iapositiva 1: Introducción.

            Este capítulo desarrolla el BMS, que se encarga de la gestión de la batería, y es fundamental en su rendimiento, duración y protección.  

Diapositiva 2: BMS.

• El sistema de gestión de batería,  BMS-Battery Management System, es uno de los componentes más importantes del vehículo eléctrico.

            Porque gestiona la batería, protege las celdas, y es fundamental en el rendimiento de la batería.  

            El BMS es un componente diferenciador de los vehículos eléctricos, hay fabricantes de vehículos que desarrollan mejores BMS que otros, y obtienen más rendimiento de las baterías.

            Se trata de un software inteligente cuyos algoritmos pueden variar de un fabricante de vehículos a otro y que es clave para alargar la vida útil de la batería. Al BMS le acompaña un sistema de comunicación con el exterior que habitualmente se conoce como el BUS de datos.        

            El BMS consiste en un sistema electrónico que, junto al software adecuado, son capaces de recoger toda la información clave sobre el funcionamiento y vida de la batería. Esto permite, no solo gestionar el correcto funcionamiento de la batería durante su uso, sino que también ofrece un banco de datos a explotar de cara a optimizar su funcionamiento en términos de rendimiento, longevidad y seguridad.

            El BMS realiza las siguientes funciones:

• Monitorear los voltajes y las corrientes.  

            El BMS supervisa constantemente la corriente de carga máxima, la corriente de descarga máxima, energía entregada desde el último ciclo de carga o la última carga, tiempo total de funcionamiento, número de ciclos, etc. para asegurarse de que no se excedan los límites, garantizando que las celdas no funcionen en condiciones inseguras minimizando su degradación.           

• Gestionar el equilibrio de las celdas.

            Idealmente, todas las celdas de un paquete de baterías deben mantenerse en el mismo estado de carga. Si las celdas se desequilibran, las celdas individuales pueden estresarse, y provocar una terminación prematura de la carga y una reducción en el ciclo de vida general de la batería.

            No hay dos celdas de batería exactamente iguales, las diferencias pueden estar en la resistencia interna, el nivel de degradación, la capacidad, la temperatura ambiente etc.

            Estas diferencias inevitables entre las celdas pueden causar muchos problemas, y la capacidad general puede reducirse drásticamente. Este desequilibrio hace que las celdas individuales se descarguen en exceso o se carguen en exceso, lo que es peligroso para la batería en su conjunto, y por lo tanto, el equilibrio de carga entre las celdas individuales es de suma importancia para mantener el rendimiento y extender la vida útil de la batería.

            Algunas celdas siempre tienen una capacidad un poco mayor o menor, las celdas de batería que tienen una capacidad menor se descargan más rápido y también se destruyen más rápido, mientras que la capacidad de otras celdas permanece sin usar. De la misma manera, durante la carga, las celdas más débiles se cargan primero y las demás solo se cargan parcialmente.

            Balancear la carga y descarga de las celdas individuales aumenta significativamente la capacidad general, porque no solo está determinada por las celdas más débiles, además protege estas celdas más débiles, para que no se dañen, hagan cortocircuito o tengan fugas, lo que podría dañar toda la batería.

            Los métodos de equilibrio de la batería son dos:

• Carga pasiva

            El método pasivo significa que las celdas que tienen más energía que otras, son descargadas por resistencias, y la energía excesiva se disipa en forma de calor. Al descargar el exceso de energía de las celdas más llenas, la batería se puede equilibrar fácilmente.

            Sin embargo, este método desperdicia demasiada energía y también complica el control térmico de toda la batería. Además, en este caso, solo funcionan las baterías sobrecargadas, y si una celda de la batería es significativamente más débil que otras, se descarga más energía durante el equilibrio que durante la conducción.

• Carga activa

            Los circuitos de conmutación activos se utilizan para el equilibrio activo, que pueden transferir energía entre celdas individuales. A diferencia de los métodos pasivos, solo se desperdicia una pequeña cantidad de energía. Pero para lograr esto, es necesario incorporar más componentes en el circuito, lo que no solo conduce a un mayor coste, sino también a una menor confiabilidad.

            El equilibrio activo se produce a través de una variedad de estrategias denominadas topologías, que tienen en cuenta el coste, la complejidad y la confiabilidad. Como siempre, hay una compensación. Con las topologías más simples, y por lo tanto, más confiables, una celda sólo puede equilibrar otra celda que está justo al lado, lo cual es insuficiente si las celdas desequilibradas están más separadas.

            Para conectar eficazmente todas las celdas de modo que su alineación pueda ser flexible, se necesitan demasiados componentes, y por lo tanto, se vuelven poco confiables y bastante costosos.

