Las baterías de iones de litio se utilizan ampliamente para diferentes aplicaciones. La química de los materiales de iones de litio no puede soportar sobrecargas, sobredescargas, sobrecorrientes, cortocircuitos y temperaturas ultraaltas. Baterías de iones de litio, especialmente paquetes de baterías de iones de litio personalizados, necesita un BMS (sistema de gestión de batería) para garantizar que la batería sea confiable y segura. El sistema de gestión de la batería es el cerebro de la batería de litio e informa el estado y la salud de la batería. Comprendámoslo mejor con este artículo.
¿Qué es un sistema BMS?
El BMS (Sistema de gestión de batería) sirve como componente de protección del circuito de la batería. Monitorea y regula continuamente el voltaje y la corriente, garantizando un rendimiento y seguridad óptimos.
El componente principal de la batería BMS:
- PCB Hay tres tipos de placas PCB normales: placa simple, placa de doble cara y placa de cuatro capas.
- El mejor BMS para baterías de litio debe adoptar los circuitos integrados de marcas famosas que deciden el precio y la calidad.
- Mosfet actúa como un interruptor en el circuito. Sin embargo, la resistencia del MOSFET afecta el rendimiento de la batería. El Mosfet de alta calidad tiene una resistencia más pequeña, lo que hace que la batería de iones de litio tenga una resistencia más pequeña y una carga más fuerte. Además, el mosfet de alta calidad tiene poco consumo de energía.
- NTC, que mide la temperatura lateral de la batería de Li-ion.
Topología BMS
La topología BMS centralizada, la topología BMS distribuida y la topología BMS modular son tres tipos principales de topología. La topología del sistema de gestión de baterías desempeña un papel fundamental a la hora de determinar cómo se monitorizan, controlan y mantienen los paquetes de baterías.
Topología BMS centralizada
En la topología BMS centralizada, una única placa de circuito impreso (PCB) BMS contiene una unidad de control que monitoriza todas las celdas de la batería mediante múltiples canales de comunicación. Este diseño resulta en un BMS más grande y menos flexible. Sin embargo, su rentabilidad y simplicidad lo hacen popular para aplicaciones de bajo consumo, como bicicletas eléctricas, dispositivos IoT y herramientas eléctricas.
Topología BMS distribuida
La arquitectura BMS distribuida equipa cada módulo de batería con una placa de control independiente. Todos los módulos están conectados al controlador maestro central mediante CAN para la transmisión de datos y comandos.
La ventaja de esta arquitectura es su alta confiabilidad. Cada módulo cuenta con una función de monitoreo, y el fallo de un módulo no afecta a los demás. Ofrece una gran escalabilidad y permite ajustar el tamaño del sistema añadiendo y quitando módulos, lo que la hace ideal para vehículos y barcos eléctricos. Sin embargo, su desventaja es que requiere la gestión de múltiples unidades de hardware y redes de comunicación, lo que hace que el sistema sea complejo y costoso.
Topología BMS modular
En la topología modular BMS, se implementan múltiples unidades de control esclavas en la PCB a nivel de módulo, cada una de las cuales monitoriza el voltaje y la temperatura de un módulo de batería específico. Estas unidades de control se conectan con la unidad de control principal a través de CAN, que está integrada en la PCB de control maestra y se encarga de la integración de datos.
La topología modular del BMS permite una expansión flexible, pero el control de la comunicación es más complejo, lo que lo convierte en la opción ideal para el almacenamiento de energía en contenedores. Al mismo tiempo, su fácil mantenimiento puede compensar el aumento de los costos de integración.
La siguiente tabla muestra la descripción, ventajas y desventajas y aplicaciones de las tres topologías:
| topología | Descripción | Ventajas | Desventajas | Solicitud |
| Centralizado | Una única unidad de control supervisa y controla todo el paquete de baterías. | Sencillo, fácil de implementar | Cableado menos confiable y voluminoso | herramientas eléctricas, robots inteligentes, casas inteligentes IOT, carretillas elevadoras eléctricas, bicicletas eléctricas, carros de golf eléctricos. |
| Distribuido | Cada paquete de baterías tiene su propia placa BMS | Más confiable y escalable | Más complejo, caro | Vehículos eléctricos, barcos, etc. |
| Modular | Grupos de baterías divididos en módulos con BMS individuales | Flexible, escalable | Más complejos, requieren comunicación. | Sistema de almacenamiento de energía en contenedores (EMS), central eléctrica de almacenamiento de energía. etc. |
Tecnología de equilibrio de batería
La tecnología de balanceo de baterías iguala el estado de carga (SOC) de todas las baterías en un paquete multicelda. Esta tecnología prolonga la vida útil del paquete de baterías y garantiza un funcionamiento seguro. El balanceo pasivo y el balanceo activo son dos métodos comunes de balanceo de baterías.
