Sistema de gestión de baterías
Numerosos componentes diferentes contribuyen a la correcta carga de los coches eléctricos, y poco a poco los abordamos en nuestra serie Fundamentos de la electromovilidad. En esta ocasión nos centraremos en el sistema de gestión de baterías o en inglés Battery Management System (BMS).
La batería sigue siendo el componente más caro de cualquier coche eléctrico y por eso tiene que cuidarse. Si se maneja mal, su vida útil puede acortarse considerablemente y, en condiciones desfavorables, también representa un peligro para la seguridad del propio coche y de su tripulación. Es importante garantizar las condiciones adecuadas para la batería y de eso se ocupa el BMS.
Coche eléctrico y su batería. Autor: FirstEnergy Corp. (Licencia CC BY-ND 2.0)
En este artículo resumiremos cómo se diseñan las baterías, nos centraremos en cuál debe ser el entorno externo para que la batería pueda funcionar de manera óptima, cómo está diseñado el BMS, cuáles son sus principales funciones y al final mencionaremos los principales desafíos en el diseño de un sistema BMS eficaz.
Diseño de la batería
Aunque se habla de la batería del automóvil eléctrico como si fuera una sola cosa, en realidad consta de cientos (y a veces de miles) de celdas de batería que están conectadas en serie o en paralelo que forman módulos de batería. Y estos módulos luego se conectan a un "battery pack", o lo que todos llaman simplemente "la batería".
Gracias a esta disposición, es posible alcanzar la capacidad y energía requeridas, y al mismo tiempo es más fácil de fabricar, instalar, pero también de inspeccionar y realizar el mantenimiento. Nos centramos en el tema de las baterías con más detalle aquí.
Celdas de batería, módulos, battery packs. Fuente: https://www.semanticscholar.org/
Cada fabricante hace la batería de forma ligeramente diferente, utiliza diferentes compuestos químicos o fabrica celdas de batería de diferentes formas. Pero siempre es un tipo de batería de litio, que es la tecnología más avanzada que tenemos hasta ahora. Estas baterías son más o menos (dependiendo de la composición específica) sensibles a los cambios de temperatura, a la sobrecarga o descarga excesiva, y para prolongar su vida lo más posible, estas condiciones deben ser monitoreadas y controladas cuidadosamente.
Las baterías de litio también son propensas a fugas de temperatura, que pueden ocurrir debido a varios errores, como cargar demasiado rápido o descargarse demasiado rápido. Los siguientes gráficos muestran el denominado "Área de operación segura". El cuadro verde representa las condiciones en las que las baterías de litio son seguras y funcionan mejor. La temperatura debe estar entre -5 y 45 ° C, el voltaje entre 2 - 4 Voltios y la corriente de 0-1A. Es primordial monitorear cuidadosamente y asegurarse de que la batería esté en esta "área de operación segura".
Área de operación segura. Fuente: file:///C:/Users/Datart/Desktop/Battery Management System For Electric Vehicle Applications.pdf
Construcción BMS
El diseño del BMS corresponde en gran medida al diseño de la batería. Consiste en un circuito integrado de monitoreo de la batería (en inglés "a battery monitoring integrated circuit" - BMIC), un controlador de administración de celda (en inglés "a cell management controller" - CMC) y un controlador de administración de batería (en inglés "a battery management controller" - BMC).
Sistema de gestión de batería. Autor: carrott (Licencia: CC BY 2.0)
El BMIC monitorea las celdas individuales de la batería y debe poder informar rápidamente, en cuestión de microsegundos, al CMC sobre la situación para que el CMC o BMC pueda reaccionar y, si es necesario, corregir una situación desfavorable. Para evitar fugas de temperatura, el BMIC debe notar inmediatamente la celda de la batería que se está sobrecalentando y enviar esta información más adelante lo más rápido posible. El BMC debe decidir qué tan grave es la situación, cómo proceder, y la celda sobrecalentada debe apagarse si es necesario. Y todo esto debe suceder en un abrir y cerrar de ojos.
La precisión de la medición y la capacidad de responder a condiciones adversas dependen principalmente de la frecuencia de comunicación del BMIC al CMC y BMC, cuanto más a menudo se comunican, mayor es la posibilidad de que resuelvan con éxito una situación que podría ser riesgosa. Sin embargo, no es nada fácil diseñar una red de comunicación eficaz en un coche eléctrico debido a lo que llamamos ruido eléctrico.
