Los sistemas de almacenamiento de energía en baterías se encuentran en condiciones de mercado cada vez más exigentes, ofreciendo una amplia gama de aplicaciones.Es una cuestión que merece la pena discutir que cómo construir un sistema de gestión de la batería (BMS) que garantice una larga vida útil, versatilidad y disponibilidad.
Cada batería moderna necesita un sistema de gestión de la batería (BMS), que es una combinación de electrónica y software, y actúa como el cerebro de la batería.Este artículo se centra en la tecnología BMS para sistemas estacionarios de almacenamiento de energíaLas funciones más básicas del BMS son garantizar que las pilas de la batería permanezcan equilibradas y seguras, y información importante, como la energía disponible,se transmite al usuario o a los sistemas conectados.
El equilibrio es necesario porque los sistemas de baterías están compuestos de cientos, a veces miles de células individuales, que todas tienen capacidades y resistencias ligeramente diferentes.Estas diferencias aumentan con el tiempo a medida que las células se degradan a diferentes velocidadesSi las celdas no están equilibradas, al menos ocasionalmente, sus voltajes se separarán pronto hasta el punto de que la capacidad de la batería se vuelva inutilizable.
La seguridad se garantiza manteniendo las celdas dentro de los límites de funcionamiento seguros de voltaje, corriente y temperatura, lo que es particularmente importante para las baterías de iones de litio.cargados a temperaturas muy bajas, o expuestos a corrientes o temperaturas excesivas, podrían desarrollar fallas que pueden provocar incendios o explosiones.
La información como la energía disponible y la potencia no se puede medir directamente, lo que significa que el BMS debe calcular Los cálculos se denominan estimación de estado y los resultados se transmiten a los sistemas de nivel superior, incluidas las interfaces de usuario.
Antes de examinar las consideraciones de diseño de BMS con más detalle, vale la pena describir los diferentes tipos de BMS y los requisitos de la industria que informan las opciones de diseño.El método de balance se utiliza típicamente para clasificar los tipos de BMS, aunque otros aspectos de diseño juegan un papel importante, como los diferentes enfoques de la estimación del estado y los flujos de información.
Construcción básica del paquete
Las células, o células electroquímicas, como las células de iones de litio son la unidad más pequeña de almacenamiento de energía dentro de un paquete.El voltaje mínimo de una célula de iones de litio puede ser tan bajo como 2.5V (para las células LFP) y el voltaje máximo puede ser tan alto como 4.3V para las químicas NMC.
Las células se conectan en paralelo para aumentar la corriente máxima que se puede extraer del paquete.
En general, las células dentro de una súper célula se autoequilibrarán y no hay necesidad de gestionarlas más.Las excepciones pueden incluir productos químicos novedosos como el azufre de litio y productos químicos con curvas de estado plano de carga versus voltaje operados en condiciones extremas de tasa de C como el fosfato de hierro de litio.
Las superceldas se conectan en serie para formar una cadena.que es necesario en aplicaciones de alta potencia para evitar corrientes de funcionamiento de otro modo extremadamente altas.
Cuando se agregan células a una configuración de batería, la capacidad energética aumenta. Por lo tanto, agregar células paralelas a una súper célula aumenta la capacidad energética del paquete,como lo hace la conexión de una super célula adicional en serie.
Tipos de BMS
Enfoque de equilibrio
El equilibrio pasivo sincroniza los voltajes de la célula al final del proceso de carga disipando la energía, que habría ido a las células completamente cargadas, como calor a través de resistencias.La ventaja de este enfoque es el bajo coste de los componentes electrónicos..
Las desventajas incluyen que todas las células están expuestas a la misma corriente, lo que significa que las células conectadas en serie más débiles limitan la energía, la potencia, la vida útil y la seguridad de toda la batería.La degradación celular se acelera ya que la corriente en las células más débiles es mayor en relación con su capacidad, que también pueden causar puntos calientes localizados que pueden conducir a la reducción de la potencia de la batería o incluso problemas de seguridad.El BMS pasivo sólo puede controlar la corriente del paquete e interrumpirla a través de un interruptor de desconexión en caso de avería.
