Sistema de gestión de la batería

slug: "battery/batterymanagment" articleType: "Technology" category: "technology" status: "Published" language: "es" version: 8 title: "Sistema de gestión de la batería" linkTitle: "Sistema de gestión de la batería" description: "Cómo supervisa las celdas el sistema de gestión de una batería de vehículo eléctrico, estima su estado, controla la potencia y protege el pack." translationStatus: "Translated" storageType: "Database" contentHash: "b2142b55a8bb284000d30394704d109697f3cb6378e2e3db94ed6a41ffd61a3b"

El sistema de gestión de la batería (BMS) de un vehículo eléctrico es la capa electrónica y de software que mantiene la batería de tracción dentro de sus límites de funcionamiento permitidos. Para ello, mide el pack, estima condiciones que no pueden detectarse directamente y controla cómo se conecta al vehículo. Comunica al cargador, al inversor y al sistema de gestión térmica los límites de carga, frenado regenerativo y potencia de propulsión; estos sistemas realizan la conversión de energía y el control de temperatura.

Qué mide, estima y controla el BMS

Una batería de alta tensión puede contener cientos o miles de celdas físicas. Las celdas conectadas en paralelo comparten la tensión de sus terminales, por lo que el BMS normalmente supervisa cada grupo en paralelo como un único punto de tensión. Por ejemplo, un pack descrito como 108s4p suele tener 108 tensiones supervisadas de grupos en serie, no 432 mediciones independientes de tensión de celda.

Las mediciones directas más importantes suelen incluir:

Tensión de cada grupo de celdas supervisado
Tensión total del pack y tensiones en puntos clave alrededor de los contactores
Corriente que entra o sale del pack
Temperaturas en determinadas celdas, módulos, placas de refrigeración, barras colectoras y componentes eléctricos
Aislamiento eléctrico entre el sistema de alta tensión y el chasis del vehículo
Estado del enclavamiento de alta tensión, los contactores, el fusible y el circuito de precarga

La tensión total del pack no basta. Dos grupos de celdas pueden desviarse en sentidos opuestos mientras su tensión combinada sigue pareciendo normal. El grupo de mayor tensión puede poner fin a una carga y el de menor tensión puede limitar la descarga, aunque el promedio del pack parezca aceptable.

Varios valores que utilizan los conductores y las herramientas de servicio no son lecturas directas de sensores. El BMS los estima a partir de la tensión, la corriente, la temperatura, el tiempo, modelos de la batería y el historial almacenado. Entre estas estimaciones se incluyen:

Estado de carga (SOC)
Estado de energía (SOE)
Estado de potencia (SOP)
Estado de salud (SOH)
Capacidad utilizable y resistencia interna
Corriente máxima permitida de carga y descarga

A continuación, el BMS actúa a partir de esta información. Puede accionar los contactores y los circuitos de equilibrado del pack, gestionar la secuencia de precarga, solicitar calefacción o refrigeración y comunicar a otros controladores los límites de carga, descarga y potencia regenerativa. Por tanto, las plataformas de BMS para automoción combinan supervisión de celdas, medición de tensión y corriente a nivel de pack, supervisión del aislamiento, control de contactores y funciones de enclavamiento de alta tensión. (Texas Instruments)

Cómo se organiza el hardware del BMS

Un BMS moderno está distribuido por la batería, no contenido en una sola placa de circuito. Los nombres de los componentes varían, pero muchos sistemas reparten el trabajo entre unidades de supervisión de celdas, un controlador central de la batería y una caja de conexiones de la batería. La arquitectura de referencia de 800-voltios de NXP utiliza los términos CMU, BMU y BJB para estas tres capas. (NXP)

Unidades de supervisión de celdas

Una unidad de supervisión de celdas (CMU) está situada cerca de un grupo de celdas o módulos. Los circuitos analógicos de entrada miden las tensiones de los grupos de celdas y las entradas de los sensores de temperatura. También pueden realizar equilibrado pasivo y supervisar conexiones u otros sensores locales.

Varias CMU pueden enlazarse mediante una cadena aislada, un anillo, CAN FD u otra red de comunicación para automoción. Las mediciones deben llegar de forma fiable a pesar del ruido eléctrico y de las grandes diferencias de tensión entre las secciones del pack.

Unidad de gestión de la batería

La unidad de gestión de la batería (BMU) es el controlador central. Recopila las mediciones, comprueba que sean plausibles, ejecuta algoritmos de estimación de estado, calcula los límites de funcionamiento, almacena información de diagnóstico e intercambia datos con el controlador del vehículo, el cargador, el inversor y el controlador térmico.

