Los vehículos eléctricos (EV) tienen muchos beneficios sobre los vehículos con motor de combustión interna, incluido un rendimiento superior, alta densidad de energía, menos contaminación, excelente aceleración y más. Pero los vehículos eléctricos no son perfectos. Una desventaja importante es la necesidad de un costoso sistema de batería con requisitos de mantenimiento específicos, incluido un largo tiempo de carga.
Uno de los componentes principales de los vehículos eléctricos es el sistema de gestión de batería (BMS). Para satisfacer mayores requisitos de potencia y voltaje, los vehículos eléctricos utilizan paquetes de baterías con cientos de celdas conectadas en serie o en paralelo, lo que forma un sistema de batería complejo.
Cualquier condición de la batería que no sea la ideal, como sobrecorriente, sobretensión, sobrecarga o sobredescarga, provoca daños y envejecimiento. En el peor de los casos existe riesgo de incendio y explosión. Por estos motivos, se necesita un BMS para proporcionar un "bloqueo de seguridad" que garantice el rendimiento adecuado de la batería.
Sin embargo, las características del BMS (como la protección de corriente y voltaje durante los procesos de carga y descarga) dependen de las condiciones de funcionamiento de la batería (carga, vida útil, temperatura, etc.). Esto se hace parcialmente mediante el modelado de baterías, que proporciona un modelo matemático de una celda virtual que verifica que el BMS funcionará correctamente para la batería correspondiente.
El modelado de baterías incluye la batería:
- Monitoreo del estado
- Diseño de controlador en tiempo real
- Analisis fallido
- Gestión térmica
- Interpretación general del comportamiento.
Supervisión
El monitoreo del estado de la batería es necesario para optimizar la seguridad y el rendimiento de una batería, así como sus predicciones de vida útil y diagnósticos de envejecimiento. Las baterías gastadas acumulan una interfaz de electrolito robusta en el electrodo negativo. El diseño de la celda, el rendimiento de la batería y las circunstancias ambientales se encuentran entre los muchos factores que afectan la vida útil de una batería.
La evaluación del estado de carga de la batería (SoC) proporciona información sobre la capacidad restante de la batería como porcentaje de su capacidad total. La estimación de SoC tiene dos enfoques comúnmente utilizados: estimación directa y evaluación basada en modelos.
La estimación directa se basa en la medición primaria de los parámetros de la batería eléctrica (tensión y corriente). Los dos métodos de cálculo utilizados son sistemas basados en Amperios-hora (Ah) y tensión en circuito abierto (OCV). Sin embargo, planificar el SoC inicial y la precisión de la medición puede ser un proceso desafiante al ajustar el método Ah para el algoritmo de estimación de SOC.
Este enfoque depende en gran medida de la corriente medida, donde los errores acumulados con el tiempo influyen significativamente en la precisión de la estimación del SoC. También resulta complicado determinar el SoC de arranque preciso en situaciones del mundo real (por ejemplo, en el caso de que una batería sólo se cargue dentro de un rango insuficiente, digamos, del 10 al 90 por ciento).
Por otro lado, el método basado en OCV produce una alta precisión de estimación y ha sido aceptado como un método eficiente y popular para el cálculo de SoC. Existe una relación no lineal entre el SoC y el OCV de una batería. El procedimiento requiere suficiente reposo de la batería (la batería debe estar desconectada de cargadores y cargas). El principal punto débil de este método son las horas de silencio. Generalmente toma mucho tiempo alcanzar la estabilidad después de desconectar la batería de la carga (puede tomar más de dos horas en circunstancias de baja temperatura).
La relación OCV-SoC también depende de la duración y la temperatura de la batería.
Temperatura
La temperatura de la batería es un factor fundamental que afecta el rendimiento, la vida útil, el rendimiento y la seguridad de la batería. Los sensores térmicos son adecuados para medir la temperatura exterior de una batería.
Sin embargo, esta información por sí sola no es adecuada porque la temperatura interna de la batería es un parámetro crítico para una gestión adecuada de la misma. La alta temperatura interna favorece el envejecimiento de la batería y provoca problemas de seguridad (por ejemplo, incendio). La temperatura interna de la batería a menudo cambia significativamente en relación con la temperatura de la superficie (hasta 12 °C en aplicaciones de alta potencia).
Producir un enfoque adecuado para la evaluación de la temperatura interna de la batería previene el envejecimiento acelerado de las baterías y respalda el algoritmo BMS para optimizar la descarga de energía de la batería.
Calificaciones
En general, los modelos de baterías se pueden clasificar en tres tipos principales:
1. eléctrico
2. Térmica
3. Modelos acoplados (otros modelos, como los cinéticos, rara vez se utilizan en el diseño de BMS).
El modelo eléctrico de batería involucra el modelo electroquímico, el modelo de orden reducido, el modelo de circuito proporcional y el modelo basado en datos. El modelo electroquímico presenta información sobre el comportamiento electroquímico de la batería. Este modelo puede ser extremadamente preciso, pero requiere simulación avanzada y esfuerzo computacional. Como resultado, resulta complicado emplear plenamente este modelo en una aplicación en tiempo real.
En consecuencia, el modelo eléctrico de orden reducido se produce como un modelo electroquímico simplificado basado en la física para determinar el estado de carga (SoC) de la batería de iones de litio. Los modelos eléctricos sencillos y de bajo orden proporcionan menos información pero son convenientes para aplicaciones de baterías en tiempo real.
La clave es monitorear la temperatura de la batería como parte de un BMS exitoso. El rendimiento de una batería puede deteriorarse si se utiliza a temperaturas más altas o más bajas. Por lo general, se utilizan sistemas de enfriamiento separados para mantener la temperatura adecuada de la batería. Por ejemplo, Tesla utiliza una configuración de batería patentada con un sistema de refrigeración basado en placas para disipar el calor y controlar la temperatura de la batería.
La batería acoplada El modelo electrotérmico captura las operaciones eléctricas (corriente, voltaje, SoC) y térmicas (temperatura superficial e interna) de la batería, simultáneamente. Ya se han desarrollado varios modelos electrotérmicos acoplados.
Por ejemplo, un modelo electrotérmico 3D mide el SoC de la batería y calcula la generación y distribución de calor bajo corrientes continuas y dinámicas. Este modelo contiene un modelo de entrega potencial 2D y un modelo de distribución de temperatura 3D. Las baterías validaron un modelo electrotérmico reducido de baja temperatura con tres materiales catódicos. Este modelo es ideal para desarrollar solicitudes de calentamiento rápido y carga óptima en condiciones de baja temperatura.
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