Sistema de gestión de batería
Un sistema de gestión de baterías (BMS) es un dispositivo que se utiliza para gestionar eficazmente los paquetes de baterías. En el caso de los vehículos eléctricos, un hardware y software BMS bien-diseñado puede aumentar eficazmente la autonomía, prolongar la vida útil del paquete de baterías, reducir los costos operativos y garantizar la seguridad y confiabilidad del paquete de baterías. El sistema de gestión de la batería se ha convertido en un componente central indispensable de los vehículos eléctricos. Este capítulo se centrará en presentar la composición, las funciones y los principios de funcionamiento del sistema de gestión de energía de la batería.
Arquitectura del sistema
El hardware de un sistema de administración de baterías (BMS) típico incluye principalmente una unidad de administración de baterías (BMU), una unidad de administración de celdas (CMU), sensores, mazos de cables, etc. En el diseño de sistemas de baterías de energía a gran-escala, la elección de la arquitectura BMS es crucial, ya que determina directamente los métodos de conexión entre las unidades de hardware y el enfoque de programación de software, y afecta el costo del sistema, la confiabilidad, la facilidad de instalación y mantenimiento, y la precisión de las mediciones. Según la topología entre los controladores del BMS, los BMS se pueden clasificar en dos tipos: integrados y distribuidos.
1. BM integrado
2. BMS distribuido
A diferencia de las topologías integradas, las arquitecturas distribuidas dividen la funcionalidad BMS en una BMU de placa base y varias CMU esclavas. La estructura modular simplifica el ensamblaje del módulo, optimiza la disposición del arnés de muestreo y alivia las inconsistencias de caída de voltaje con un espaciado uniforme. Las desventajas incluyen un mayor costo y un diseño de comunicación y control más complejo. Según la diversidad de métodos de conexión BMS distribuidos, se pueden dividir en tres tipos: conexión en estrella (consulte la Figura 8-2), conexión de bus y conexión en cadena.
(1) Conexión en estrellaEn una conexión en estrella, la BMU de la placa base está ubicada centralmente y cada módulo CMU está conectado directamente a la placa base BMS mediante un arnés. Las conexiones en estrella facilitan el control punto-a-punto y la falla de un solo nodo CMU no afecta significativamente al sistema. Sin embargo, a medida que aumenta el número de módulos, la complejidad de las líneas de comunicación en una conexión en estrella aumenta exponencialmente, dificultando el mantenimiento y limitando la escalabilidad. Debido a las limitaciones de los puertos de la placa base BMS, los módulos CMU no se pueden agregar arbitrariamente, lo que lo hace relativamente raro en aplicaciones de gran-escala.
(2) Conexión de autobúsUna arquitectura de sistema basada en bus-facilita el diseño modular, como se muestra en la Figura 8-3. El BMS normalmente se divide en varias unidades de control: BMU, CMU y Battery Join Box (BJB). La BMU, la CMU y el BJB están conectados mediante CAN u otras redes de bus. La BMU realiza las funciones del algoritmo central para la gestión de la batería; la CMU realiza la adquisición, ecualización y medición de temperatura del voltaje de la celda; el BJB realiza adquisición de alto voltaje, corriente y temperatura, activación y diagnóstico de contactores y detección de aislamiento para el paquete de baterías; El aislamiento proporciona aislamiento eléctrico, evitando que el reflujo queme la placa de circuito y limitando la amplitud de la interferencia.
La arquitectura basada en bus-ofrece conexiones de comunicación más flexibles y una gran escalabilidad, lo que simplifica enormemente el diseño de la arquitectura de hardware, logra modularidad y mejora la aplicabilidad y portabilidad del sistema. Su principal desventaja es su coste relativamente elevado.
La conexión en cadena-es un método de conexión relativamente nuevo que ha surgido en los últimos años. La interfaz puede convertir señales SPI full-dúplex de hasta 1 Mb/s en señales diferenciales y transmitirlas mediante un cable de par-trenzado y un transformador simple y de bajo-costo. Por ejemplo, los dispositivos AFE de Linear Technology (LTC6811) se pueden interconectar para formar un BMS. Un transformador pequeño y de bajo costo- reemplaza el aislador de datos. En el lado del microprocesador de control principal, un pequeño adaptador IC (LTC6820) proporciona la interfaz del controlador principal. Si bien la conexión en cadena unidireccional-es simple, la falla de cualquier nodo puede afectar la comunicación de todo el sistema. Por lo tanto, se ha desarrollado y aplicado una cadena tipo margarita-en forma de anillo mejorada, como se muestra en la Figura 8-4, en los productos BMS de los principales fabricantes de vehículos de nuevas energías, como Tesla. En comparación con las conexiones de bus CAN, la conexión en cadena-tiene un costo menor y un tamaño menor, pero tiene una escalabilidad deficiente, un número máximo limitado de nodos y dificultad para manejar problemas de administración de baterías en escenarios más complejos, como sistemas de almacenamiento de energía a gran escala.