Por supuesto, antes de corregir el BMS intenta prevenir esta situación desfavorable, entonces aparte de los módulos BMIC, CMC y BMC consiste también de circuitos que se aseguran de balancear las cargas de distintas celdas, de esta manera todas las celdas trabajan de manera más o menos igual y no tienden a causar problemas. El tema del balanceo es tan importante que lo hablaremos mucho más en detalle más adelante.
Celdas de batería sin usar completamente. Fuente: https://www.analog.com/en/technical-articles/active-battery-cell-balancing.html
Dependiendo de lo complicado que sea el automóvil eléctrico, se pueden agregar varios microcontroladores inteligentes para monitorear y controlar varias tareas específicas. Cada BMS debe poder monitorear no solo la batería, sino también a sí mismo y debe poder determinar si las alarmas o avisos son reales y no falsos.
Funciones básicas de BMS
De todo lo anterior, las funciones de BMS son obvias, pero para recapitular, las enumeramos una por una y nos detendremos en cada una de ellas por un momento.
1. Control de descarga y carga
La carga y descarga son los momentos más riesgosos en la vida de una batería. Durante la carga en CA, es el cargador de a bordo el que se hace responsable de la carga y convierte la corriente de CA en CC, que luego se envía en el voltaje requerido a la batería. En el caso de la carga en CC, la corriente eléctrica va directamente al BMS, que se comunica con la estación de CC y controla la carga.
Esta función requiere que todo el sistema sea inteligente, porque los parámetros de la propia batería cambian con el tiempo (se produce oxidación en los terminales, cambios en la capacidad de las celdas de la batería, etc.) y es necesario que la carga siempre se adapte a ella en tiempo real.
2. Determinación del estado de carga actual
El estado de carga en inglés se dice State of Charge y muy seguido van a encontrar la abreviatura SOC que se refiere justo a esto. Esta es una de las funciones más importantes, gracias a la cual el BMS puede decirle al conductor cuánto tiempo más puede conducir. Pero determinar el estado de carga no es tan simple como parece. En realidad, es uno de los problemas más complicados en el desarrollo de sistemas BMS.
El estado de carga actual se define como la relación entre la capacidad disponible y la capacidad total de la batería y, por lo tanto, puede tomar cualquier valor del 100% al 0%. Y dado que la "descarga" de la batería es un flujo de electrones, parecería que la cantidad de carga o descarga solo puede medirse. Sin embargo, el consumo se ve afectado por muchas variables más, como la temperatura actual, el cambio de temperatura durante la descarga, la carga actual y más, por lo que tener en cuenta todas ellas no es nada fácil.
"KIA Future Infotainment System - CES 2014 - (5) - SMADEMEDIA.COM Galleria". Autor:THE SMADE JOURNAL (Licencia CC BY 2.0)
La determinación del valor correcto del estado de carga también se complica por el hecho de que los métodos de medición precisa son demasiado complejos computacionalmente o insuficientemente precisos, y además el estado de carga depende también de los parámetros de toda la batería que cambian durante su vida útil, es decir, depende del estado de salud de la batería, que es aún más complicado de determinar.
Como la medición precisa no es posible o es extremadamente impráctica, el estado de carga actual se basa en modelos de baterías de computadora. Es una estimación, aunque calificada. Más adelante, nos centraremos un poco más en los modelos de batería.
3. Determinación del estado de salud
El estado de la batería se define como la relación entre la capacidad total actual y la capacidad total de la batería a los 0 kilómetros. Entonces cuando compras una batería, tiene un 100% de salud, que se deteriora con los ciclos de carga.
Muchos estudios coinciden en que la salud de la batería se ve afectada por la temperatura, la corriente de carga de la batería, el número de ciclos de carga y otros factores primarios. Sin embargo, no todos los procesos de la batería se conocen completamente, por lo que no existen métodos precisos para determinar el estado de salud de la batería. Al igual que para determinar el estado de carga, es necesario contar con modelos informáticos aproximados que tengan en cuenta la resistencia interna, la conductividad, la tasa de autodescarga, la capacidad, la energía recibida durante la carga, la temperatura durante el uso, la edad, el número de ciclos, etc.
Estado de salud de las baterías los coches Leaf en tiempo. Autor: Flip the Fleet. Fuente: https://flipthefleet.org/resources/benchmark-your-leaf-before-buying/
Hasta ahora, no existe un acuerdo exacto entre los fabricantes individuales sobre qué variables entran en los cálculos y qué modelos se utilizarán para determinar el estado de la salud. La investigación y el desarrollo continúan centrándose intensamente en estos temas. Y como se mencionó anteriormente, determinar correctamente el estado de salud es crucial para poder determinar el estado de carga con la mayor precisión posible.
