Monitor de Batería Maximiza el Rendimiento de las Baterías de Vehículos Eléctricos

El BMS puede mejorar la eficiencia operativa de las baterías de vehículos eléctricos

Un BMS avanzado puede ayudar a los vehículos eléctricos a extraer eficientemente una cantidad significativa de carga del paquete de baterías durante su operación. Puede medir con precisión el estado de carga (SOC) de la batería para extender su tiempo de funcionamiento o reducir su peso, y mejorar la seguridad de la batería al evitar sobrecargas eléctricas en forma de descarga profunda, sobrecarga, sobrecorriente y exceso de estrés térmico.   La función principal del BMS es monitorear los parámetros físicos durante la operación de la batería, asegurándose de que cada celda individual dentro del paquete de baterías se mantenga dentro de su área segura de operación (SOA). Supervisa las corrientes de carga y descarga, los voltajes de las celdas individuales y la temperatura general del paquete de baterías. Basándose en estos valores, no solo garantiza el funcionamiento seguro de la batería, sino que también facilita los cálculos de SOC y del estado de salud (SOH).   Otra función crucial proporcionada por el BMS es el equilibrio de celdas. En un paquete de baterías, las celdas individuales pueden estar conectadas en paralelo o en serie para lograr la capacidad y el voltaje operativo deseados (hasta 1 kV o más). Los fabricantes de baterías intentan proporcionar celdas idénticas para el paquete de baterías, pero lograr una uniformidad perfecta no es físicamente realista. Incluso pequeñas diferencias pueden conducir a variaciones en los niveles de carga o descarga, y la celda más débil en el paquete de baterías puede afectar significativamente el rendimiento general. El equilibrio preciso de celdas es una característica vital del BMS, asegurando el funcionamiento seguro del sistema de batería a su capacidad máxima.

El BMS inalámbrico elimina el cableado de comunicación, reduciendo la complejidad

Las baterías de vehículos eléctricos están compuestas por varias celdas conectadas en serie. Un paquete de baterías típico, con 96 celdas en serie, genera más de 400 V cuando se carga a 4.2 V. Cuantas más celdas tenga el paquete de baterías, mayor será el voltaje que se alcance. Si bien las corrientes de carga y descarga son las mismas para todas las celdas, es necesario monitorear el voltaje de cada celda.
 
Para acomodar la gran cantidad de baterías necesarias en sistemas automotrices de alta potencia, las múltiples celdas de batería suelen dividirse en varios módulos y distribuirse por todo el espacio disponible en el vehículo. Un módulo típico consta de entre 10 y 24 celdas y puede montarse en diferentes configuraciones para adaptarse a diversas plataformas de vehículos. El diseño modular sirve como base para paquetes de baterías grandes, permitiendo que el paquete de baterías se distribuya en un área mayor, optimizando así de manera más efectiva el uso del espacio.
 
Para soportar una topología modular distribuida en el entorno de alta EMI (interferencia electromagnética) de vehículos eléctricos/híbridos, es esencial un sistema de comunicación robusto. El bus CAN aislado es adecuado para interconectar módulos en este entorno. Aunque el bus CAN proporciona una red completa para interconectar módulos de baterías en aplicaciones automotrices, requiere muchos componentes adicionales, lo que aumenta los costos y el espacio en la placa de circuito. Además, si los Sistemas de Gestión de Baterías (BMS, por sus siglas en inglés) modernos adoptan conexiones cableadas, esto presenta desventajas significativas. El cableado se convierte en un desafío, ya que los cables deben dirigirse a diferentes módulos, lo que agrega peso y complejidad. Asimismo, los cables son propensos a captar ruido, lo que requiere un filtrado adicional.
 