Equilibrado pasivo de la batería
También conocido como balanceo disipativo de energía, libera el exceso de energía en baterías de alta capacidad mediante la liberación de calor por resistencia. Cuando una celda alcanza la carga completa antes que otras durante la carga, este método disipa el exceso de energía mediante resistencias para evitar la sobrecarga. Las ventajas del balanceo pasivo de baterías incluyen una arquitectura de circuito simple y un bajo costo. Sin embargo, presenta una baja eficiencia energética y exige más gestión térmica de la batería.
Equilibrio activo de la batería
Se conoce como balanceo de transferencia de energía. El balanceo activo de la batería es más flexible. Durante la carga, transfiere el exceso de energía a una batería de baja capacidad. Durante la descarga, transfiere el exceso de energía a una batería de alta capacidad. En comparación con el balanceo pasivo, el balanceo activo es más eficiente en el uso de energía, pero también aumenta el costo del diseño del circuito.
Sistema de gestión térmica de la batería
Los sistemas de gestión térmica de baterías (BTMS) desempeñan un papel fundamental para mantener un rango óptimo de temperatura de funcionamiento de las baterías, especialmente en vehículos eléctricos. Garantizan la seguridad, la eficiencia y la vida útil de la batería. Estos sistemas forman parte del sistema de gestión de baterías (BMS) y están diseñados para controlar la refrigeración y la calefacción del paquete de baterías. El proceso operativo principal incluye:
1. Monitoreo de temperatura
Se instalan múltiples sensores de temperatura dentro del paquete de baterías para monitorear su temperatura en tiempo real. Estos sensores transmiten los datos de temperatura recopilados a la Unidad de Gestión de Baterías (BMU).
2. Procesamiento y control de datos
La BMU recibe los datos de temperatura y los analiza y procesa. Formula una estrategia de gestión térmica basada en la temperatura de la batería y el estado de carga y descarga.
3. Implementación de la estrategia de gestión térmica
- Estrategia de refrigeración por aire: La CAN transmite datos de alta temperatura desde la BMU al BMS, lo que activa dispositivos de refrigeración por aire, como ventiladores, para aumentar el flujo de aire y disipar el calor. La eficiencia de refrigeración se optimiza controlando la velocidad de los ventiladores y diseñando conductos de aire.
- Estrategia de refrigeración líquida: Un refrigerante circulante absorbe el calor mediante placas frías fijadas a los módulos de la batería. El refrigerante calentado transfiere el calor al exterior mediante radiadores. El caudal del refrigerante se ajusta según la monitorización de la temperatura de la batería en tiempo real.
- Aislamiento térmico y ecualización: Los materiales de aislamiento térmico se utilizan para aislar el calor entre los módulos, evitando escapes térmicos Causada por la transferencia de calor. La tecnología de equilibrio térmico minimiza la diferencia de temperatura entre celdas, garantizando una distribución uniforme de la temperatura en toda la batería.
4. Advertencia y protección
Si la temperatura de la batería supera el rango de seguridad, el BMS emite una señal de advertencia para alertar al técnico. En casos extremos, el BMS activa el modo de protección de emergencia, como desactivar las funciones de carga/descarga de la batería.
¿Cómo funciona un BMS?
Activar el BMS
Cuando el BMS P+ y P- no tienen salida en el estado de protección. Puede activar el BMS cortocircuitando B+ y B-. Dout y Cout estarán en un nivel bajo (los dos puertos de protección son protección de alto nivel). El Estado apoya los interruptores abiertos.