            El tercer método, que permite una pequeña cantidad de componentes y flexibilidad, es demasiado lento para ser efectivo en la práctica, ya que dos celdas adyacentes se alinean gradualmente hasta que se logra una carga homogénea.

            Como esta es una función fundamental del BMS, se dedica mucho esfuerzo a diseñar las topologías más eficientes y utilizar las mejores estrategias, tanto de balance pasivo como activo, utilizando la menor cantidad de componentes posible.

            Cada diseño siempre conlleva la necesidad de equilibrar el precio, la eficiencia y la longevidad de cada sistema.

            El único valor que nunca se descuenta es la seguridad.

            Todos los componentes deben cumplir con los estándares de seguridad ISO 26262, por lo que cada BMS debe ser a prueba de fallas y contener recursos redundantes, como unidades procesadoras, cada una de las cuales debe tener sus propios dispositivos dedicados.

• Monitorear la temperatura de las celdas.

            El BMS monitoriza la temperatura en el interior del pack de baterías y regula el circuito de refrigeración para mantener unos objetivos de temperatura en el interior del pack. En general, el rango de funcionamiento óptimo de una celda de Ion-Litio está situado entre 15ºC-40°C.

• Calcula la carga de la batería- State of Charge (SoC).

            Esta es una de las funciones más importantes, gracias a la cual el BMS puede decirle al conductor la autonomía restante del vehículo. Pero determinar el estado de carga no es tan simple como parece. En realidad, es uno de los problemas más complicados en el desarrollo de sistemas BMS.

            El estado de carga actual se define como la relación entre la capacidad disponible y la capacidad total de la batería, y por lo tanto, puede tomar cualquier valor del 100% al 0%. Y dado que la "descarga" de la batería es un flujo de electrones, parecería que la cantidad de carga o descarga solo puede medirse.

            Sin embargo, el consumo se ve afectado por muchas variables más, como la temperatura actual, el cambio de temperatura durante la descarga, la carga actual etc., por lo que tener en cuenta todas ellas es complejo, y el estado de carga actual es una estimación utilizando un modelo matemático-algoritmo.  

• Gestionar la descarga y recarga de la batería.  

            Las celdas de iones de litio tienen dos problemas de diseño críticos; si se sobrecargan, pueden dañarse y provocar un sobrecalentamiento e incluso una explosión o una llama, por lo que es importante tener un sistema de gestión de la batería que proporcione protección contra sobretensiones.

            Las celdas de iones de litio también pueden dañarse si se descargan por debajo de cierto umbral, aproximadamente el 5% de la capacidad total. Si las células se descargan por debajo de este umbral, su capacidad puede reducirse permanentemente.

            Para garantizar que la carga de una batería no supere ni disminuya sus límites, el BMS tiene un dispositivo de seguridad llamado protector de iones de litio dedicado.

            Cada circuito de protección de batería tiene dos interruptores electrónicos llamados "MOSFET". Los MOSFET son semiconductores que se utilizan para encender o apagar señales electrónicas en un circuito.

            Un sistema de gestión de batería suele tener un MOSFET de descarga y un MOSFET de carga.

            Si el protector detecta que el alto voltaje entre las celdas excede un cierto límite, interrumpirá la carga abriendo el chip Charge MOSFET. Una vez que la carga haya bajado a un nivel seguro, el interruptor se cerrará nuevamente.

            De manera similar, cuando una celda se drena a un cierto voltaje, el protector cortará la descarga abriendo el MOSFET de descarga.

            Los parámetros de la propia batería cambian con el tiempo como la oxidación en los terminales, cambios en la capacidad de las celdas de la batería, etc. el BMS gestiona que la carga siempre se adapte al estado de la batería.

• Calcular el estado de salud de la batería (SoH).

            El BMS estima el estado de carga (SoC) y el estado de salud (SoH) de la batería mediante el uso de un algoritmo incorporado para maximizar la capacidad, la vida útil y el rendimiento de la batería.   

            El estado de la batería se define como la relación entre la capacidad total actual y la capacidad total de la batería a los 0 kilómetros. Cuando se compra una batería, tiene un 100% de salud, que se deteriora con los ciclos de carga/descarga.

            La salud de la batería se ve afectada por la temperatura, la corriente de carga de la batería, el número de ciclos de carga y otros factores primarios. Sin embargo, no todos los procesos de la batería se conocen completamente, por lo que no existen métodos precisos para determinar el estado de salud de la batería.