4. Balanceo de carga
Equilibrar la carga y descarga de las celdas individuales es otro rompecabezas que todo BMS debe resolver y que aún no hemos abordado lo suficiente, pero en realidad es una de las funciones más importantes de la que depende toda la vida útil de la batería. El mismo nivel de descarga y carga de cada celda es importante para que algunas celdas no se sobrecarguen ni se destruyan.
No hay dos celdas de batería exactamente iguales. Algunos siempre tienen una capacidad un poco mayor o menor. Las celdas de batería que tienen una capacidad menor se descargan más rápido y también se destruyen más rápido, mientras que la capacidad de otras celdas permanece sin usar. De la misma manera, durante la carga, las celdas más débiles se cargan primero y las demás solo se cargan parcialmente.
Balancear la carga y descarga de las celdas individuales aumenta significativamente la capacidad general, porque no solo está determinada por las celdas más débiles, además protege estas celdas más débiles, para que no se dañen, hagan cortocircuito o tengan fugas, lo que podría dañar toda la batería. En la sección sobre desarrollo de BMS, nos centraremos más profundamente en el equilibrio activo y pasivo y los diferentes tipos de topología.
El balanceo activo y pasivo. Fuente: https://www.ionenergy.co/resources/blogs/cell-balancing-battery-life/
5. Grabación y comunicación
En comparación con las funciones mencionadas anteriormente, la grabación y la comunicación es una función relativamente fácil. Debido a que la salud de la batería es una cantidad relativa, el BMS necesita almacenar datos de las características de la batería anteriores para poder compararlas con valores nuevos. Gracias a esto, permite la evaluación del funcionamiento de la batería, así como su diagnóstico.
Igualmente importante es la comunicación entre el BMS y otras partes del automóvil, como el cargador de a bordo o la estación de carga. El BMS también garantiza que la pantalla del conductor muestre cuánto ha viajado o cuándo es necesario recargar el coche. También es posible acceder a la historia mencionada anteriormente, que el BMS almacena y procesa.
Desarrollo BMS
Para que cada sistema BMS pueda realizar sus funciones correctamente, es necesario superar varios acertijos para su desarrollo. Como hemos dicho antes, nos centraremos en dos. El primero es la estimación del estado de la batería. Este es un valor que es importante tanto para el conductor como para el propio sistema y su correcta gestión.
El segundo es el balanceo de carga de las celdas de la batería. Existen métodos pasivos y activos, así como varias topologías de equilibrio activo que deben diseñarse correctamente para optimizar las propiedades de BMS.
Estimación del estado de la batería
El estado de carga de la batería es una información absolutamente esencial para el conductor. Además, el uso de la batería podría ampliarse si fuera posible obtener un valor exacto. Sin embargo, este es un problema complicado. Ya hemos explicado por qué esta cantidad no se puede medir simplemente y por qué tenemos que confiar en estimaciones calificadas. En la actualidad, existen tres métodos básicos de estimación: el método de amperios-hora, el método de voltaje de circuito abierto (OCV) y los métodos basados en modelos.
El método de amperios-hora es simple y fácil de implementar. Sin embargo, para que funcione correctamente, necesita el conocimiento original del estado de salud (que también es sólo una estimación) y se ve afectado negativamente por errores acumulados y errores de medición, y con el tiempo se vuelve impracticable. El método de medición de voltaje de circuito abierto también se considera preciso. Pero solo se puede usar si el automóvil ha quedado quieto durante bastante tiempo, por lo que es difícil usarlo en funcionamiento normal.
Estimación del estado de carga. Autor: Jack O'Grady. Fuente: https://www.jackogrady.me/battery-management-system/state-of-charge
Debido a todas las deficiencias mencionadas, los métodos basados en modelos son la solución más común. Se utilizan medidas de voltaje y corriente. La corriente medida se ingresa en el modelo y la tensión se calcula utilizando el valor de los parámetros actuales y / o pasados. La diferencia entre el voltaje calculado y medido se inserta luego en un algoritmo que es capaz de actualizar inteligentemente el estado estimado.
Se está investigando el uso de logaritmos inteligentes, lógica difusa, redes neuronales artificiales y otras posibilidades. Debido a su excelente capacidad para abordar funciones no lineales, estos métodos pueden lograr estimaciones muy precisas, pero el proceso de aprendizaje requerido para usar estas opciones es computacionalmente complejo, lo que dificulta su uso en las aplicaciones necesarias.
