¿Para qué sirve un sistema de gestión de baterías?

En sistema de gestión de baterías (BMS) es la unidad central de control de la batería. El sistema de gestión de baterías es a las baterías lo que el cerebro a las personas.

El sistema de gestión de baterías consta de muchos subsistemas, como el host o controlador maestro, una serie de controladores esclavos (según el tipo de sistema), sensores y el software que hace funcionar todos los sistemas. Algunos incluso incluyen dispositivos de control electrónico en el BMS, como interruptores, fusibles, frontales de alta tensión, bucles de enclavamiento de alta tensión y dispositivos de apagado.

¿Por qué es tan importante el sistema de gestión de baterías?

¿Qué papel puede desempeñar el sistema de gestión de baterías?

Como su nombre indica, el sistema de gestión de baterías se utiliza para gestionar la batería de modo que ésta pueda mantener un mejor estado y un funcionamiento estable. En términos sencillos, el sistema de gestión de baterías previene los modos de fallo de la batería, como la sobrecarga, la sobredescarga, la sobretemperatura o la subtemperatura, y el cortocircuito interno. Además de proteger la batería, el sistema de gestión de baterías también tiene la función de supervisión.

De hecho, sin la capacidad de supervisar la batería y la célula, no hay protección. El sistema de gestión de baterías también puede conectar al sistema controladores dentro y fuera de la batería. En última instancia, el sistema de gestión de baterías proporciona un rendimiento óptimo de la batería para satisfacer diversos requisitos de energía y potencia. Estas prestaciones se controlan mediante un software que estima diversos factores de la batería, como el estado de salud (SOH), el estado de carga (SOC) y la tensión máxima.

¿Por qué las baterías de iones de litio necesitan un sistema de gestión de baterías?

En los últimos años, los vehículos de nueva energía impulsados por baterías de iones de litio han atraído la atención de la gente y se han convertido en el punto caliente del desarrollo automovilístico mundial. Sin embargo, el uso anormal de las baterías de iones de litio puede acortar su vida útil y provocar daños, e incluso posibles problemas de seguridad y factores de daño.

Como componente central de la protección y gestión de baterías, el sistema de gestión de baterías desempeña un papel cada vez más crítico en el rendimiento de los vehículos eléctricos. Puede mejorar la tasa de utilización de la batería de iones de litio, evitar sobrecargas, sobredescargas, sobretemperaturas, cortocircuitos y otras situaciones, y supervisar el estado de la batería para prolongar su vida útil.

¿Por qué necesitan los vehículos un sistema de gestión de baterías?

El sistema de gestión de baterías gestiona su duración y seguridad controlando la salida de la batería y la entrada de energía y potencia. Las baterías de la mayoría de los dispositivos portátiles, como los ordenadores portátiles, duran solo uno o dos años y suelen utilizarse con muy pocos cambios de temperatura (por ejemplo, los portátiles rara vez se colocan o utilizan al aire libre en el frío invierno).

Sin embargo, las baterías de vehículos e industriales deben durar ocho, 10, 15 o más años y soportar una amplia gama de temperaturas de funcionamiento, incluidos los veranos en el desierto de Arabia y los inviernos extremadamente fríos en el Ártico. Por eso, las baterías de gran tamaño suelen necesitar sistemas de gestión para optimizar su rendimiento.

Entonces, ¿pueden las baterías de iones de litio no utilizar el sistema de gestión de baterías?

He oído que algunos coches eléctricos de carreras afirman no utilizar el sistema de gestión de la batería. Sin embargo, las carreras son sólo una aplicación muy específica de las baterías de iones de litio, y la vida útil de la batería en estas condiciones suele durar una temporada de carreras, por lo que no hay que preocuparse por las garantías y la longevidad. Sin embargo, aparte de eso, no hay ningún campo en el que se utilicen paquetes de baterías sin BMS.

En comparación con otros tipos de baterías, las de iones de litio necesitan ser gestionadas para garantizar su seguridad. Las baterías de plomo-ácido, por ejemplo, no sufren accidentes de tipo "runaway" térmico cuando se abusa de ellas, por lo que la seguridad puede controlarse fácilmente sin controles electrónicos. La batería de iones de litio debe gestionarse para que la célula funcione en las condiciones de tensión, temperatura y corriente permitidas, a fin de evitar eficazmente los fallos de seguridad.

