Función principal del sistema de gestión de baterías

Función principal del sistema de gestión de baterías: gestión del equilibrio

Una función importante del sistema de gestión de baterías es mantener el mismo estado de carga (SOC) en el paquete de baterías, lo que implica la ecualización del estado. La batería se fabrica dentro de las especificaciones, pero el voltaje o el SOC de la batería pueden no ser tan constantes cuando se envía de fábrica. Además, como la mayoría de las baterías, las de iones de litio pueden tener fugas o autodescargarse con el tiempo. Por ejemplo, si la batería se envió con 3,7 V y 100%SOC, cuando la célula llegó al montaje, quizá el SOC había bajado a 99,5%.

¿Por qué el sistema de gestión de la batería necesita realizar la ecualización de la batería?

Los grandes paquetes de baterías de iones de litio suelen constar de cientos o miles de celdas, y el SOC puede ser ligeramente diferente cuando las celdas llegan al ingeniero de montaje de la batería. Esto puede parecer una diferencia muy pequeña, pero puede causar muchos problemas cuando el sistema de baterías empieza a funcionar. Esto se debe a que la celda con el SOC más pequeño limita la capacidad de carga y descarga del pack de baterías.

Un ejemplo sencillo

Un ejemplo sencillo puede ayudar a entender el asunto. Por ejemplo, si tenemos tres celdas, dos de las cuales tienen el mismo SOC, y la celda nº 3 tiene una capacidad ligeramente inferior, es decir, el estado del grupo de celdas es desigual. Cuando todas las células se descargan con la misma corriente, la célula núm. 1 alcanzará su punto de terminación antes que las otras dos, y el grupo de baterías dejará de descargarse, ya que si se sigue descargando se dañará la celda no. 1. Esto significa que la energía en la célula no. 2 y no.3 no puede ser completamente liberado, siempre habrá legado de consumo de energía de la batería restante. Con el aumento de la circulación, las baterías de carga y descarga de las diferencias SOC también aumenta, la batería más débil trabajar más duro que el otro, con el tiempo conducen a las baterías fallo prematuro, e incluso todo el fallo del sistema de baterías.

Por lo tanto, es muy importante garantizar que cada celda se encuentre en el mismo SOC posible, lo cual es un propósito y una función importantes del sistema de gestión de baterías. Ecualización significa que el SOC de cada celda de un pack de baterías alcanza un nivel similar para maximizar la capacidad de todo el pack de baterías.

¿Cuándo necesita el sistema de gestión de baterías equilibrar la batería?

Si las células están conectadas en paralelo, se igualan automáticamente. Sin embargo, cada conjunto de 

módulos paralelos sigue siendo necesario equilibrar. Ahora que sabemos lo importante que es el equilibrio, necesitamos saber cuándo hay que equilibrar. La mayoría de los sistemas de gestión de baterías que existen actualmente en el mercado realizan el equilibrado de las baterías mientras el sistema de almacenamiento de energía se está cargando por las siguientes razones. En primer lugar, el equilibrado suele llevar mucho tiempo, y para medir con precisión la capacidad y la tensión de la batería en un sistema de almacenamiento de energía, la batería debe estar fuera de uso. En segundo lugar, para medir con precisión la capacidad y la tensión de la batería, es necesario poner la batería en estado de desuso.

En los vehículos eléctricos híbridos, la ecualización de la batería puede realizarse teóricamente durante largos periodos de conducción a alta velocidad, porque la batería básicamente no se utiliza en ese periodo. Pero eso plantea otra cuestión: ¿cómo sabe el sistema de gestión de la batería que el coche está en la autopista y que puede equilibrar la batería? Controlando la velocidad de las ruedas se podría determinar el estado del vehículo, pero hay que asegurarse de que el vehículo permanece en la autopista el tiempo suficiente para equilibrar la celda de la batería.