Modelos informáticos de baterías
Crear modelos informáticos de baterías, según los cuales sería posible calcular el nivel de carga, es complicado porque es un sistema fuertemente no lineal. Básicamente hay dos opciones. Los primeros son modelos electroquímicos que utilizan las propiedades electroquímicas de la batería. Y aunque este método es relativamente preciso, en la práctica es computacionalmente complejo, por lo que en su lugar se utilizan varios modelos de circuitos equivalentes. Estos modelos de circuitos se utilizan ampliamente para estimar el estado de la batería, pero su problema es que no son tan precisos.
La investigación actual se centra principalmente en el desarrollo de modelos más precisos, o en una combinación de los actuales (electroquímicos y de circuito) de tal forma que no sean tan exigentes computacionalmente y el objetivo sea eventualmente utilizarlos en coches eléctricos.
Balanceo de carga de la celda de batería
No hay dos celdas de batería idénticas en el mundo). Las diferencias pueden estar en la resistencia interna, el nivel de degradación, la capacidad, la temperatura del ambiente y muchos más. Estas diferencias inevitables entre las celdas pueden causar muchos problemas y la capacidad general puede reducirse drásticamente. Este desequilibrio hace que las celdas individuales se descarguen en exceso o se carguen en exceso, lo que es peligroso para la batería en su conjunto y, por lo tanto, el equilibrio de carga entre las celdas individuales es de suma importancia para mantener el rendimiento y extender la vida útil de la batería.
Métodos de equilibrio de carga pasiva
El método pasivo significa que las celdas que tienen más energía que otras, son descargadas por resistencias y la energía excesiva se disipa en forma de calor. Al descargar el exceso de energía de las celdas más llenas, la batería se puede equilibrar fácilmente.
Sin embargo, este método desperdicia demasiada energía y también complica el control térmico de toda la batería. Además, en este caso, solo funcionan las baterías sobrecargadas, y si una celda de la batería es significativamente más débil que otras, se descarga más energía durante el equilibrio que durante la conducción.
Métodos de equilibrio de carga activa
Los circuitos de conmutación activos se utilizan para el equilibrio activo, que pueden transferir energía entre celdas individuales. A diferencia de los métodos pasivos, solo se desperdicia una pequeña cantidad de energía. Pero para lograr esto, es necesario incorporar más componentes en el circuito, lo que no solo conduce a un mayor costo, sino también a una menor confiabilidad.
Batería balanceada y no balanceada. Fuente: https://www.ionenergy.co/resources/blogs/cell-balancing-better-performance/
El equilibrio activo se produce a través de una variedad de estrategias denominadas topologías, que tienen en cuenta el costo, la complejidad y la confiabilidad. Como siempre, hay una compensación. Con las topologías más simples y, por lo tanto, más confiables, una celda sólo puede equilibrar otra celda que está justo al lado, lo cual es insuficiente si las celdas desequilibradas están más separadas.
Para conectar eficazmente todas las celdas de modo que su alineación pueda ser flexible, se necesitan demasiados componentes y, por lo tanto, se vuelven poco confiables y bastante costosos. El tercer método, que permite una pequeña cantidad de componentes y flexibilidad, es demasiado lento para ser efectivo en la práctica, ya que dos celdas adyacentes se alinean gradualmente hasta que se logra una carga homogénea.
Como esta es una función fundamental de BMS, se dedica mucho esfuerzo a diseñar las topologías más eficientes y utilizar las mejores estrategias, tanto de balance pasivo como activo, utilizando la menor cantidad de componentes posible. Seguramente podemos esperar muchas cosas nuevas en estos segmentos.
En conclusión
BMS forma parte de los coches eléctricos, del que no oímos hablar con tanta frecuencia como, por ejemplo, de la batería, pero su función es totalmente insustituible. Es el BMS que protege la batería del mal uso y daño, prolonga la vida útil de la batería y asegura que la batería esté siempre lista.
Sin embargo, cada diseño siempre conlleva la necesidad de equilibrar el precio, la eficiencia y la longevidad de cada sistema. El único valor que nunca se descuenta es la seguridad. Todos los componentes deben cumplir con los estándares de seguridad ISO 26262, por lo que cada BMS debe ser a prueba de fallas y contener recursos redundantes, como unidades procesadoras, cada una de las cuales debe tener sus propios dispositivos dedicados.
En términos de la importancia y la seguridad del automóvil y la tripulación, el BMS es definitivamente una parte subestimada del automóvil eléctrico y merece la misma atención que la batería en sí (si no más grande).