Cómo diseñar un BMS, el cerebro de un sistema del almacenamiento de la batería

May 31, 2022

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Los sistemas del almacenamiento de energía de la batería se ponen en las condiciones del mercado cada vez más exigentes, proporcionando una amplia gama de usos. Sería una pregunta digno de la discusión de eso cómo construir un sistema de gestión de la batería (BMS) que asegura cursos de la vida, flexibilidad y disponibilidad largos.

 

 

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Cada batería moderna necesita un sistema de gestión de la batería (BMS), que es una combinación de electrónica y de software, y actúa como el cerebro de la batería. Este artículo se centra en la tecnología de BMS para los sistemas inmóviles del almacenamiento de energía. Las funciones más básicas del BMS son asegurarse de que las pilas de batería siguen siendo equilibradas y seguras, y la información importante, tal como energía disponible, se pasa encendido al usuario o a los sistemas conectados.

 

El equilibrio es necesario porque los sistemas de batería se componen de los centenares, a veces millares de células individuales, que todos tienen capacidades y resistencias levemente diversas. Estas diferencias aumentan en un cierto plazo mientras que las células degradan a diversas tarifas. Si las células no se equilibran por lo menos de vez en cuando, sus voltajes pronto derivarán aparte a un grado que la capacidad de la batería llega a estar inutilizable.

 

La seguridad es asegurada guardando las células dentro de límites de funcionamiento seguros de voltaje, de corriente y de temperatura, que es particularmente importante para las baterías de ión de litio. Si las células consiguen cobradas excesivamente, cargadas en las temperaturas muy bajas, o expuestas a las corrientes excesivas o a las temperaturas, podrían desarrollar las faltas que pueden llevar a los fuegos o a las explosiones.

La información tal como energía disponible y poder no puede ser medida directamente, que significa que el BMS debe computarlo basado en medidas del voltaje, de la corriente y de la temperatura. Estos cómputos se llaman valoración de estado y los resultados se pasan encendido a los sistemas de alto nivel, incluyendo interfaces de usuario.

 

 

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Antes de que miremos consideraciones del diseño de BMS más detalladamente, vale el describir de los diversos tipos de BMS y de requisitos de la industria que informen a opciones del diseño. El acercamiento de equilibrio se utiliza típicamente para clasificar tipos de BMS, aunque otros aspectos del diseño desempeñen papeles importantes, tales como diversos acercamientos a la valoración de estado y a los flujos de información.

Construcción básica del paquete

Las células, o las células electroquímicas, como las células de ión de litio son la unidad más pequeña de almacenamiento de energía dentro de un paquete. Vienen en los diversos tamaños físicos que se relacionan directamente con su capacidad. El voltaje mínimo de una célula de ión de litio puede ser tan bajo como 2.5V (para las células de LFP) y el voltaje máximo pueden ser tan altos como 4.3V para las químicas de NMC.

Las células están conectadas paralelamente para aumentar la corriente máxima que se puede extraer del paquete. Un grupo de células conectadas paralelamente se llama una célula estupenda.

En general, las células dentro de una célula estupenda uno mismo-balanza y no hay necesidad de manejarlas más lejos. Las excepciones pueden incluir químicas nuevas como el azufre del litio y químicas con el estado plano de la carga contra las curvas del voltaje actuadas en condiciones extremas del cajón como el fosfato del hierro del litio.

Las células estupendas están conectadas en serie para formar una secuencia. Una batería consiste en generalmente una sola secuencia. La conexión de las células estupendas en serie aumenta el voltaje del paquete, que es necesario en usos del poder más elevado prevenir corrientes de funcionamiento de otra manera extremadamente altas.

Al añadir las células a una configuración de la batería, los aumentos de capacidad de energía. Por lo tanto, el adición de las células paralelas a una célula estupenda aumenta la capacidad de la energía del paquete, al igual que conectando una célula estupenda adicional en serie.

 

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Tipos de BMS

Acercamiento de equilibrio

 

El equilibrio pasivo sincroniza voltajes de la célula en el final del proceso de la carga disipando la energía, que habría entrado las células completamente cargadas, como calor vía los resistores. La ventaja de este acercamiento es el coste componente bajo de la electrónica.

 

Las desventajas incluyen que todas las células están expuestas a la misma corriente, así que significa que las células en serie más débiles limitan la energía, el poder, el curso de la vida y la seguridad de la batería entera. Se acelera la degradación de la célula puesto que la corriente en células más débiles es más alta en relación con su capacidad, que puede también causar las zonas activas localizadas que pueden llevar a reducir la capacidad normal del poder o aún de las cuestiones de seguridad de batería. Por otra parte, la energía se pierde durante el proceso de carga. El BMS pasivo puede supervisar solamente el paquete actual e interrumpirlo vía un interruptor de la desconexión en caso de falta.