Caja de conexiones de la batería

La caja de conexiones de la batería (BJB) contiene los equipos de medición a nivel de pack y de conmutación de corrientes elevadas. Según el diseño, puede incluir:

Contactores principales positivo y negativo
Un contactor y una resistencia de precarga
Sensores de corriente del pack y de alta tensión
El fusible principal y, cuando exista, un desconectador pirotécnico
Hardware de supervisión del aislamiento
Conexiones de alta tensión al inversor, al sistema de carga y a otras cargas

Comparar las tensiones en los lados de la batería y del vehículo respecto a los contactores permite al controlador verificar si se ha producido realmente la conmutación ordenada. Las mediciones de corriente y tensión también necesitan una sincronización precisa porque se utilizan conjuntamente para calcular la potencia, la resistencia, el SOC y el SOH. (Texas Instruments)

Comunicación por cable e inalámbrica

La mayoría de los packs utiliza comunicación por cable entre sus unidades de supervisión. Los enlaces redundantes o en anillo pueden permitir que los mensajes sigan otra ruta si falla una conexión.

Un BMS inalámbrico sustituye parte de este mazo interno de señales por una red de radio diseñada específicamente. Puede reducir el número de conectores, el tendido de cables y la complejidad de montaje, pero no elimina la electrónica de supervisión de las celdas, las conexiones de medida de tensión, los sensores de temperatura, los circuitos de equilibrado, las fuentes de alimentación, el diagnóstico ni la necesidad de una comunicación fiable y segura. El hardware de BMS inalámbrico para automoción enlaza los dispositivos de supervisión de las celdas con el controlador central del BMS; no es una conexión inalámbrica con las propias celdas. (Analog Devices)

Conexión de la batería de alta tensión

Apagar un vehículo eléctrico no deja sin tensión las celdas ni las barras colectoras internas. En su lugar, unos grandes interruptores accionados eléctricamente, denominados contactores, desconectan normalmente los terminales externos positivo y negativo de la batería del resto del vehículo.

Antes de cerrar esos contactores, el BMS comprueba las tensiones y temperaturas relevantes de las celdas, la resistencia de aislamiento, el estado del enclavamiento, la comunicación y los fallos almacenados. Después realiza la precarga.

El inversor, el cargador de a bordo, el convertidor CC-CC y otros equipos electrónicos de alta tensión contienen condensadores. Conectar un condensador descargado directamente a la batería generaría una gran corriente de irrupción que podría picar o soldar las superficies de los contactores y someter a esfuerzos los cables, conectores y fusibles. Un circuito de precarga convencional conecta primero el bus de alta tensión del vehículo a través de una resistencia. Cuando la tensión del bus se aproxima lo suficiente a la del pack, los contactores principales pueden cerrarse y puentear la resistencia. (Texas Instruments)

Una secuencia de arranque simplificada es:

El sistema eléctrico de baja tensión activa el BMS y los demás controladores necesarios.
El BMS comprueba las condiciones supervisadas de la batería y del sistema de alta tensión.
Se cierran la vía de precarga y el contactor principal necesario.
El bus externo de alta tensión se carga a través de la resistencia de precarga.
El BMS compara la tensión del pack con la tensión al otro lado de los contactores.
Cuando la diferencia está dentro del intervalo permitido, se cierra el otro contactor principal y se abre la vía de precarga.

El orden exacto de conmutación varía según el diseño. La finalidad siempre es establecer la conexión de alta tensión sin una corriente de irrupción incontrolada.

Supervisión del aislamiento y enclavamiento de alta tensión

El circuito de tracción suele estar aislado de la carrocería. Un monitor de aislamiento mide la resistencia eléctrica entre el sistema de alta tensión y el chasis. Una disminución del aislamiento puede deberse a daños en el material aislante, entrada de agua o refrigerante, contaminación, un problema de conexión o un fallo en la batería, el inversor, el motor, el cargador o el cableado de alta tensión.

El circuito de enclavamiento de alta tensión (HVIL) es un circuito independiente de supervisión de baja tensión que pasa por determinados conectores, cubiertas y componentes de alta tensión. Una interrupción del circuito indica al vehículo que una parte del sistema de alta tensión puede estar desconectada o abierta. Según la situación, el vehículo puede detener la carga, abrir los contactores o impedir que se cierren.

