Estructura básica y principio de funcionamiento de BMS para vehículos de nueva energía

No existe una definición estricta de sistema de gestión de baterías (BMS). Podemos entenderlo de la siguiente manera: Un sistema de gestión de baterías es un dispositivo que se utiliza para monitorear de forma segura y gestionar eficazmente el paquete de energía de la batería, manteniendo el funcionamiento normal del sistema de suministro de energía y extendiendo la vida útil de la batería. Se le conoce comúnmente como niñera de baterías o administrador de baterías. Puede monitorear el estado operativo de la batería (voltaje, corriente y temperatura de la batería), predecir la capacidad de la batería (SOC) y el rango de conducción restante correspondiente, y administrar la batería para evitar sobre-descarga, sobrecarga, sobrecalentamiento y desequilibrios graves de voltaje entre celdas individuales, maximizando la utilización de la capacidad de almacenamiento de la batería y su ciclo de vida.

Clasificación:

Los sistemas de gestión de baterías se pueden clasificar en sistemas distribuidos, sistemas centralizados y sistemas integrados según su estructura.

1. Sistema Distribuido

Definición central:

Un BMS distribuido, también conocido como BMS modular, se caracteriza por "funciones descentralizadas y gestión centralizada". Distribuye la adquisición de datos de la batería y algunas funciones de procesamiento a múltiples unidades de control esclavas independientes dentro del módulo de batería o paquete de baterías, mientras que una unidad de control maestra es responsable de los algoritmos avanzados y la comunicación del vehículo.

Análisis de Características Profesionales:

Ventajas:

• Alta escalabilidad y modularidad: al agregar o quitar unidades de control esclavas, puede adaptarse fácilmente a plataformas con diferentes niveles de potencia y voltaje, lo que facilita el diseño basado en plataformas-.
• Cableado simple y alta confiabilidad: el arnés de muestreo de cada módulo es extremadamente corto y ordenado, lo que reduce el riesgo de interferencia de la transmisión de señales analógicas de larga-distancia y mejora la precisión de las mediciones y la compatibilidad electromagnética del sistema.
• Alta seguridad: los puntos de muestreo de alto-voltaje están dispersos, lo que reduce el riesgo de intrusión de alto-voltaje en sistemas de bajo-voltaje. La unidad de control principal se puede ubicar lejos del área de alto-voltaje.

Desventajas:

• Alta complejidad del sistema: Requiere el desarrollo y gestión de dos unidades de hardware (maestro y esclavo) y protocolos de comunicación complejos.
• Costo relativamente alto: el costo total del hardware de múltiples unidades de control esclavas puede ser mayor.
• Aplicaciones típicas: vehículos eléctricos, sistemas de almacenamiento de energía a gran-escala, robots y otros escenarios que requieren alta modularidad, escalabilidad, seguridad y precisión.

2. Sistema Centralizado

Definición central:

El BMS centralizado adopta una arquitectura de "adquisición integrada y procesamiento centralizado". Todas las funciones están integradas en un único controlador central, y todas las señales de temperatura y voltaje de las celdas de la batería están conectadas directamente a los puertos de adquisición del controlador central a través de largos mazos de cables.

Análisis de Características Profesionales:

Ventajas:

• Estructura simple, bajo costo: controlador único, sin protocolo de comunicación maestro{0}}esclavo, desarrollo de software relativamente simple y el costo general más bajo en sistemas de pequeña-capacidad.
• Procesamiento directo de datos: todos los datos se procesan dentro de un solo chip, lo que elimina la necesidad de sincronización entre-nodos y retrasos en la transmisión.

Desventajas:

• Poca escalabilidad: los puertos de E/S del controlador son fijos, lo que dificulta la adaptación a sistemas con diferente número de baterías.
• Riesgo de alta confiabilidad: los arneses de muestreo de larga-distancia son susceptibles a interferencias, lo que reduce la precisión de las mediciones; Los numerosos y largos arneses dan como resultado una alta tasa de fallas en los conectores.
• Diseño inflexible: el controlador central debe estar cerca del paquete de baterías y el diseño del mazo de cables es fijo, lo que no favorece el diseño general del vehículo.
• Peligros para la seguridad: todos los puntos de muestreo de alto-voltaje están concentrados en un solo lugar, lo que plantea un riesgo de falla-en un solo punto que provoque la falla de todo el sistema.