Si se implementa un flujo de información bidireccional, los parámetros a nivel del sistema, como los ajustes operativos, pueden modificarse para dar prioridad a la duración de la batería o al rendimiento.Se da prioridad a la vida útil reduciendo la ventana operativa a expensas de la energía o la potencia disponibles, mientras que se prioriza el rendimiento ampliando la ventana operativa, a expensas de la duración de la batería.
El equilibrio activo generalmente se implementa a través de circuitos de derivación de baja corriente, que dirigen corrientes de carga bajas a las células que aún no están cargadas, en lugar de disipar la energía como calor.El principal beneficio de este enfoque es mejorar la eficiencia de la carga, lo que puede ser importante si la energía de carga disponible debe utilizarse de la manera más eficiente posible.el balance activo no justifica el coste añadido del componente por los beneficios que produceAl igual que con el equilibrio pasivo, la degradación celular se acelera por corrientes relativas más altas en las células más débiles y pueden formarse puntos calientes.
Estimación del Estado
La estimación del estado de carga (SoC) y el estado de salud (SoH) se basa en una combinación de modelos de baterías y algoritmos de estimación.El nivel de sofisticación y precisión que es posible para la estimación del estado y los modelos de baterías subyacentes depende fuertemente del hardware, que usamos aquí para diferenciar diferentes enfoques.
Los circuitos integrados (IC) se utilizan en la mayoría de los BMS convencionales para la estimación del estado, a los que a menudo se les conoce como "indicador de combustible".Los circuitos integrados están "cableados" con modelos de baterías específicos de la química y algoritmos de estimación de estado.La ventaja de los IC es que son de bajo costo. Las desventajas incluyen flexibilidad y precisión limitada en el diseño del sistema.La flexibilidad de diseño es limitada porque los circuitos integrados se crean típicamente para una química de batería en particular con especificaciones particulares.
Si cambia la química o las especificaciones de la batería, también es necesario cambiar el IC y adaptar el diseño. The reasons for the limited and deteriorating accuracy are (i) state estimation on ICs is based on generalised representations of the battery chemistry and doesn’t capture the nuanced thermodynamic and dynamic properties of cells, que pueden variar según los fabricantes, los formatos y los lotes,Incluso para la misma química (ii) la limitada potencia de cómputo en los circuitos integrados limita la complejidad y fidelidad de los algoritmos de estimación de estado y los modelos de baterías subyacentes, y (iii) las características de la célula cambian con el tiempo, lo que no puede ser capturado por los algoritmos de IC cableados, lo que conduce a una creciente inexactitud con el tiempo.
Los microprocesadores se pueden programar con modelos de baterías más complejos y de mayor fidelidad y algoritmos de estimación de estado,que pueden ajustarse para tener en cuenta las características y especificaciones particulares de las célulasLas características cambiantes de las celdas pueden adaptarse actualizando los parámetros de los algoritmos de estimación de estado y los modelos de baterías, lo que mantiene las salidas más precisas con el tiempo.El mismo hardware se puede utilizar para cualquier tipo de batería química o fabricanteLa desventaja puede ser un mayor coste de los componentes, dependiendo de la funcionalidad requerida y la potencia computacional.
Flujo de información
El flujo de información unidireccional es común en la mayoría de los sistemas de baterías: los flujos de información desde el BMS a los sistemas de nivel superior e interfaces de usuario.La información de bajo nivel tiende a estar disponibleLa información más importante se refiere a la seguridad y el rendimiento e incluye métricas como SoC y SoH.
El flujo de información bidireccional es posible si el BMS puede procesar entradas, como cambios en los ajustes operativos (por ejemplo, voltaje máximo y mínimo admisible de la celda o SoC),o incluso actualizaciones de modelos de baterías o algoritmos de estimación de estado para mantener su precisión, si se utilizan microcontroladores.