Esto también explica por qué una batería débil de 12-voltios o 48-voltios puede inmovilizar un vehículo eléctrico cuya batería de tracción todavía contiene mucha energía. El BMS, la electrónica de los controladores y las bobinas de los contactores necesitan alimentación de baja tensión antes de poder conectar la batería de alta tensión al vehículo.

Estimación de carga, energía, potencia y salud

El porcentaje de batería, la energía restante, la potencia disponible y el estado de salud responden a preguntas diferentes. Tratarlos como un único valor es la causa de gran parte de la confusión en torno al diagnóstico de las baterías.

Estado de carga

El estado de carga (SOC) es el nivel de carga estimado dentro de la ventana operativa definida de la batería. El porcentaje mostrado al conductor suele corresponder a la ventana utilizable, no al intervalo electroquímico completo de las celdas. Puede reservarse capacidad por encima del 100% indicado y por debajo del 0% indicado, como se explica en Búfer de la batería y capacidad utilizable.

El SOC no puede medirse con un único sensor. El BMS combina varios métodos:

El conteo de culombios integra la corriente a lo largo del tiempo para seguir la carga que entra y sale de la batería.
La corrección basada en la tensión compara la tensión de circuito abierto medida o modelizada con datos de referencia específicos de la química.
Los modelos de batería predicen la respuesta de tensión utilizando el SOC, la corriente, la temperatura, la resistencia, el historial reciente y parámetros relacionados con el envejecimiento.
Los algoritmos de observador, incluidas variantes del filtro de Kalman, comparan las predicciones del modelo con las mediciones y corrigen la estimación.

El conteo de culombios reacciona inmediatamente al flujo de energía, pero un pequeño sesgo del sensor de corriente se acumula hasta convertirse en un error mayor con el tiempo. La tensión proporciona una referencia, pero la tensión en los terminales también cambia con la carga, la temperatura, la resistencia, la histéresis y el tiempo transcurrido desde la carga o descarga. Por eso, los algoritmos de producción combinan mediciones y modelos en lugar de confiar en un solo método. (Analog Devices)

La estimación del SOC es especialmente exigente para las celdas LFP en la zona central de su intervalo de funcionamiento, porque la curva de tensión en circuito abierto es relativamente plana y está afectada por la histéresis. Un pequeño error de tensión puede representar un error de SOC mucho mayor que en una zona inclinada de la curva. Por tanto, una estimación precisa en LFP depende en gran medida de una medición exacta de la corriente, un modelo específico de la química, compensación de temperatura y oportunidades para corregir la estimación en puntos de funcionamiento informativos. (ACS Energy Letters)

El porcentaje mostrado suele filtrarse para que no salte cada vez que cambia ligeramente la estimación. Aun así, puede corregirse después de un largo reposo, una carga casi completa, una descarga profunda, un gran cambio de temperatura o nuevos datos aprendidos sobre la capacidad. La energía no ha aparecido ni desaparecido de repente; se ha recalibrado la estimación.

Estado de energía

El estado de energía (SOE) estima la energía utilizable restante, normalmente en kWh. Está relacionado con el SOC, pero también depende de la capacidad utilizable, la tensión, la temperatura, las pérdidas y las condiciones de descarga.

Dos packs al 50% de SOC no tienen necesariamente la misma energía restante. Incluso un mismo pack puede hacer accesible de inmediato menos energía cuando está muy frío. La autonomía prevista por el vehículo añade factores externos al BMS, como el consumo reciente, la velocidad, la ruta, la meteorología y el uso de energía en el habitáculo.

Estado de potencia

El estado de potencia (SOP) es la potencia estimada que la batería puede aceptar o entregar sin superar sus límites de tensión, corriente, SOC y temperatura durante un periodo definido. Los límites de carga y descarga se calculan por separado, y un límite pico de corta duración puede ser mucho mayor que un límite continuo.

El cálculo considera la respuesta prevista de los grupos de celdas limitantes, no solo el promedio del pack. Influyen el SOC, la temperatura, la resistencia, el margen de tensión de las celdas, la duración y los límites de corriente del pack. Por eso, los modelos de potencia de batería calculan distintos valores máximos de carga y descarga para un periodo de predicción determinado. (MathWorks)

Estado de salud

El estado de salud (SOH) describe cómo ha cambiado la capacidad de la batería respecto a una condición de referencia, normalmente cuando era nueva. No existe una única definición universal de SOH.