            Al igual que para determinar el estado de carga, es necesario contar con modelos matemáticos-algoritmos aproximados que tengan en cuenta: la resistencia interna, la conductividad, la tasa de autodescarga, la capacidad, la energía recibida durante la carga, la temperatura durante el uso, la edad, el número de ciclos, etc.

            En la actualidad, existen tres métodos básicos de estimación: el método de amperios-hora, el método de voltaje de circuito abierto (OCV), y los métodos basados ​​en modelos matemáticos-algoritmos.

            Actualmente se está investigando el uso de logaritmos inteligentes, lógica difusa, redes neuronales artificiales y otras posibilidades para calcular el estado de la batería.

• Grabación y comunicación de datos.

            El BMS necesita almacenar datos de las características de las baterías anteriores para poder compararlas con valores nuevos, permitiendo la evaluación del funcionamiento de la batería, así como su diagnóstico.

            Es importante la  comunicación entre el BMS y otras partes del vehículo, como el cargador de a bordo o la estación de carga.

            El BMS también garantiza que la pantalla del conductor muestre cuánto ha viajado o cuándo es necesario recargar el coche.

Diapositiva 3: Arquitecturas de BMS

            Hay dos tipos principales de arquitectura BMS: 

• Centralizadas.

            En una arquitectura centralizada, todas las celdas están conectadas a la misma placa BMS. 

            Esta es una solución efectiva para paquetes de baterías que contienen una cantidad limitada de celdas, hasta 100.

• Distribuidas.

            La arquitectura distribuida se compone de dos tipos de placas: una placa maestra única, y múltiples placas ubicadas cerca de las celdas que monitorean entre seis y unas pocas docenas de celdas. Posteriormente, se conectan a la tarjeta maestra a través de una cadena de comunicación digital.

            Esta arquitectura distribuida es preferible para baterías medianas y grandes, en las que se conectan en serie más de 100 celdas.

Diapositiva 4: BMS inalámbrico

• Hay una cantidad máxima de celdas que se pueden conectar al BMS.

            Cuando se aumenta la cantidad de celdas en el interior de una batería para dotarla de mayor capacidad energética, y por lo tanto ofrecer mayor autonomía en un vehículo eléctrico, también aumenta la cantidad de componentes necesarios para el monitoreo de cada celda dentro de un BMS porque hay una cantidad máxima de celdas que se pueden conectar a estos sistemas.

            El BMS puede mejorarse con algoritmos más inteligentes para controlar más celdas, pero está limitado por la cantidad de ellas que pueden estar en contacto a través del arnés de cables.

• La conexión entre los monitores de las celdas y las unidades de microcontrolador (MCU) se ha realizado generalmente mediante cables y conectores.

            Pero cuando hay demasiados, aumentan las probabilidades de que se produzcan fallos como roturas de cables y malos contactos.

            Además, demasiados cables también pueden hacer que el ensamblaje del paquete de baterías sea más complejo y costoso.

• BMS inalámbrico.

            Todos estos inconvenientes están haciendo que los diseñadores de baterías estén recurriendo a los nuevos sistemas de administración de baterías inalámbricas wBMS.

            Un BMS inalámbrico es un tipo de BMS distribuido en el que la comunicación entre las placas se realiza de forma inalámbrica en lugar de utilizar una conexión en cadena por cable, para reducir la cantidad de cables y conectores.  

            La mayoría de los componentes utilizados son los mismos que los de un BMS distribuido convencional. Lo único que cambia es la interfaz de comunicación que se realiza mediante un circuito integrado inalámbrico acoplado a una antena en lugar de un transceptor de comunicación por cable.

• Ventajas.

            En un sistema inalámbrico, se eliminan tanto peso, como complicaciones y costes del cableado, mientras que aumenta la cantidad de celdas que se pueden gestionar.

            La implementación del wBMS elimina el cableado tradicional, ahorra hasta un 90% del cableado y hasta un 15% del volumen en el paquete de baterías, además de mejorar la flexibilidad del diseño y la capacidad de fabricación, sin comprometer el alcance y la precisión durante la vida útil de la batería.

            El peso reducido debido a la eliminación de los conectores permite una mayor eficiencia energética, aumentando así la autonomía del vehículo con la misma carga.

            La solución también abre espacio en el paquete de baterías para permitir que quepan baterías más grandes, lo que garantiza versatilidad, escalabilidad y optimización.

• Seguridad de los datos.

            La comunicación inalámbrica es menos segura que la comunicación por cable, porque cualquier persona puede acceder a los datos dentro del rango de propagación de ondas de radio. Sin embargo, existen medidas implementadas por software, como el cifrado, que obligan a autentificar los datos y a proteger la transmisión. 