 

Si se ejecuta el flujo de información bidireccional, los parámetros a nivel sistema tales como ajustes operativos se pueden cambiar para dar prioridad a curso de la vida o a funcionamiento de la batería. El curso de la vida es dado prioridad reduciendo la ventana operativa a expensas de energía disponible o de poder, mientras que el funcionamiento es dado prioridad ensanchando la ventana operativa, a expensas de vida de batería.

 

El equilibrio activo se ejecuta típicamente vía los circuitos de derivación de poca intensidad, que las corrientes de carga bajas directas a las células que todavía no se cargan, bastante que disipando la energía como calor. La ventaja principal de este acercamiento es mejorar la eficacia de carga, que puede ser importante si la energía de carga disponible se debe utilizar tan eficientemente como sea posible. Para la mayoría de los usos, sin embargo, el equilibrio activo no justifica el coste componente añadido para las ventajas que rinden. Como con el equilibrio pasivo, la degradación de la célula es acelerada por corrientes relativas más altas en células más débiles y las zonas activas pueden formar.

 

 

 

 

Valoración de estado

 

La valoración del estado de la carga (SoC) y del estado de la salud (SoH) se basa en una combinación de modelos de la batería y de algoritmos de la valoración. El nivel de sofisticación y de exactitud que sea posible para la valoración de estado y los modelos de la batería que son la base depende en gran medida del hardware, que utilizamos aquí para distinguir diversos acercamientos.

 

Los circuitos integrados (IC) se utilizan en la mayoría del BMSs convencional para la valoración de estado, que se refieren a menudo como ‘indicador de la gasolina’. Los ICs ‘hardwired’ con los modelos de la batería y los algoritmos química-específicos de la valoración de estado. La ventaja de los ICs es que bajo costo. Las desventajas incluyen flexibilidad y exactitud limitadas del diseño de sistemas. Este último tiende a conseguir peor en un cierto plazo. Se limita la flexibilidad del diseño porque los ICs se crean típicamente para una química particular de la batería con especificaciones particulares.

 

Si la química o las especificaciones de la batería cambia, IC también necesita ser cambiado y el diseño se adaptó. Las razones de la exactitud limitada y de deterioro son (i) valoración de estado en los ICs se basan en las representaciones generalizadas de la química de la batería y no capturan el termodinámico lleno de matices y las propiedades dinámicas de las células, que pueden variar entre los fabricantes, los formatos y los lotes, incluso para el mismo poder de computación limitado de la química (ii) en los ICs obligan la complejidad y la fidelidad de los algoritmos de la valoración de estado y de los modelos subyacentes de la batería, y (iii) las características de la célula cambian en un cierto plazo, que no se pueden capturar por los algoritmos hardwired de IC, llevando a la inexactitud cada vez mayor en un cierto plazo.

 

Los microprocesadores se pueden programar con modelos de la batería y algoritmos más complejos, más de alta fidelidad de la valoración de estado, que se pueden ajustar para explicar características y especificaciones particulares de la célula. Las características cambiantes de la célula pueden ser acomodadas poniendo al día los parámetros de los algoritmos de la valoración de estado y de los modelos de la batería, que mantiene salidas más exactas en un cierto plazo. El mismo hardware se puede utilizar para cualquier tipo de química o de fabricante de la batería, teniendo en cuenta última flexibilidad del diseño. La desventaja puede ser un coste componente más alto, dependiendo de la función requerida y del poder de cómputo.

 

 

Flujo de información

 

El flujo de información unidireccional es común en la mayoría de los sistemas de batería: flujos de información del BMS a los sistemas y a las interfaces de usuario de alto nivel. Si el BMS es proporcionado por el fabricante de la célula, la información menos de bajo nivel tiende a estar disponible, pues esta información se puede considerar sensible. La información más importante está seguridad y relacionada con el funcionamiento e incluye métrica tal como SoC y SoH.

 

El flujo de información bidireccional es posible si puede el BMS las entradas de proceso, tales como cambios a los ajustes operativos (por ejemplo voltaje de la célula o SoC permisible máximo y mínimo), o aún actualizaciones a los modelos de la batería o a los algoritmos de la valoración de estado mantener su exactitud, si se utilizan los microcontroladores.

 

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