Un SOH basado en capacidad compara la capacidad utilizable actual con la referencia elegida para la batería nueva. Una evaluación basada en potencia considera la resistencia y la capacidad para cargar o descargar al ritmo necesario. Un modelo completo del estado de salud también puede utilizar el desequilibrio entre celdas, la autodescarga, la energía total procesada, la exposición a temperaturas, el historial de fallos y la edad natural.

Una batería puede conservar la mayor parte de su capacidad energética y perder parte de su potencia máxima a medida que aumenta la resistencia. Otra puede perder capacidad medible y seguir cumpliendo todos los requisitos de prestaciones del vehículo. Por ese motivo, los porcentajes de SOH de distintos fabricantes, aplicaciones de diagnóstico y procedimientos de garantía no son comparables automáticamente. Los métodos de medición y los efectos a largo plazo se explican en Degradación de la batería.

Cómo controla el BMS la carga y la conducción

El BMS calcula continuamente los límites máximos permitidos de carga y descarga. Los demás controladores deben mantener sus solicitudes dentro de esos límites.

Durante la carga rápida en corriente continua, el vehículo comunica a la estación la tensión y la corriente permitidas para la batería. La estación puede ser capaz de proporcionar más potencia de la que solicita la batería. El BMS puede reducir la solicitud debido a:

Una tensión alta en un grupo de celdas
Temperatura de la batería baja o alta
SOC alto
Mayor resistencia
Desequilibrio de las celdas
Refrigeración insuficiente
Un fallo del sensor o de la comunicación

Un grupo que alcanza su límite superior de tensión puede obligar a reducir la corriente de carga aunque el SOC medio del pack parezca dejar margen. La curva de carga completa también depende de los límites de tensión y corriente del cargador, el hardware de conversión del vehículo y la estrategia de carga del fabricante. Estas interacciones se explican en Carga de la batería y rendimiento de carga.

El límite de descarga funciona en sentido contrario. Con un SOC bajo, temperaturas extremas o alta resistencia, el grupo de menor tensión puede aproximarse a su límite inferior bajo carga. El BMS reduce entonces la potencia disponible para el inversor. Esto puede traducirse en menor aceleración o en un aviso de potencia reducida, aunque los motores pudieran entregar más.

El frenado regenerativo es un proceso de carga. Una batería casi llena, fría, caliente, desequilibrada o limitada por cualquier otro motivo no puede aceptar toda la potencia regenerativa solicitada. El controlador de frenos reduce entonces la regeneración del motor y proporciona el resto de la deceleración con los frenos de fricción.

Los límites de temperatura son igualmente importantes. El BMS interpreta los sensores de la batería y solicita calefacción o refrigeración; las bombas, válvulas, ventiladores, calentadores, circuitos de refrigerante y otros equipos térmicos realizan el trabajo. Una batería suficientemente caliente para una conducción normal puede seguir estando demasiado fría para alcanzar la máxima potencia de carga rápida. El diseño del sistema y las estrategias de preacondicionamiento se explican en Gestión térmica de la batería.

Protección, gestión de fallos y seguridad funcional

El BMS intenta mantener cada parte supervisada de la batería dentro de una zona de funcionamiento permitida. Vigila la sobretensión, subtensión, corriente excesiva, temperatura inadecuada, dispersión térmica anómala, pérdida de aislamiento, interrupción del HVIL, desequilibrio de celdas, discrepancias entre sensores, fallos de contactores y pérdida de comunicación.

La protección suele aplicarse por etapas, no mediante una desconexión inmediata:

Registrar un incidente de diagnóstico o aumentar la supervisión.
Solicitar calefacción o refrigeración.
Reducir la potencia regenerativa, de carga o de propulsión.
Detener la carga u ordenar al inversor que retire la carga.
Advertir al conductor.
Abrir los contactores o impedir que se vuelva a conectar el sistema de alta tensión.

Abrir los contactores mientras circula una corriente elevada puede generar su propio esfuerzo eléctrico. Cuando las condiciones lo permiten, el vehículo reduce primero la corriente y después desconecta. El aislamiento inmediato se reserva para los fallos en los que permanecer conectado supone el mayor riesgo.