Aplicaciones típicas: vehículos eléctricos de baja-velocidad, herramientas eléctricas, gabinetes de almacenamiento de energía de pequeña-capacidad y productos electrónicos de consumo con requisitos de costo y espacio extremadamente estrictos.

3. Sistema Integrado

Definición central:

El BMS integrado es el producto de una integración profunda de componentes eléctricos y mecánicos, que incorpora "integración de hardware y software, un alto grado de integración". Integra las funciones principales de hardware del BMS (como AFE, MCU) directamente en el tablero de control y protección del paquete de baterías y, a veces, incluso se integra físicamente con otros componentes dentro del paquete de baterías (como dispositivos de desconexión de alto-voltaje y sensores de corriente).

Análisis de Características Profesionales:

Ventajas:

• Tamaño pequeño, utilización de espacio extremadamente alta: muy adecuado para aplicaciones con espacio-limitado.
• Optimización de costes y cadena de suministro: Reduce materiales como carcasas y conectores, simplificando la producción y el montaje.
• Fuerte objetivo de rendimiento: diseño optimizado para paquetes de baterías específicos, logrando un rendimiento óptimo.

Desventajas:

• Casi ninguna escalabilidad: Profundamente integrado con el paquete de baterías, no se puede utilizar para sistemas de baterías de otras especificaciones.
• Mantenimiento y reemplazo difíciles: En caso de falla, generalmente requiere reemplazar todo el tablero de control o incluso todo el módulo del paquete de baterías.
• Desafíos de aislamiento y disipación de calor: la integración de alta-densidad plantea desafíos en el diseño de disipación de calor y mayores requisitos para el diseño de aislamiento de circuitos de alto y bajo voltaje.

Las aplicaciones típicas incluyen: electrónica de consumo, vehículos eléctricos de dos-ruedas, productos compactos de almacenamiento de energía para el hogar y paquetes de baterías para algunos vehículos PHEV/HEV que priorizan la utilización máxima del espacio.

El sistema de gestión de baterías consta principalmente de las siguientes partes: una unidad central de procesamiento (también llamada módulo de control principal o ECU), una unidad de adquisición de datos (módulo de adquisición BMU), una unidad de equilibrio, una unidad de visualización, componentes de control (relés, fusibles) y componentes de detección (detección de fugas, sensores de corriente, sensores de temperatura, etc.).

La unidad central de procesamiento consta de un tablero de control principal y un circuito de control de alto-voltaje; la unidad de adquisición de datos consta de un módulo de adquisición de temperatura y un módulo de adquisición de voltaje. En la mayoría de las aplicaciones, el módulo de equilibrio y el módulo de detección están integrados juntos; La unidad de visualización consta de un tablero de visualización, una pantalla LCD, un teclado y una computadora host. La tecnología CAN fieldbus se utiliza generalmente para realizar la comunicación de información entre estos componentes y con el sistema multi-energía del vehículo.

En el sistema de gestión de baterías de una batería-de iones de litio de un fabricante de vehículos de nueva energía, el sistema adopta una estructura maestra-esclava. Un módulo de control principal BMS puede controlar hasta 256 módulos de adquisición, y cada módulo de adquisición puede recopilar y procesar hasta 16 canales de voltaje y 8 canales de temperatura. Puede realizar monitoreo en tiempo real-del estado de carga y descarga de la batería, procesamiento de datos, estimación de SOC, estimación del alcance de conducción, control de carga y descarga y otras funciones.

El principio de funcionamiento principal del BMS se puede resumir simplemente de la siguiente manera: después de que el circuito de adquisición de datos recopila información sobre el estado de la batería, la unidad de control electrónico procesa y analiza los datos y luego emite comandos de control a los módulos funcionales relevantes dentro del sistema en función de los resultados del análisis y transmite información al mundo exterior.

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El uso de baterías en sistemas de energía de automóviles es un proceso complejo. Las baterías deben mejorar la seguridad, la densidad de potencia y la densidad de energía, y reducir la tasa y el costo de autodescarga. Además, es necesario considerar muchas cuestiones especiales relacionadas con su uso en vehículos, como la consistencia de la batería, las conexiones entre-baterías, la protección contra fugas y la seguridad de alto-voltaje, la ventilación y la disipación de calor, la impermeabilización y protección contra el polvo del paquete de baterías y la mantenibilidad del sistema. Sólo resolviendo estos problemas se podrán utilizar ampliamente las baterías eléctricas en los vehículos eléctricos.

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