Cargo
P+ y P- están conectados a los polos positivo y negativo del cargador. La corriente de carga pasa a través del MOS para cargar la batería. El VDD y el VSS del IC de protección son el terminal de fuente de alimentación y el terminal de detección de voltaje de la celda. El voltaje de la celda de la batería continúa aumentando. Cuando aumenta al voltaje de protección de la celda de la batería (voltaje de protección contra sobrecarga), en este momento COUT generará un nivel alto para apagar el interruptor MOS correspondiente y el circuito de carga también se apagará. , después de la protección contra sobrecarga, el voltaje de la celda caerá. Cuando cae al umbral de voltaje IC (voltaje de recuperación de protección contra sobrecarga), Cout vuelve a un estado de bajo nivel y enciende el tubo MOS.
Descarga
El VDD y el VSS del IC también detectan el voltaje de la batería cuando la batería está descargada. Cuando el voltaje de la celda cae al umbral IC (voltaje de protección contra sobredescarga), Dout genera aleatoriamente un nivel alto para apagar el transistor MOS correspondiente. El circuito de descarga está desconectado. Después de la protección contra sobredescarga, el voltaje de la celda aumentará. Cuando alcanza el voltaje umbral (voltaje de recuperación de protección contra sobredescarga), Dout vuelve a un nivel bajo para encender el interruptor MOS.
Sobrecorriente y cortocircuito
Cuando la corriente de descarga es demasiado grande, la resistencia interna del MOSFET (en conducción saturada) provoca una caída de tensión en sus terminales, de B- a P-. El CI de protección monitoriza esta tensión mediante los pines V- y VSS mediante la resistencia R2. Una vez que la tensión alcanza el umbral de detección de sobrecorriente (normalmente 0.15 V), el CI activa una respuesta: Dout emite una señal alta, desactivando el MOSFET y desconectando inmediatamente el circuito de descarga para evitar daños.
Proceso de trabajo del CNT
La batería funciona sin sobrepasos, sobrecorrientes ni sobredescargas. Sin embargo, la temperatura de la batería aumenta debido a las largas horas de funcionamiento y el NTC se coloca cerca de la celda de la batería para controlar la temperatura de la batería. A medida que aumenta la temperatura, aumentará la resistencia del NTC. Cuando la resistencia cae al valor establecido, la CPU emitirá un comando de apagado para detener la carga de la batería, protegiéndola así.
Un BMS tiene protección contra sobrecarga, descarga, cortocircuito y protección de temperatura.
La diferencia entre el sistema de gestión de batería inteligente y el sistema de gestión de batería de hardware
La tecnología del hardware BMS es más estable que los sistemas inteligentes de gestión de baterías. El ingeniero de software codifica el BMS de hardware que administra o monitorea el estado del paquete de baterías. El BMS es el cerebro de la batería de iones de litio. No sólo somos buenos diseñando y desarrollando el BMS sino también inspeccionando los riesgos. El sistema de gestión de batería gestiona el rendimiento de la batería de iones de litio. El BMS inteligente tiene los protocolos de comunicación UART, I2C, CANBUS,rs232 y rs485. El BMS inteligente es más seguro e inteligente que el BMS de hardware.
CMB Equipo de ingeniería Siempre busca un rendimiento confiable y excelente en paquetes de baterías recargables de iones de litio y BMS.
Las principales funciones del sistema de gestión de baterías
Protección de sobrecarga
La protección contra sobrecarga significa que durante el proceso de carga de las baterías de litio, a medida que el voltaje aumenta más allá del rango razonable, traerá peligros inciertos. La función de protección contra sobrecarga del tablero de protección es monitorear el voltaje del paquete de baterías en tiempo real. Cuando se carga al máximo del rango de voltaje seguro, cortará el suministro de energía para evitar que el voltaje continúe aumentando, desempeñando así un papel protector.
Durante la carga, la placa de protección controlará el voltaje de cada cadena del paquete de baterías en tiempo real, siempre que una de las cadenas alcance el valor de protección contra sobrecarga (el voltaje de carga predeterminado es 3.75 V ± 0.05 V), la placa de protección Cortará el suministro de energía y todo el conjunto de baterías de litio dejará de cargarse.