Un ejemplo gráfico

Podemos utilizar un ejemplo gráfico para entender el método de igualación de celdas. Imagina que juegas a un juego en el que hay tres vasos sobre la mesa. Hay que llenarlos de agua y finalmente vaciar los vasos. Pero hay que seguir algunas reglas. En primer lugar, hay que utilizar unos dispositivos especiales con canales para que los tres vasos se llenen con la misma cantidad de agua al mismo tiempo. Segundo, si un vaso está lleno, hay que dejar de llenarlo, por muy llenos que estén los demás; Tercero, tienen que utilizar otro utensilio para verter la misma cantidad de agua de los tres vasos al mismo tiempo. Cuarto, parar si una de las tazas se ha vaciado. Inicia ahora el juego y veamos qué ocurre. Los estados iniciales de las tres tazas se muestran en la Figura, que es análoga a las celdas de diferentes SOC.

Para mostrar mejor los resultados del juego, exageramos la posición del agua en la imagen. El resultado, sin embargo, es obvio: cuando empiezas a verter agua por el pasillo en el vaso, el último vaso se llena primero. Ahora puedes ver que los otros dos vasos todavía tienen espacio para el agua, sobre todo el primer vaso no está ni cerca de llenarse.

Como puedes ver en este juego, hay dos formas de conseguir la igualación celular. Una forma es verter un poco de agua de un vaso lleno. La otra consiste en trasvasar agua de un vaso lleno a otro con menos agua. Del mismo modo, hay dos maneras de igualar las celdas de una batería de iones de litio. La mayor diferencia entre ambos métodos es qué hacer con la energía de las celdas. En la siguiente sección, describiremos estos dos enfoques, denominados ecualización activa y pasiva.

Ecualización pasiva: se consume el exceso de energía

En la ecualización pasiva, se consume la energía sobrante en una célula de alto SOC. Hay muchas formas de consumirla, pero el uso más común es convertir el exceso de energía en calor utilizando resistencias eléctricas. Por supuesto, esto implica montar resistencias del tamaño adecuado en la placa de circuito esclava que monitoriza la célula. Normalmente se utiliza una sola resistencia para ecualizar todas las células, aunque la ecualización de las células no se realiza simultáneamente.

Ventajas e inconvenientes de la ecualización pasiva

La principal ventaja de la ecualización pasiva es su bajo coste, por lo que los vehículos eléctricos ordinarios eligen mayoritariamente el sistema de ecualización pasiva. Pero sus desventajas también son evidentes. En primer lugar, el equilibrio pasivo desperdicia energía. En segundo lugar, la energía disipada por el calor debe gestionarse en el sistema de baterías. En tercer lugar, la ecualización pasiva suele tardar más que la activa.

Ecualización activa：el exceso de energía se transfiere a una célula con bajo SOC.

En un sistema de ecualización activa, el exceso de energía en una célula de alto SOC puede transferirse a una célula de bajo SOC hasta que todas las células alcancen el mismo SOC. Este proceso puede repetirse varias veces, hasta que todas las células alcancen el mismo SOC antes de que se detenga la ecualización y se reanude la carga.

Ventajas e inconvenientes de la ecualización activa

La ventaja de la ecualización activa es que el exceso de energía no se desperdicia, sino que se transfiere a otras células. Sin embargo, el inconveniente de este enfoque es que el proceso de ecualización requiere un hardware complejo, que no sólo aumenta el coste, sino que también ocupa espacio en el paquete de baterías. Además, es necesario conectar electrónicamente cada célula o un grupo de células a una placa de circuito esclava en su conjunto.

Muchos estudios anteriores que evaluaban estos dos sistemas no han demostrado los beneficios a largo plazo de los sistemas de ecualización activa. En otras palabras, en lo que respecta al nivel tecnológico actual, los dos métodos de ecualización no son igual de funcionales, y el coste del sistema de ecualización activa es relativamente más elevado.

