¿Qué es la supervisión en tiempo real-?
BMS necesita saber qué sucede dentro del paquete. Voltaje por celda, corriente total, temperaturas en múltiples puntos. Estos datos llegan continuamente, no se muestrean de vez en cuando. Eso es monitoreo en tiempo real-.
Medición de voltaje
Aquí es donde va la mayor parte del costo en un diseño BMS.
Cada celda o grupo paralelo necesita su propia línea de detección de voltaje que regresa a un IC analógico frontal. Para una mochila 16S que es manejable. Para un paquete de vehículos eléctricos 100S+, estás viendo varios chips AFE conectados en cadena-, comunicación aislada entre ellos y un arnés de cableado que requiere un verdadero esfuerzo para enrutarlo de manera limpia. La captación de ruido es una lucha constante. Los cables de detección largos actúan como antenas. Los pares trenzados ayudan. Mantener las rutas de alta corriente-lejos de las líneas de detección ayuda más.
La especificación de precisión AFE importa mucho más de lo que la gente espera. Las celdas NMC tienen quizás 1,4 V de rango de voltaje utilizable. A 4,2 V estás lleno. A 4,25 V estás colocando litio y matando la celda. Eso es 50 mV de margen. Si su AFE tiene una precisión de ±15 mV, ya ha gastado más de la mitad de su presupuesto sólo en errores de medición. Esta es la razón por la que los paquetes de alto voltaje-de cualquier proveedor de baterías de litio decente utilizan los costosos AFE-6815, 6813, de ese nivel. Los baratos funcionan bien para paquetes de herramientas eléctricas 4S. No para tracción.
LFP es más indulgente en el extremo superior, pero la curva de voltaje es tan plana en el medio que la estimación del SOC se vuelve difícil. Necesitas buena precisión por una razón diferente.
Actual
Sensores de efecto Hall o shunts. Los pasillos están aislados eléctricamente, lo que simplifica el diseño. Las derivaciones son más precisas, pero se encuentran en la ruta actual, por lo que el circuito de detección del BMS debe manejar un voltaje de modo común-igual al voltaje del paquete. No es trivial en un sistema de 400 V.
Las derivaciones también disipan energía. Una derivación de 100 µΩ a 500 A cae 50 mV y quema 25 W. Ese es el calor que tienes que controlar. Y la resistencia de la derivación varía con la temperatura, por lo que la lectura actual también varía a menos que se compense. Los diseños baratos de BMS no lo hacen. Luego, SOC se marcha en el transcurso de un día y nadie sabe por qué.
Temperatura
Los termistores son baratos. La ubicación es la parte difícil.
Un paquete puede tener 200 celdas pero solo 6-8 sensores de temperatura. ¿A dónde van? Las celdas en el centro geométrico se calientan más porque están rodeadas de otras fuentes de calor. Las celdas cercanas a la carcasa pierden calor al ambiente. Las celdas cercanas a las barras colectoras captan el calor conducido de conexiones de alta corriente. Un fabricante de sistemas de baterías de litio que hace esto ejecuta correctamente CFD o al menos un modelo térmico simplificado antes de comprometerse con las ubicaciones de los sensores. El resto pone un termistor por módulo y espera lo mejor.
El sensor tiene que tocar la celda. No flotar en el aire cerca de la celda. La temperatura del aire dentro de un recinto no dice casi nada sobre la temperatura de la superficie celular. Hemos visto diferencias de 8 a 10 grados entre el aire y la superficie de las celdas en paquetes que se veían bien en el papel.
El material de la interfaz térmica también importa. Un contacto seco entre el termistor y la celda tiene una alta resistencia térmica. La lectura va por detrás de la realidad. Para cuando el sensor muestre 45 grados, es posible que la celda ya esté en 52 grados y subiendo.
Qué hace el BMS con los datos
La estimación del SOC es lo principal. El conteo de Coulomb integra la corriente a lo largo del tiempo. La búsqueda de OCV correlaciona el voltaje en reposo con el estado de carga. Los filtros Kalman o similares combinan los dos. Ninguno de estos funciona perfectamente. El conteo de Coulomb se desvía porque la medición actual no es perfecta y nunca se puede saber el verdadero punto de partida. La búsqueda de OCV necesita que el paquete descanse por un tiempo, lo que no sucede en el funcionamiento continuo. El filtro de Kalman ayuda, pero es tan bueno como el modelo celular en el que está construido, y las células envejecen.
La estimación de SOH rastrea la degradación. La capacidad se desvanece, la resistencia crece. Por lo general, esto significa ejecutar periódicamente una carga o descarga controlada y compararla con la línea base. Algunos sistemas intentan estimarlo en línea a partir de datos operativos. Los resultados varían.
La lógica de protección es más simple. Voltaje demasiado alto, deje de cargar. Demasiado bajo, deje de descargar. Corriente demasiado alta, desconecte. Temperatura demasiado alta, reduzca o desconecte. Éstas son sólo comparaciones de umbrales. Conseguir los umbrales correctos requiere algo de atención:-si es demasiado estricto, se tropezará en falso- constantemente, si es demasiado flojo, dejará que las células se dañen.
Equilibrio
Las células se separan con el tiempo. El equilibrio pasivo quema el exceso de carga a través de resistencias, normalmente de 50 a 100 mA. Es lento. Durante un ciclo de carga de 4 horas, el equilibrio pasivo puede mover entre 200 y 400 mAh. Si sus celdas tienen 2000 mAh desequilibrados, eso no será suficiente.
El equilibrio activo transfiere carga entre celdas mediante inductores o condensadores. Mucho más rápido, más eficiente, más caro, más complicado. Para las soluciones de baterías de litio industriales en las que los paquetes realizan ciclos intensos a diario, el equilibrio activo tiene sentido. Para una mochila que se encuentra al 50% de SOC la mayor parte del tiempo con uso ocasional, pasiva está bien.
Comunicación
Autobús CAN para vehículos. Modbus para estacionario. Ambos funcionan. Elija lo que utilice el resto del sistema.
La conectividad en la nube suena bien sobre el papel. En la práctica, la mitad de los sitios tienen señal celular basura y el instalador no presupuestaba una antena externa. El registro de datos local con carga periódica funciona mejor para la mayoría de las implementaciones de proveedores comerciales de baterías de litio que asumir una conectividad constante.
Estándares
ISO 6469 y UN ECE R100 para automoción. UL 9540 para almacenamiento estacionario. OSHA y códigos de incendio locales para áreas de carga industriales. Un socio OEM de baterías de litio debe saber cuáles se aplican a su mercado objetivo. Los requisitos de monitoreo de aislamiento en los estándares automotrices hacen que las personas sean más que cualquier otra cosa en la producción en volumen.
La supervisión en tiempo real-no es opcional. La pregunta es cuánta precisión y sofisticación se necesita, y eso depende de las celdas, la aplicación y las consecuencias de hacerlo mal.