Protección contra sobredescarga
La protección contra sobredescarga significa que durante el proceso de descarga de las baterías de litio, a medida que cae el voltaje, si toda la electricidad se descarga por completo, los materiales químicos dentro de la batería de litio perderán su actividad, lo que provocará una falla en la carga o una disminución de la capacidad. La función de protección contra sobredescarga del tablero de protección es monitorear el voltaje del paquete de baterías en tiempo real. Cuando el voltaje de la batería se descarga al punto más bajo, cortará el suministro de energía para evitar que el voltaje continúe cayendo, desempeñando así un papel protector.
Al descargar, la placa de protección monitoreará el voltaje de cada cadena del paquete de baterías en tiempo real, siempre que una de las cadenas alcance el valor de protección de sobredescarga (el voltaje de sobredescarga predeterminado del ternario es 2.7 V ± 0.1 V, y el voltaje de sobredescarga predeterminado del hierro-litio es 2.2 VV ± 0.1 V), la placa de protección cortará el suministro de energía y todo el conjunto de baterías de litio dejará de descargarse.
Protección contra la sobretensión
La protección contra sobrecorriente significa que cuando la batería de litio suministra energía a la carga, la corriente cambiará con el cambio de voltaje y potencia. Cuando la corriente es grande, es fácil quemar la placa de protección, la batería o el equipo. La función de protección contra sobrecorriente del tablero de protección es monitorear la corriente del paquete de baterías en tiempo real durante el proceso de carga y descarga. El circuito de protección contra sobrecorriente corta el flujo de corriente cuando la corriente excede el rango seguro para proteger la batería o el equipo contra daños.
Durante la carga y descarga, la placa de protección controlará la corriente del paquete de baterías en tiempo real. Una vez que se alcanza el valor de protección contra sobrecorriente establecido, la placa de protección cortará el suministro de energía y toda la batería de litio dejará de cargarse y descargarse.
Protección contra cortocircuitos
Un cortocircuito se forma cuando los terminales positivo y negativo de una batería se conectan directamente sin carga alguna. Un cortocircuito puede causar daños a la batería y a los dispositivos.
Cuando la batería de litio provoca accidentalmente un cortocircuito (como cableado incorrecto, cableado incorrecto, entrada de agua, etc.), la placa de protección cortará el flujo de corriente en un tiempo muy corto (0.00025 segundos), desempeñando así un papel en Efectos protectores.
Protección de la temperatura
Protección de control de temperatura: la sonda de control de temperatura de la placa de protección de hardware está soldada a la placa principal dentro de la placa de protección y no se puede enchufar. La sonda de control de temperatura puede monitorear el cambio de temperatura del paquete de baterías o del entorno de trabajo en tiempo real. El sistema de protección de control de temperatura del paquete de baterías desconectará la carga y descarga cuando la temperatura exceda el valor establecido (predeterminado: carga -20~55°C, descarga -40~75°C). El sistema volverá a conectar la carga y descarga cuando la temperatura vuelva a un rango razonable.
Protección de equilibrio
La ecualización pasiva significa que cuando hay una inconsistencia de voltaje entre las cadenas de baterías, la placa de protección ajustará el voltaje de cada cadena para que sea consistente durante el proceso de carga.
Cuando el tablero de protección detecta una diferencia de voltaje entre las cadenas de baterías de litio. La placa de protección descarga (consume) alrededor de 30-35 mA de las cadenas de alto voltaje a través de la resistencia de equilibrio durante la carga, cuando el número de cadenas de alto voltaje alcanza el valor de equilibrio (LiNiCoMnO2: 4.13 V, LiFePO4: 3.525 V), y el otras cadenas de bajo voltaje continúan cargándose hasta que estén llenas.
La batería BMS es el corazón del paquete de baterías. El sistema de gestión de batería (BMS) informa el estado de la batería y el rendimiento del paquete de baterías de iones de litio. Esto es obvio y confirma claramente la solicitud electrónica de adaptar la solución BMS a la batería de iones de litio. CMB Mano de obra diseño del sistema de gestión de baterías ofrece un seguimiento exhaustivo de paquetes de baterías de iones de litio personalizados, que incluye seguimiento del voltaje de la celda, equilibrio de la celda y lecturas detalladas del estado de salud a través de la aplicación y la PC.