El BMS también debe detectar fallos en sus propios sensores, comunicaciones y equipos de conmutación. Puede comparar mediciones redundantes, comprobar si las relaciones entre tensión y corriente son físicamente plausibles, verificar que el accionamiento ordenado de un contactor haya cambiado la tensión medida y utilizar vías de protección independientes para fallos críticos. ISO/TR 9968 aplica el marco de seguridad funcional ISO 26262 en los sistemas recargables de almacenamiento de energía e incluye expresamente dentro del sistema el BMS, las celdas, los mazos de cables y la conectividad. (ISO)

Qué no puede evitar el BMS

El BMS puede reducir la corriente, solicitar refrigeración, detener la carga, desconectar el circuito externo de alta tensión y registrar el incidente. No puede eliminar la energía química que ya está almacenada en las celdas.

Si un cortocircuito interno ha evolucionado hasta una fuga térmica autosostenida, la apertura de los contactores detiene el flujo de corriente externo, pero puede no detener las reacciones dentro de la celda afectada. El diseño y la calidad de fabricación de las celdas, la refrigeración, las protecciones eléctricas, el venteo, las barreras del pack, la gestión de la presión, la estructura contra impactos y la resistencia a la propagación siguen siendo esenciales. Las investigaciones sobre la fuga térmica en celdas de iones de litio muestran que la liberación de calor, la propagación interna y el material expulsado dependen de la geometría de la celda y del mecanismo que inicia el fallo. (NREL)

Equilibrado, diagnóstico e historial de la batería

Las pequeñas diferencias de capacidad, resistencia, autodescarga y temperatura hacen que los grupos de celdas conectados en serie se desajusten. El BMS compara su comportamiento y utiliza circuitos de equilibrado para reducir las diferencias de nivel de carga.

El equilibrado puede ayudar a que los grupos alcancen de forma más uniforme sus límites superior e inferior, haciendo utilizable una mayor parte de la capacidad existente del pack. No puede reparar una celda dañada ni recuperar capacidad perdida. Los métodos, la temporización y las limitaciones se explican en Equilibrado de celdas.

El BMS también almacena información utilizada para el mantenimiento y las estimaciones a largo plazo. Según el fabricante, puede incluir:

Tensiones mínima y máxima de los grupos de celdas
Temperaturas extremas e incidentes de sobretemperatura
Historial de carga, energía y tiempo de funcionamiento
Tendencias estimadas de capacidad y resistencia
Fallos de aislamiento, contactores, sensores y comunicación
Desequilibrio de celdas y autodescarga anómala
Códigos de avería e interrupciones de carga

No todos los valores internos están disponibles a través de una interfaz de diagnóstico genérica. Una aplicación de terceros puede mostrar solo un subconjunto, y un valor presentado puede estar filtrado, escalado o interpretado de forma distinta a los datos de ingeniería o garantía del fabricante.

Lo que percibe el conductor

La mayor parte del trabajo del BMS es invisible, pero sus decisiones explican varios comportamientos habituales de los vehículos eléctricos:

Cambia la potencia de carga: la batería puede solicitar menos potencia de la que ofrece el cargador debido al SOC, la temperatura, la dispersión de tensión, la resistencia o un límite de protección.
Se reduce el frenado regenerativo: la batería no tiene margen suficiente para aceptar potencia de carga, por lo que el vehículo utiliza en mayor medida los frenos de fricción.
Se limita la aceleración: un SOC bajo, una temperatura inadecuada, la caída de tensión o un fallo han reducido la potencia de descarga permitida.
El porcentaje cambia después de un reposo o una carga completa: el algoritmo del SOC ha corregido su estimación.
La carga rápida mejora después del preacondicionamiento: las celdas más calientes tienen menos resistencia y a menudo pueden aceptar una corriente mayor autorizada por el BMS.
El vehículo no permite seleccionar la marcha: un problema en la alimentación de baja tensión, un fallo de aislamiento, un enclavamiento interrumpido, un fallo de contactor o la pérdida de comunicación con el BMS pueden impedir la conexión del sistema de alta tensión.

Para quien compra un vehículo eléctrico usado, un porcentaje de SOH comunicado por el BMS solo resulta útil si se conocen su definición y su método de medición. Una evaluación sólida considera la energía utilizable, la capacidad de potencia, el equilibrio de las celdas, el historial de diagnóstico, el comportamiento de carga y el método de garantía del fabricante, no una única cifra sin explicación.

Por tanto, el BMS es mucho más que un indicador de batería o un interruptor de emergencia. Sus mediciones, modelos, calibración y estrategia de protección determinan qué parte de la capacidad física de las celdas puede utilizar el vehículo en cada momento.