Un sistema de gestión de batería (BMS) es un sistema o circuito electrónico que monitorea la carga, descarga, temperatura y otros factores que influyen en el estado de una batería o paquete de baterías, con el objetivo general de indicar con precisión el tiempo restante disponible para su uso. Se utiliza para monitorear y mantener la salud y la capacidad de una batería.
Los dispositivos BMS actuales son avanzados y a menudo brindan notificaciones emergentes, como las que probablemente haya visto en una computadora portátil o un teléfono inteligente. Como mínimo, estos sistemas deben proporcionar:
- Monitoreo de voltaje (estado de carga)
- Duración de la batería y estado general (estado de salud)
- Monitoreo de temperatura y condición (área de operación segura)
- tiempo de carga
Un sistema de gestión de batería también puede ofrecer funciones adicionales según la aplicación. Por ejemplo, una pantalla BTS en vehículos eléctricos puede indicarle cuántas millas o kilómetros puede recorrer el vehículo de forma segura antes de la siguiente carga.
En este artículo, aprenderemos cómo funciona un sistema de administración de batería, incluido cómo calcula y monitorea la duración de la batería.
Entendiendo un BMS
Normalmente, un BMS recibe información de la batería que está monitoreando, la procesa en un algoritmo y luego genera la salida. Los datos de salida incluyen el estado de cambio (SOC), el estado de salud (SOH), así como una señal de estado y fallo.
Se puede utilizar un BMS para una batería de una o varias celdas. El siguiente circuito muestra tres celdas conectadas en serie, donde el BMS mide el voltaje general así como el voltaje de cada celda. También monitorea la corriente a través de una corriente en derivación o un sensor de efecto Hall.
También hay disponibles transistores de efecto de campo semiconductores de óxido metálico (MOSFET), como transmisores de efecto de campo de control de carga o descarga (CFET y DFET), que proporcionan capacidades integradas de carga y descarga. Estos MOSFET brindan una ventaja de seguridad adicional al terminar una carga o cargas durante una condición de falla. En este caso, el cargador y la carga están conectados para “comunicarse”.
Área de operación segura
Un BMS proporciona un uso seguro y confiable de la batería. Por ejemplo, puede proteger una batería contra condiciones de temperatura excesiva o baja y sobrecarga o descarga excesiva.
La temperatura y el voltaje de funcionamiento siempre deben estar en un área de funcionamiento segura (SOA), que se indica en el gráfico de voltaje versus temperatura a continuación. El valor en un gráfico como este siempre debe seguir la hoja de datos del fabricante del BMS, ya que hay diferentes sistemas disponibles.
Esta es una condición de sobrecalentamiento si la temperatura de la batería excede el SOA debido a condiciones excesivamente calientes o calientes. Se considera peligroso ya que puede derretir células y circuitos. La carcasa de una batería de plástico generalmente se ablanda a alrededor de 200 F y se derrite por encima de 300 F. En casos extremos, la batería también puede derretirse o explotar.
Así como el calor acelera las reacciones químicas, las temperaturas frías las ralentizan. Una condición de baja temperatura puede ser causada por temperaturas frías o heladas, que también pueden afectar la batería y su capacidad para proporcionar energía.
Un voltaje que excede sus límites de estado ideal y excede el SOA es una sobrecarga, que daña la batería y la deja inoperable. Cuando el voltaje cae por debajo de su límite estatal, se considera una carga insuficiente. Las cuatro condiciones pueden dañar la batería o ser peligrosas.
Un BMS confiable monitorea cada celda del circuito y brinda protección al finalizar la carga de la batería si supera cualquiera de los estados ideales.
estado de salud
El estado de salud (SOH) se refiere a la capacidad o condición actual de una batería en comparación con su estado ideal. SOH ayuda a determinar el porcentaje de duración de la batería disponible o restante.
En el siguiente gráfico, la capacidad de la batería disminuye durante el ciclo de carga o descarga.
¿Cómo se determina el SOH?
Los parámetros que cambian con la edad de una batería, como la impedancia o la conductancia, se pueden utilizar para determinar el SOH de una celda. Cuando estos parámetros aumentan, el rendimiento de la batería disminuye mientras que su temperatura aumenta. La impedancia mide la oposición de un circuito a una corriente cuando se aplica un voltaje. La conductancia es el grado en que un objeto conduce electricidad, calculado como la relación de corriente.
Para medir SOH, es necesario registrar la impedancia o conductancia inicial, que normalmente se proporciona en la hoja de datos del fabricante. Para probar la impedancia o conductancia de una batería, aplique un pequeño voltaje de CA de frecuencia y amplitud conocidas "E" a través de la celda y mida la corriente de CA en fase "I" que fluye en respuesta a ella.
