El 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

El BMS avanzado puede ayudar a los vehículos eléctricos a extraer de manera eficiente una cantidad significativa de carga del paquete de baterías durante la operación. Puede medir con precisión el estado de carga (SOC) de la batería para extender el tiempo de funcionamiento de la batería o reducir el peso, y mejorar la seguridad de la batería implica evitar sobrecargas eléctricas en forma de descarga profunda, sobrecarga, sobrecorriente y 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 de operación segura (SOA). Monitorea las corrientes de carga y descarga, los voltajes de cada celda individual y la temperatura general del paquete de baterías. Con base en estos valores, no solo garantiza la operación segura de la batería, sino que también facilita los cálculos de SOC y estado de salud (SOH).   Otra función crucial proporcionada por el BMS es el balanceo 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 de operación 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 impactar significativamente en el rendimiento general. Un balanceo preciso de celdas es una característica vital del BMS, asegurando la operación segura del sistema de batería a su máxima capacidad.

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 haya en el paquete de baterías, mayor será el voltaje alcanzado. Aunque las corrientes de carga y descarga son las mismas para todas las celdas, es necesario monitorear el voltaje en cada celda.   Para acomodar la gran cantidad de baterías requeridas en sistemas automotrices de alta potencia, a menudo se dividen múltiples celdas de batería en varios módulos distribuidos por todo el espacio disponible en el vehículo. Un módulo típico consta de entre 10 y 24 celdas y puede ensamblarse en diferentes configuraciones para adaptarse a varias plataformas de vehículos. El diseño modular sirve como base para paquetes de baterías grandes, permitiendo que el paquete se distribuya en un área más amplia, optimizando así la utilización del espacio de manera más efectiva.   Para soportar una topología modular distribuida en el entorno de alta EMI de los vehículos eléctricos/híbridos, es esencial un sistema de comunicación robusto. El bus CAN aislado es adecuado para interconectar módulos en este entorno. Si bien el bus CAN proporciona una red integral para la interconexión de módulos de batería en aplicaciones automotrices, requiere muchos componentes adicionales, lo que incrementa los costos y el espacio en la placa de circuito. Además, si los modernos Sistemas de Gestión de Batería (BMS) adoptan conexiones por cable, esto conlleva importantes desventajas. El cableado se convierte en un desafío ya que los cables deben ser enrutados entre diferentes módulos, lo que añade peso y complejidad. Los cables también son propensos a captar ruido, lo que exige filtrado adicional.   El BMS inalámbrico es una arquitectura novedosa que elimina la necesidad de cableado de comunicación. En un BMS inalámbrico, la interconexión entre cada módulo se realiza a través de 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 la fiabilidad. Sin embargo, la comunicación inalámbrica enfrenta desafíos en entornos EMI adversos y obstáculos de propagación de señales causados por componentes metálicos que actúan como escudo RF.

Las redes inalámbricas integradas pueden mejorar la fiabilidad 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 diferencias sutiles 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 la pila dominará el rendimiento de todo el paquete de baterías. El balanceo de celdas es una técnica que ayuda a superar este problema al igualar el voltaje y el SOC entre las celdas cuando la batería está completamente cargada.   La tecnología de balanceo de celdas puede dividirse en tipos pasivos y activos. En el balanceo pasivo, si una celda está sobrecargada, el exceso de carga se disipa en una resistencia. Normalmente, se utiliza un circuito derivador, que consta de una resistencia y un MOSFET de potencia utilizado como interruptor. Cuando la celda está sobrecargada, el MOSFET se cierra y disipa el exceso de energía en la resistencia. LTC6811 utiliza un MOSFET incorporado para controlar la corriente de carga de cada celda monitorizada, equilibrando así cada celda que se esté monitorizando. El MOSFET integrado permite un diseño compacto y puede cumplir con un requerimiento de corriente de 60 mA. Para corrientes de carga más altas, se puede utilizar un MOSFET externo. El dispositivo también proporciona un temporizador para ajustar el tiempo de balanceo.   Por otro lado, el balanceo activo implica redistribuir la energía excesiva entre otras celdas del módulo. Este enfoque permite la recuperación de energía y una menor generación de calor, pero la desventaja es que requiere un diseño de hardware más complejo.   ADI ha introducido una arquitectura utilizando LT8584 para lograr el balanceo activo de baterías. Esta arquitectura deriva activamente la corriente de carga y devuelve energía al paquete de baterías, abordando los problemas asociados con los balanceadores pasivos. La energía no se disipa como calor, sino que se reutiliza para recargar las baterías restantes en la pila. La arquitectura de este dispositivo también aborda un problema en el que una o más celdas en la pila alcanzan un umbral de voltaje mínimo seguro antes de que se agote la capacidad total de la pila, resultando en una menor duración. Solo el balanceo activo puede redistribuir la carga de las celdas más fuertes hacia las más débiles, permitiendo que las celdas más débiles continúen suministrando energía a la carga y extrayendo un mayor porcentaje de energía del paquete de baterías. La topología flyback habilita el movimiento de carga entre cualquier dos puntos del paquete de baterías. En la mayoría de las aplicaciones, la carga se devuelve al módulo de baterías (12 celdas o más), mientras que, en otras aplicaciones, la carga se devuelve a toda la pila de baterías o a las líneas de alimentación auxiliares.   El LT8584 es un convertidor DC/DC flyback monolítico diseñado específicamente para el balanceo activo de paquetes de baterías de alto voltaje. La alta eficiencia del regulador conmutado incrementa significativamente la corriente de balanceo alcanzable mientras reduce la disipación de calor. Además, el balanceo activo permite la recuperación de capacidad en pilas de baterías con desajustes, una característica que no es alcanzable con sistemas de balanceo pasivo. En sistemas típicos, se puede lograr más del 99% de la capacidad total de la batería.   El LT8584 incluye un interruptor de potencia integrado de 6A, 50V, reduciendo la complejidad del diseño del circuito de aplicación. El dispositivo opera completamente basado en las celdas que está descargando, eliminando la necesidad de esquemas complejos de polarización que normalmente se requieren al utilizar interruptores de potencia externos. El pin de habilitación (DIN) está diseñado para coordinarse perfectamente con los ICs de monitoreo de pilas de baterías de la serie LTC680x. Además, cuando se utiliza junto 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 generalmente consume menos de 20nA de corriente estática total de la batería.

Conclusión

La clave de 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 incorrecta podría hacer que el paquete de baterías sea poco fiable, reduciendo significativamente la seguridad del vehículo. Tanto el equilibrio activo como el pasivo de la batería contribuyen a una gestión segura y eficiente de las baterías. Los módulos distribuidos de batería son fáciles de apoyar y pueden transmitir datos de manera fiable al controlador BMS, ya sea por medios cableados o inalámbricos, permitiendo cálculos seguros de SOC y SOH. ADI ofrece una gama completa de componentes BMS que pueden ayudar a los clientes a acelerar el desarrollo del BMS, asegurando una gestión más eficiente de la eficiencia operativa y la seguridad de las baterías de los vehículos eléctricos.