Introducción a los sistemas de gestión de baterías

Aprenda los conceptos básicos de alto nivel de la función que desempeñan los sistemas de administración de baterías (BMS) en el diseño de energía y qué componentes son necesarios para sus funciones básicas.

Hoy en día, las baterías de iones de litio reinan de forma suprema, con densidades de energía de hasta 265 Wh / kg. Sin embargo, tienen la reputación de explotar y quemar ocasionalmente toda esa energía en caso de que experimenten un estrés excesivo. Es por eso que a menudo requieren sistemas de administración de baterías (BMS) para mantenerlos bajo control.

En este artículo, discutiremos los conceptos básicos del concepto de BMS y repasaremos algunas partes fundamentales que componen el BMS típico.

Configuraciones básicas de BMS

En la Figura 1, vemos los bloques básicos de cómo se puede ver un BMS mientras cumple la función de prevenir fallas importantes de la batería.

Figura 1. Un diagrama de bloques típico de BMS

Este BMS de ejemplo puede manejar cuatro celdas de iones de litio en serie. Un monitor de celda lee todos los voltajes de celda y nivela el voltaje entre ellos:esta función se llama equilibrio (más sobre esto más adelante). Esto está controlado por una MCU que maneja los datos de telemetría, así como también la manipulación del interruptor y la estrategia de equilibrio.

En la práctica, el mercado ofrece diferentes soluciones para diseños más simples, incluso para celdas individuales sin balanceo o MCU, como se muestra en la Figura 2.

Figura 2. Un simple administrador de baterías. Imagen utilizada por cortesía de Texas Instruments

La desventaja de estos sistemas más simples es que un diseñador está vinculado a lo que ofrece la pieza dada (por ejemplo, un interruptor lateral alto o bajo) sin personalización.

Cuando se utilizan más células, se necesita un sistema de equilibrio. Existen esquemas simples que aún funcionan sin una MCU, como se muestra en la Figura 3.

Figura 3. Un equilibrador celular independiente de MCU. Imagen utilizada por cortesía de Texas Instruments

Cuando se utilizan paquetes de baterías más grandes o cualquier cosa que requiera celdas en serie o un cálculo de indicador de combustible, se necesita una MCU. La solución más integrada (y por lo tanto de bajo costo) es la de la Figura 4.

Figura 4. Un BMS comercial. Imagen utilizada por cortesía de Renesas

Este es un BMS que usa una MCU con firmware propietario que ejecuta todas las funciones asociadas relacionadas con la batería.

Los componentes básicos:componentes del sistema de gestión de la batería

Consulte la Figura 1 para obtener una descripción general de las partes fundamentales cruciales para un BMS. Ahora, repasemos las partes principales de la Figura 4 con un poco más de detalle para comprender los diversos elementos involucrados en un diagrama de bloques BMS.

Fusible

Cuando ocurre un cortocircuito violento, las celdas de la batería deben protegerse rápidamente. En la Figura 5, puede ver lo que se conoce como un fusible protector de autocontrol (SCP), que está destinado a ser quemado por el IC de control de sobretensión en caso de sobretensiones, lo que lleva a tierra el pin 2.

Figura 5. Fusible SCP y control de un BMS comercial

La MCU puede comunicar la condición del fusible fundido, por lo que la fuente de alimentación de la MCU debe estar antes del fusible.

Detección de corriente / recuento de culombios

Aquí se implementa una medición de corriente de lado bajo, lo que permite la conexión directa a la MCU.

Figura 6. Sentido típico de baja corriente de un BMS comercial

Manteniendo una referencia de tiempo e integrando la corriente en el tiempo, obtenemos la energía total que entra o sale de la batería, implementando un contador de Coulomb. En otras palabras, podemos estimar el estado de carga (SOC, que no debe confundirse con un sistema en chip) usando la siguiente fórmula:

donde

• $$ SOC (t_0) $$ es el SOC inicial (en Ah)
• $$ C_ {Rated} $$ es la capacidad nominal (en Ah)
• $$ I_b $$ es la corriente de la batería
• $$ I_ {loss} $$ tiene en cuenta las pérdidas de reacción celular
• τ es el período promedio de las muestras de corriente eléctrica

Termistores

Los sensores de temperatura, generalmente termistores, se utilizan tanto para controlar la temperatura como para intervenciones de seguridad.

En la Figura 7, puede ver un termistor que controla una entrada del IC de control de sobretensión. Esto quema artificialmente el SCP (el fusible que se muestra en la Figura 5) sin la intervención de la MCU.

Figura 7. Un termistor puede controlar el SCP, en caso de problemas térmicos graves

La Figura 8 muestra dos termistores adicionales para telemetría.

Figura 8. Termistores usados ​​por el firmware

Interruptor principal

Para actuar como interruptores, los MOSFET necesitan que su voltaje de fuente de drenaje sea $$ V_ {ds} \ leq V_ {gs} - V_ {th} $$. La corriente eléctrica en la región lineal es $$ I_d =k \ cdot (V_ {gs} - V_ {th}) \ cdot V_ {ds} $$, lo que hace que la resistencia del interruptor $$ R_ {MOS} =1 / [k \ cdot (V_ {gs} - V_ {th})] $$.

Es importante impulsar el $$ V_ {gs} $$ en consecuencia para garantizar una baja resistencia y, por lo tanto, bajas pérdidas.

Figura 9. Interruptor principal de la batería (NMOS, lado alto)

Los tipos NMOS se utilizan también en interruptores del lado alto a través de una bomba de carga, ya que normalmente tienen $$ R_ {MOS} $$ más bajos.

Equilibrador

Las celdas de batería han dado tolerancias en su capacidad e impedancia. Entonces, a lo largo de los ciclos, se puede acumular una diferencia de carga entre las celdas en serie.

Si un conjunto de celdas más débil tiene menos capacidad, se cargará más rápido en comparación con otros en serie. Por lo tanto, el BMS tiene que evitar que otras celdas se carguen o, de lo contrario, las celdas más débiles se sobrecargarán, como se ve en la Figura 10.

Figura 10. Celdas de menor capacidad que impiden la carga completa del paquete. Imagen utilizada por cortesía de Analog Devices

Por el contrario, una celda puede descargarse más rápido, con el riesgo de que las celdas caigan por debajo de su voltaje mínimo. En este caso, un BMS sin un equilibrador tiene que detener la entrega de energía antes, como se ve en la Figura 11.

Figura 11. Celdas de menor capacidad que impiden el uso de energía de paquete completo. Imagen utilizada por cortesía de Analog Devices

Un circuito como el de la Figura 12 descargará la celda con mayor SOC (estado de carga) como se muestra en la Figura 10 al nivel de las otras celdas en serie. Esto se logra mediante el uso de un método pasivo de equilibrio llamado derivación de carga.

Figura 12. Ejemplo de estrategia de equilibrio pasivo

Debido a que la corriente fluye a través del transistor en el estado ON y se disipa a través de R, y debido a que la referencia de voltaje es CELL1 (un polo negativo), solo dicha celda descargará su exceso de energía.

Este artículo ha tenido como objetivo presentar el concepto básico de un sistema de gestión de baterías e introducir los componentes básicos utilizados en su diseño. Con suerte, ahora tiene una mejor comprensión de lo que debe lograr un sistema de administración de baterías y cómo se puede usar en un diseño de energía.

Si tiene conceptos adicionales sobre los que le gustaría aprender más sobre el diseño de BMS, deje un comentario a continuación.

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