Otras funciones del sistema de gestión de baterías

Además del equilibrado, el sistema de gestión de baterías tiene muchas otras funciones importantes. Por ejemplo, un sistema de almacenamiento de energía sin ecualización puede seguir funcionando, aunque la ecualización de la capacidad tiene un impacto significativo en la vida útil del paquete de baterías. Sin embargo, controlar la temperatura y el voltaje de la célula y el pack de baterías es fundamental para la seguridad del sistema. Por lo tanto, una de las tareas principales del sistema de gestión de baterías es garantizar que el sistema de baterías y la célula funcionen en un estado seguro, lo que incluye la supervisión de la corriente del paquete de baterías, la tensión y la temperatura de la célula.

Control de la corriente de la batería

La monitorización de la corriente de la batería puede determinar cuánta potencia hay disponible en el sistema cuando se carga y descarga. Es importante que el sistema de gestión de baterías controle cada célula de un pack de baterías en serie (si la célula está en paralelo, la mayoría de los sistemas de gestión de baterías la tratarán como una única célula) porque la tensión de carga de la célula supera la tensión máxima o la tensión de descarga cae por debajo de la tensión mínima. Estos datos pueden orientar al sistema sobre cuándo iniciar la carga y cuándo detener la descarga. Controlar y gestionar la temperatura de la célula es otra función importante, porque el funcionamiento continuo en condiciones extremas no sólo reduce la vida útil de la célula, sino que también aumenta el riesgo de fuga térmica de la célula. El sistema de gestión de baterías puede indicar al sistema si es necesario calentar o enfriar la célula.

Comunicarse con sistemas externos

Otra función importante del sistema de gestión de baterías es la comunicación con sistemas externos. Muchos sistemas avanzados de gestión de baterías pueden recibir información del vehículo o del controlador del motor y enviar comentarios. En general, el sistema de gestión de la batería puede enviar solicitudes para reducir o detener la descarga de la batería y, a continuación, enviar datos sobre el estado de la batería (como la capacidad y la energía restantes de la batería), que pueden convertirse en kilometraje o vida útil para el usuario.

Controlar el contacto

Por último, el sistema de gestión de la batería también puede decidir cuándo encender y apagar el contacto del sistema, es decir, controlar la corriente que fluye de la batería al motor, o del sistema de carga a la batería para cargarla.

Sistema de control del software del sistema de gestión de baterías

El software, el controlador del sistema de gestión de baterías, lo controla todo. La mayoría de los fabricantes consideran que el software es la tecnología central, porque controla todo el sistema de gestión de baterías. La mayor parte del hardware puede basarse en componentes disponibles en el mercado, pero el software requiere un diseño personalizado, que no sólo consta de miles de líneas de código de programación, sino que el código puede incluir muchos algoritmos. El software de control utiliza una serie de fórmulas matemáticas y métodos de cálculo para conocer los distintos estados (SOx) de todas las baterías en diferentes momentos, como la energía y potencia actuales disponibles, el SOC actual, cuánto SOC queda, cuánto tiempo de vida le queda a la batería, etc. Este algoritmo suele basarse en modelos muy complejos, y se basa en algún tipo de sistema y estructura de la célula.

En la mayoría de los casos, un diseñador de sistemas de gestión de baterías estudia una célula en funcionamiento en un entorno de laboratorio controlado para comprender cómo funciona en distintas condiciones y, a continuación, lo traduce en código. Mediante una serie de pasos repetidos, los diseñadores de software pueden llegar a crear un algoritmo que prediga con exactitud el rendimiento de la célula en la mayoría de las condiciones.

El diseño del sistema de gestión de baterías es tan complejo que un sistema de gestión de baterías adecuado para un tipo químico de célula puede no serlo para otros tipos químicos de célula diferentes. Por ejemplo, una célula NMC típica funciona a 3,7V, mientras que una célula LFP funciona a 3,3V y una célula LTO funciona a 2,2V. Por lo tanto, todos los algoritmos deben conocer los voltajes máximo y mínimo a los que puede funcionar la célula. Varios fabricantes de sistemas de gestión de baterías han desarrollado software diferente para dar servicio a su hardware para diferentes tipos de aplicaciones de baterías.