Dónde…
La impedancia es Z = E/I (“E” es el voltaje de CA a través de la celda y “I” es la corriente de CA que fluye a través de la batería)
La conductancia es C = I/E.
Por ejemplo…
E = 0,0024 V y I = 0,0033 A Z = 0,0024 / 0,0033 = 0,072 ohmios
La impedancia y la conductancia son inversas entre sí, donde la impedancia aumenta y la conductancia disminuye.
Ahora, supongamos que nos dan una impedancia que mide 70 miliohmios, pero al principio era de 50 miliohmios.
Porcentaje de impedancia =(impedancia actual / impedancia inicial)
= (70/50) x 100
= 140%
Porcentaje de aumento de impedancia = porcentaje de impedancia – 100
= 140 – 100 = 40%
La impedancia aumentó en un 40 por ciento. Ahora, calculemos el SOH.
La batería tiene una capacidad inicial de 1000 mAh y la impedancia ha aumentado en un 40 por ciento. A consecuencia…
Capacidad perdida = (porcentaje de impedancia/100) x capacidad inicial total
= (40/100) x 1000 = 400mAh
SOH = Capacidad inicial total – capacidad perdida
= 600 mAh
El porcentaje de impedancia también puede medir la temperatura. Digamos que el porcentaje inicial es 40 C.
Temperatura actual = (porcentaje de impedancia /100) x temperatura inicial + temperatura inicial
= (40/100) x 40 + 40
= 56ºC
En este caso, a medida que aumenta la impedancia, aumenta la temperatura de la batería, como se muestra en el gráfico siguiente.
Estado de carga
El estado de carga (SOC) indica cuánta energía queda en la batería y se calcula utilizando la capacidad restante de la batería en relación con la capacidad total de la batería. El estado de carga se puede indicar en porcentaje de la siguiente manera;
Porcentaje de SOC = (SOH / Capacidad total)
Aunque esta fórmula proporciona el SOC como porcentaje, no es completamente precisa porque no tiene en cuenta el hecho de que la capacidad total de la batería disminuye con el tiempo. Con el tiempo, la batería no alcanzará el 100% de carga completa. Por lo tanto, la capacidad total en la fórmula es el valor de SOH.
Esta ecuación da un resultado más preciso:
Porcentaje de COS = (SOC/SOH)
Si la capacidad inicial de la batería era de 1000 mAh, pero el SOH ahora es de 500 mAh y la capacidad restante es de 300 mAh, entonces:
Porcentaje de COS = (300/500) X 100 = 60%
¿Cómo se determina el SOC?
La forma más sencilla de determinar el estado de carga es medir el voltaje de carga y descarga de la batería. Sin embargo, esta no es la forma ideal de medir la capacidad porque la batería no tiene una curva de carga o descarga lineal. Por lo tanto, no todas las lecturas estarían representadas con precisión.
Considere, por ejemplo, la curva de carga y descarga de una batería de iones de litio en los gráficos siguientes. El voltaje de carga y descarga cambia gradualmente el estado de la batería hasta que la descarga final permanece estable.
El método ideal para medir la capacidad de la batería es mediante el conteo de Coulomb, que mide las corrientes de entrada y salida a lo largo del tiempo. Considera la corriente de descarga a lo largo del tiempo y la resta de los valores si la corriente de carga es la misma.
SOC = Capacidad total – (Corriente de descarga – Corriente cargada)
Hay varios métodos disponibles para medir la descarga o la corriente de carga, según el sistema de medición de la batería. Aquí están algunas:
Derivación de corriente: una derivación es una resistencia de bajo ohmio que se utiliza para medir la corriente y, por lo general, cuando la corriente excede el rango del dispositivo de medición. Toda la corriente fluye a través de la derivación y genera una caída de voltaje, que se mide. Este método introduce una ligera pérdida de potencia en la resistencia y calienta la batería.
Efecto Hall: este sensor mide el cambio de voltaje cuando el dispositivo se coloca en un campo magnético. Elimina el problema de pérdida de energía típico de la derivación de corriente, pero es costoso e incapaz de tolerar corrientes elevadas.
Magnetorresistencia gigante (GMR): estos sensores se utilizan como detectores de campo magnético que son más sensibles (y más caros) que los sensores de efecto Hall. Son increíblemente precisos.
Conteo de Coulomb: Coulomb implica medir la cantidad de corriente que fluye hacia o desde la batería. A continuación se muestra un gráfico que representa una corriente medida en diferentes momentos para determinar la corriente de descarga total versus el tiempo.
La medición de Coulomb es bastante complicada, pero se puede realizar mediante un microcontrolador.
