Un sistema de gestión de baterías ( BMS ) es cualquier sistema electrónico que gestiona una batería recargable ( celda o paquete de baterías ), por ejemplo protegiendo la batería para que no funcione fuera de su área operativa segura [ se necesita aclaración ] , monitoreando su estado, calculando datos secundarios, generando informes esos datos, controlando su entorno, autenticándolos y/o equilibrándolos . [1]
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 mediante un cargador de baterías inteligente . [ cita necesaria ]
Un BMS puede monitorear el estado de la batería representado por varios elementos, tales como:
Los sistemas de gestión térmica de las 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 es ventajosa por su simplicidad. Dichos sistemas pueden ser pasivos, dependiendo únicamente de la convección del aire circundante, o activos, utilizando ventiladores para el flujo de aire. Comercialmente, el Honda Insight y el Toyota Prius utilizan refrigeración por aire activa en sus sistemas de batería. [2] La principal desventaja de la refrigeración por aire es su ineficiencia. Se deben utilizar grandes cantidades de energía para operar el mecanismo de enfriamiento, mucho más que el enfriamiento líquido activo. [3] Los componentes adicionales del mecanismo de enfriamiento también agregan peso al BMS, lo que reduce la eficiencia de las baterías utilizadas para el transporte.
La refrigeración líquida tiene un potencial de refrigeración 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. El enfriamiento indirecto tiene el potencial de crear grandes gradientes térmicos a través del BMS debido al aumento de la longitud de los canales de enfriamiento. Esto se puede reducir bombeando el refrigerante más rápido a través del sistema, creando un equilibrio entre la velocidad de bombeo y la consistencia térmica. [3]
Además, un BMS puede calcular valores basados en los elementos que se enumeran a continuación, como: [ cita necesaria ]
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 . [ se necesita aclaración ]
La comunicación externa de alto nivel es simple y utiliza varios métodos: [ cita necesaria ]
Los BMS centralizados de bajo voltaje en su mayoría no tienen comunicación interna.
Los BMS distribuidos o modulares deben utilizar alguna comunicación interna de bajo nivel entre el controlador de celda (arquitectura modular) o el controlador-controlador (arquitectura distribuida). Este tipo de comunicaciones son difíciles, especialmente para sistemas de alto voltaje. El problema es el cambio de voltaje entre las celdas. La señal de tierra de la primera celda puede ser cientos de voltios más alta que la señal de tierra de la otra celda. Además de los protocolos de software, existen dos formas conocidas de comunicación de hardware para sistemas de cambio de voltaje: aislamiento óptico y comunicación 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, lo 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. [5] La combinación de restricciones de hardware y software da como resultado algunas opciones para la comunicación interna:
Para evitar las limitaciones de energía 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, los más utilizados son Qualcomm Quick Charge y MediaTek Pump Express . " VOOC " de Oppo (también denominado "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 en el voltaje de carga del terminal de la batería, que sin embargo lo hace incompatible con los cables USB existentes y se basa en 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 entre dispositivos de hasta 240 vatios. [6]
Un BMS puede proteger su batería impidiendo que funcione fuera de su área operativa segura , como por ejemplo: [ cita necesaria ]
El BMS puede impedir el funcionamiento fuera del área de funcionamiento segura de la batería mediante:
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 para cargar los condensadores.
La conexión a cargas normalmente se controla mediante relés electromagnéticos llamados contactores. El circuito de precarga puede consistir en resistencias de potencia conectadas en serie con las cargas hasta que se carguen los condensadores. Alternativamente, se puede usar una fuente de alimentación de modo conmutado 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 cerrar los contactores entre la batería y el circuito de carga. Un BMS puede tener un circuito que puede verificar si un relé ya está cerrado antes de la precarga (debido a la soldadura, por ejemplo) para evitar que se produzcan corrientes de entrada.
Para maximizar la capacidad de la batería y evitar una carga insuficiente o sobrecarga 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 células 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 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 compromiso de las características y problemas de las otras dos topologías.
Los requisitos para un BMS en aplicaciones móviles (como vehículos eléctricos) y aplicaciones estacionarias (como UPS en espera en una sala de servidores ) son bastante diferentes, especialmente en cuanto a los requisitos de restricciones 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 sólo un subsistema y no puede funcionar como un dispositivo independiente. Debe comunicarse con al menos un cargador (o infraestructura de carga), una carga, unos subsistemas de gestión térmica y de parada 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 para equipos médicos, sillas de ruedas motorizadas, scooters y montacargas) a menudo tienen hardware de carga externo; sin embargo, el BMS integrado aún debe tener una estrecha integración de diseño con el cargador externo.
Se utilizan varios métodos de equilibrio de baterías , algunos de ellos basados en la teoría del estado de carga .