El BMS inalámbrico es una arquitectura novedosa que elimina la necesidad de cableado de comunicaciones. En un BMS inalámbrico, la interconexión entre cada módulo se logra mediante conexiones inalámbricas. La conexión inalámbrica en paquetes de baterías grandes con múltiples celdas reduce la complejidad del cableado, disminuye el peso, reduce costos y mejora la seguridad y confiabilidad. Sin embargo, la comunicación inalámbrica enfrenta desafíos en entornos de alta EMI y obstáculos de propagación de señales causados por componentes metálicos que actúan como blindaje de RF.

Las redes inalámbricas integradas pueden mejorar la confiabilidad y la precisión

The SmartMesh® embedded wireless network, introduced by ADI, has undergone on-site validation in Industrial Internet of Things (IoT) applications. It achieves redundancy through the use of path and frequency diversity, providing connections with reliability exceeding 99.999% in challenging environments such as industrial and automotive settings.
 
In addition to enhancing reliability by creating multiple redundant connection points, wireless mesh networks also extend the functionalities of BMS. The SmartMesh wireless network enables flexible placement of battery modules and improves the calculation of battery SOC and SOH. This is achieved by collecting more data from sensors installed in locations previously unsuitable for wiring. SmartMesh also provides time-correlated measurement results from each node, enabling more precise data collection.
 
ADI has integrated the LTC6811 battery stack monitor with ADI SmartMesh network technology, representing a significant breakthrough. This integration holds the potential to enhance the reliability of large multi-cell battery packs in electric and hybrid vehicles while reducing costs, weight, and wiring complexity.
 
The LTC6811 is a battery stack monitor designed for multi-cell battery applications. It can measure the voltage of up to 12 series-connected cells with a total measurement error of less than 1.2mV. The measurement of all 12 cells can be completed within 290μs, and a lower data acquisition rate can be selected for high noise reduction. The LTC6811 has a battery measurement range of 0V to 5V, suitable for most battery chemistry applications. Multiple devices can be daisy-chained to simultaneously monitor very long high-voltage battery stacks. The device includes passive balancing for each cell, and data exchange occurs on either side of an isolation barrier, compiled by the system controller. The controller is responsible for calculating SOC, controlling battery balancing, checking SOH, and ensuring the entire system stays within safe limits.
 
Moreover, multiple LTC6811 devices can be daisy-chained, allowing simultaneous monitoring of long high-voltage battery stacks. Each LTC6811 has an isoSPI interface for high-speed and RF-resistant remote communication. When using LTC6811-1, multiple devices are connected in a daisy-chain, and all devices share one host processor connection. When using LTC6811-2, multiple devices are connected in parallel to the host processor, and each device is individually addressed.
 
The LTC6811 can be powered directly from the battery pack or an isolated power source and features passive balancing for each battery cell, along with individual PWM duty cycle control for each cell. Other features include a built-in 5V regulator, 5 general-purpose I/O lines, and a sleep mode (where current consumption is reduced to 4μA).

El balanceo de celdas se utiliza para optimizar la capacidad y el rendimiento de la batería