• Rendimiento.

            Los factores más importantes para que la tecnología inalámbrica ofrezca un buen rendimiento son varios: la tasa de transmisión de datos (megabits por segundo), la intensidad de la señal y el consumo de energía. 

            La excelencia en la tecnología BMS inalámbrica se logra mediante la optimización de estos factores para obtener velocidades de comunicación rápidas, y de largo alcance, además de un consumo de energía aceptable.

Diapositiva 5: BMS Data Analytics-Una herramienta para sacar el máximo rendimiento a las baterías

            Las baterías generan grandes cantidades de datos durante su ciclo de vida. La mayoría de estos datos no se utilizan actualmente porque el BMS no está diseñado para traducir estos datos en información procesable, en pronósticos y en predicciones.

            Utilizando un BMS basado en datos almacenados en la nube y gestionado por los algoritmos apropiados, obtendríamos más rendimiento de las baterías de los vehículos eléctricos.

            Al recopilar datos como el voltaje, la pérdida de litio e impedancias complejas de los datos de campo, permiten detectar anomalías con el potencial de provocar incidentes como incendios, predecir el rendimiento futuro, el envejecimiento y optimizar el funcionamiento, también ayudan a determinar el valor de las baterías retiradas para encontrar aplicaciones de segunda vida adecuadas para ellas. 

• Las nuevas soluciones de “Big Data” y explotación de datos abren un nuevo abanico de oportunidades para la industria de las baterías.

            El uso de este tipo de soluciones tiene sentido especialmente debido a la amplia variedad de parámetros clave e indicadores críticos asociados a las baterías, que precisan, por sí mismos, de un seguimiento y monitorización para lograr una mejora de sus resultados.

            Aspectos como la densidad energética, el c-rate, la ciclabilidad, la temperatura,  la geometría etc. son elementos a analizar durante todo el ciclo de vida de la batería de cara a lograr una optimización de los mismos, tanto desde una perspectiva individual como global.

• Permite llevar a cabo una trazabilidad de todo el ciclo de las baterías.

            La captación de datos a lo largo de la vida de la batería posibilita realizar una monitorización completa de resultados para todos los indicadores clave identificados, así como para todos los componentes que forman una batería.

            Esto posibilita conocer todo aquello que ocurre en una batería desde su fabricación hasta el final de su vida, pudiendo, con ello, comprender el “qué”, “cuándo” y “dónde” para poder así profundizar en el conocimiento de las baterías y llevar a cabo los ajustes necesarios que permitan su optimización.

• Permitirá contar con una capacidad de formulación teórica de las baterías.

            A partir de la explotación de la información disponible, pudiendo así definir a priori las soluciones que mejores resultados puedan darnos teniendo en cuenta su aplicación final.

• Permite llevar un paso más allá la propia gestión de las baterías durante su funcionamiento.

            Al establecer un sistema de comunicación “bidireccional” entre la batería, en concreto, del BMS y su software, y el sistema de análisis y explotación de datos, se pueden realizar correcciones y adecuaciones en tiempo real que permitan optimizar el uso de la batería y su funcionamiento conforme a los parámetros y necesidades observadas en cada momento.

• El entender qué es lo que ha funcionado y qué debe de mejorarse en el uso de un dispositivo que ya ha cumplido con su primera vida.

            Supone una información muy valiosa para dar lugar a un mayor valor residual de su aplicación en una segunda vida o uso.

Diapositiva 6: BMS Data Analytics-Una herramienta para sacar el máximo rendimiento a las baterías

• Los retos para lograr este modelo:

            Lograr desarrollar sistemas BMS que cuenten con los softwares adecuados para la captación de información y su explotación.

            Se necesita la incorporación de nuevas soluciones de software que permitan al BMS ir más allá del estado del arte actual, logrando que este sistema sea un verdadero “cerebro” que no sólo gestione la información, sino que sea capaz de entenderla y sacar, a través del sistema, el máximo provecho de ella.

            El desarrollo de BMS avanzados capaces de adaptarse a cualquier generación de baterías.

            Es decir, que este tipo de soluciones avance al mismo ritmo que lo está haciendo la propia tecnología de almacenamiento de energía, pudiendo así adaptarse a diferentes configuraciones, químicas o enfoques, como los basados en el estado sólido.

            Existen ya diferentes agentes en el mercado que están trabajando por impulsar este tipo de soluciones.

Diapositiva 7: Gracias por su atención. 

            En este capítulo se ha desarrollado porque el BMS es uno de los componentes más importantes del vehículo eléctrico, hasta pronto.