Funciones básicas
Generalmente, las funciones básicas de un sistema de gestión de baterías (BMS) incluyen: adquisición de datos, estimación del estado de la batería, gestión de energía, gestión de seguridad, gestión térmica, control de ecualización, funciones de comunicación e interfaz hombre-máquina. La Figura 8-5 muestra un diagrama de bloques funcional de un sistema de gestión de baterías.
La adquisición de datos es la base de todos los algoritmos y controles en un sistema de gestión de baterías (BMS). Por lo tanto, la frecuencia de muestreo, la precisión y las características del pre-filtro son indicadores cruciales que afectan el rendimiento del sistema de batería. La tasa de adquisición de datos está determinada por el escenario y la función. Por ejemplo, con una fuente de alimentación de respaldo, la velocidad de adquisición de datos puede ser tan baja como un cuadro cada 10 segundos o incluso por minuto; mientras que para objetos con corriente que cambia rápidamente (como vehículos), los datos deben adquirirse al menos una vez cada segundo, y algunos datos relacionados con la seguridad-requieren frecuencias de muestreo tan bajas como 100 ms o 10 ms.
2. Estimación del estado de la batería
La estimación del estado de la batería incluye principalmente dos aspectos:Estado de carga (SOC)yEstado de Salud (SOH). SOC caracteriza la carga restante actual del paquete de baterías y es la base para estimar la autonomía de conducción de un vehículo eléctrico. SOH es un parámetro que se utiliza para representar la vida útil restante de la batería y otras condiciones de salud.
La gestión de energía garantiza que la salida y entrada de energía-de la batería en tiempo real no excedan la capacidad de carga de la batería y del sistema. En realidad, la capacidad de carga/descarga de una batería se ve afectada por la temperatura, SOC y SOH, entre otros factores. Al mismo tiempo, a nivel del sistema, se deben evitar riesgos como el sobrecalentamiento y la fusión del circuito. Por lo tanto, la gestión de la energía es un proceso de control global que utiliza principalmente corriente, voltaje, temperatura, SOC y SOH como entradas.
Monitorear el voltaje, la corriente y la temperatura de la batería para garantizar que no excedan los rangos normales. El BMS (sistema de gestión de batería) moderno no solo monitorea todo el paquete de batería, sino que también proporciona un control refinado sobre condiciones extremas de celdas individuales, como sobrecarga, sobre-descarga y sobre-temperatura.
Enfriar la batería cuando su temperatura de funcionamiento es demasiado alta y calentarla cuando cae por debajo del límite inferior de su temperatura de funcionamiento adecuada para mantener la batería dentro de su rango de funcionamiento óptimo y mantener el equilibrio de temperatura entre las celdas individuales durante el funcionamiento. La gestión térmica es especialmente necesaria para las baterías que se utilizan en condiciones de alta-descarga de energía y alta-temperatura.
6. Control de equilibrio
Las inconsistencias en el rendimiento de la batería pueden provocar una disminución en el rendimiento general del paquete de baterías e incluso riesgos para la seguridad. Se instalan circuitos de equilibrio entre las celdas individuales del paquete de baterías para garantizar que las condiciones de carga y descarga de cada celda individual sean lo más consistentes posible, mejorando así el rendimiento general del paquete de baterías.
Una función crucial de un sistema de gestión de baterías (BMS) es permitir la comunicación de los parámetros de la batería y la información con dispositivos a bordo o fuera de bordo, proporcionando datos para el control de carga/descarga y el control del vehículo. Dependiendo de la aplicación, el intercambio de datos puede utilizar diferentes interfaces de comunicación, como señales analógicas, señales PWM, bus CAN o interfaces seriales I2C.
8. Interfaz hombre-máquina (HMI)
La HMI es la interfaz intermediaria para la interacción entre humanos-máquina. Utiliza dispositivos de entrada y salida apropiados para permitir de manera efectiva el diálogo y la interacción entre los humanos y las máquinas que operan. En un BMS, la HMI incluye información en pantalla y botones y perillas de control, configurados de acuerdo con los requisitos de diseño.