El balanceo de celdas tiene un impacto significativo en el rendimiento de las baterías porque, incluso con una fabricación y selección precisas, pueden surgir ligeras diferencias entre ellas. Cualquier desajuste de capacidad entre las celdas puede conducir a una reducción en la capacidad total del paquete de baterías. Claramente, la celda más débil en el conjunto dominará el rendimiento de todo el paquete de baterías. El balanceo de celdas es una técnica que ayuda a superar este problema igualando el voltaje y el estado de carga (SOC, por sus siglas en inglés) entre las celdas cuando la batería está completamente cargada.   La tecnología de balanceo de celdas se puede dividir en tipos pasivos y activos. Al utilizar un balanceo pasivo, si una celda está sobrecargada, la carga excedente se disipa en una resistencia. Por lo general, se emplea un circuito de derivación que consta de una resistencia y un MOSFET de potencia utilizado como interruptor. Cuando la celda está sobrecargada, el MOSFET se cierra, disipando el exceso de energía en la resistencia. El LTC6811 utiliza un MOSFET integrado para controlar la corriente de carga de cada celda monitoreada, equilibrando así cada celda bajo monitoreo. El MOSFET integrado permite un diseño compacto y puede cumplir con un requisito de corriente de 60 mA. Para corrientes de carga más altas, se puede usar un MOSFET externo. El dispositivo también dispone de un temporizador para ajustar el tiempo de balanceo.   Por otro lado, el balanceo activo implica redistribuir el exceso de energía entre otras celdas dentro del módulo. Este enfoque permite la recuperación de energía y una menor generación de calor, pero con el inconveniente de requerir un diseño de hardware más complejo.   ADI ha introducido una arquitectura que utiliza el LT8584 para lograr el balanceo activo de baterías. Esta arquitectura desvía activamente la corriente de carga y devuelve energía al paquete de batería, abordando los problemas asociados con los balanceadores pasivos. La energía no se disipa en forma de calor, sino que se reutiliza para recargar las baterías restantes en el conjunto. Además, la arquitectura de este dispositivo resuelve un problema en el que una o más celdas en el conjunto alcanzan un umbral de voltaje bajo seguro antes de que se agote toda la capacidad del conjunto, lo que resulta en un tiempo de funcionamiento reducido. Solo el balanceo activo puede redistribuir la carga desde las celdas más fuertes a las más débiles, permitiendo que las celdas más débiles continúen suministrando energía a la carga y extrayendo un porcentaje más alto de energía del paquete de baterías. La topología de tipo "flyback" permite que la carga se mueva de un punto a otro dentro del paquete de baterías. En la mayoría de las aplicaciones, la carga se devuelve al módulo de batería (12 celdas o más), mientras que en otras aplicaciones, la carga se devuelve al conjunto completo de baterías o a los rieles de energía auxiliares.   El LT8584 es un convertidor DC/DC de tipo "flyback" monolítico diseñado específicamente para el balanceo activo de paquetes de baterías de alto voltaje. La alta eficiencia del regulador conmutado aumenta significativamente la corriente de balanceo alcanzable mientras reduce la disipación de calor. Además, el balanceo activo permite la recuperación de capacidad en conjuntos de baterías desparejas, una característica que no es posible con los sistemas de balanceo pasivo. En sistemas típicos, se puede alcanzar más del 99% de la capacidad total de la batería.   El LT8584 cuenta con un interruptor de potencia integrado de 6A y 50V, reduciendo la complejidad del diseño del circuito de aplicación. El dispositivo opera completamente dependiendo de las celdas que está descargando, eliminando la necesidad de esquemas de polarización complejos generalmente requeridos al usar interruptores de potencia externos. El pin de habilitación (DIN) está diseñado para coordinarse perfectamente con los circuitos integrados de monitoreo de conjuntos de baterías de la serie LTC680x. Además, cuando se utiliza en conjunto con dispositivos de la serie LTC680x, el LT8584 proporciona funciones de telemetría del sistema, incluyendo monitoreo de corriente y temperatura. Cuando está deshabilitado, el LT8584 consume típicamente menos de 20nA de corriente estática total de la batería.

Conclusión

La clave para los vehículos de bajas emisiones radica en la electrificación, pero también requiere una gestión inteligente de las fuentes de energía (como las baterías de iones de litio). Una gestión inadecuada podría hacer que el paquete de baterías sea poco fiable, reduciendo significativamente la seguridad del vehículo. Tanto el balance de batería activo como el pasivo contribuyen a una gestión segura y eficiente de las baterías. Los módulos de batería distribuidos son fáciles de mantener y pueden transmitir datos de manera confiable al controlador del sistema de gestión de baterías (BMS), ya sea por medios cableados o inalámbricos, lo que permite cálculos fiables de SOC y SOH. ADI ofrece una amplia gama de componentes para BMS que pueden ayudar a los clientes a acelerar el desarrollo de sistemas de gestión de baterías, asegurando una gestión más eficiente de la eficiencia operativa y la seguridad de las baterías de los vehículos eléctricos.