante el equilibrio. El BMS puede equilibrar las celdas mediante:
La tecnología BMS varía en complejidad y rendimiento:
Las topologías BMS se dividen en tres categorías:
Los BMS centralizados son los más económicos, los menos ampliables y están plagados de una multitud de cables. Los BMS distribuidos son los más caros, los más sencillos de instalar y ofrecen el montaje más limpio. Los BMS modulares ofrecen un equilibrio entre las características y los problemas de las otras dos topologías.
Los requisitos para un BMS en aplicaciones móviles (como vehículos eléctricos) y aplicaciones estacionarias (como UPS de reserva en una sala de servidores ) son bastante diferentes, especialmente en lo que respecta a los requisitos de restricción de espacio y peso, por lo que las implementaciones de hardware y software deben adaptarse al uso específico. En el caso de vehículos eléctricos o híbridos, el BMS es solo un subsistema y no puede funcionar como un dispositivo independiente. Debe comunicarse al menos con un cargador (o infraestructura de carga), una carga, gestión térmica y subsistemas de apagado de emergencia. Por lo tanto, en un buen diseño de vehículo, el BMS está estrechamente integrado con esos subsistemas. Algunas aplicaciones móviles pequeñas (como carros de equipo médico, sillas de ruedas motorizadas, scooters y carretillas elevadoras) a menudo tienen hardware de carga externo, sin embargo, el BMS a bordo aún debe tener una integración de diseño estrecha con el cargador externo.
Se utilizan varios métodos de equilibrado de baterías , algunos de ellos basados en la teoría del estado de carga .
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