Tipo de sistema de gestión de la batería

Existen dos tipos básicos de sistemas de gestión de baterías: centralizados y distribuidos. La mayor diferencia entre ambos tipos es dónde se instala el hardware. Por lo general, el controlador principal o unidad de control puede completar los principales objetivos de diseño del sistema de almacenamiento de energía:

● Interruptor de contacto para controlar la temperatura de la batería, y establecer comunicación con la placa de control del núcleo para controlar la temperatura del núcleo;

● Controle la tensión de la batería y de la placa de control del núcleo;

● Gestión térmica basada en datos de temperatura, calentando o enfriando la batería;

● Gestionar la seguridad de la batería (funcionamiento on/off del contacto en función de la tensión, la temperatura y el estado de la batería);

● Calcula, gestiona, registra el estado de la batería y se comunica con el coche (u otro sistema). El controlador se compone principalmente de dos partes, una es la placa de control de hardware, la otra es una gran cantidad de software de procesamiento de datos, las dos partes trabajan juntas para garantizar el rendimiento y la seguridad de todo el sistema.

Sistema centralizado de gestión de baterías

En el sistema centralizado de gestión de baterías, la placa de control principal y la placa de control de detección de la célula se instalan en un solo lugar durante el montaje de la célula, y la parte interior se conecta en conjunto mediante cables. Esto minimiza la cantidad de hardware pero aumenta el número de cables en la batería.

Sistema de gestión de baterías distribuido

Sistema de gestión de baterías distribuido, con un controlador principal en una ubicación central y una serie de placas de circuito independientes para detectar el estado de la célula. En general, estas placas aisladas controlan directamente el núcleo o módulo, reduciendo así el uso de cables porque las placas dependientes pueden conectarse en cadena. Pero debido al aumento del número de tarjetas de circuitos impresos (PCBS), esto ha incrementado en parte los costes.

El diseño de sistemas de gestión de baterías distribuidos se utiliza ampliamente en aplicaciones prácticas porque cada placa de circuito esclava sólo controla un número limitado de celdas, lo que tiene un mejor efecto de control sobre el sistema de baterías.

Además del sistema de gestión de baterías distribuido y centralizado, el sistema de gestión de baterías puede tener muchas estructuras diferentes, pero en última instancia depende de dónde se utilice el sistema de gestión de baterías y de los requisitos funcionales específicos.

Hardware del sistema de gestión de baterías

El hardware del sistema de gestión de baterías es una parte importante del diseño de circuitos impresos. En general, el hardware del sistema de gestión de baterías consta de una o varias placas de circuito impreso, que pueden integrar todos los componentes para formar una placa de circuito impreso de control, incluidos condensadores, resistencias, sensores de corriente, CAN (Controller Area Network), LIN(Local Interconnect Network) y otros componentes de comunicación, y lo que es más importante, circuitos integrados específicos para aplicaciones (ASIC).

Todos estos elementos se montan sobre un sustrato no conductor, incrustado con cobre conductor (grabado a partir de láminas de cobre), que luego se lamina sobre la placa de circuito impreso.

La placa de circuito esclava suele tener diferentes nombres, personalizados por el diseñador, como monitor de temperatura de tensión (VTM), circuito de monitorización de células (CSC), etcétera. Pero en cualquier caso, el diseño de la placa de circuito esclava es similar, especialmente los dos módulos más importantes de gestión del circuito de equilibrio y gestión del calor residual. Una placa de circuito con un sistema pasivo de gestión del equilibrio convierte la energía en calor residual. Sin embargo, en el diseño de la placa de circuito, la influencia del calor residual en el núcleo o los componentes de la placa de circuito debe reducirse tanto como sea posible.

Otro problema en el diseño del hardware es la consideración de las interferencias electromagnéticas (IEM) y la compatibilidad electromagnética (CEM) en el sistema de gestión de baterías. Cuando la placa de circuito impreso de control está muy cerca de cargadores, inversores, convertidores de frecuencia u otros equipos de alta tensión, es importante estudiar la EMI y la EMC, y proporcionar el blindaje electrostático y las conexiones de cableado adecuadas para estos dispositivos.

Otra buena forma de utilizar placas PCB esclavas es utilizar placas o circuitos flexibles. Del mismo modo, los PCBS rígidos pueden sustituirse por sustratos de plástico flexibles, o una combinación de ambos. Esto se suele utilizar en placas CSC (circuito supervisor de célula), y el CSC se puede montar directamente en el módulo de célula.