Serie de Procesos de Fabricación de Packs: Funciones Principales, Arquitectura del Sistema y Estructura de Hardware del BMS de Packs de Baterías

Tanto las baterías de potencia como las baterías de almacenamiento de energía suelen contener docenas o incluso cientos de celdas internas. Para gestionar un número tan elevado de celdas, el Sistema de Gestión de Baterías (BMS) se ha convertido en una tecnología clave indispensable.

Se puede decir que el BMS es el "cerebro" del paquete de baterías. Sus funciones son garantizar la seguridad del personal y de la batería, cumplir con los requisitos de potencia o almacenamiento de energía y extender la vida útil de la batería.

01 Funciones Principales del BMS

La función principal del BMS es monitorizar en tiempo real el voltaje, la temperatura y la corriente de la batería, optimizar el rendimiento de la batería a través de la estimación del Estado de Carga (SOC) y el control de balanceo, al tiempo que posee funciones de protección contra fallos como protección contra sobretensión, sobrecorriente y sobretemperatura.

La estimación del estado de las celdas es la función principal del BMS. Para lograr esta función se requiere un chip de Front-End Analógico (AFE) (para la adquisición de voltaje), sensores Hall (para la adquisición de corriente), sensores NTC (para la adquisición de temperatura) y otros sensores (para adquirir presión de gas, humo, etc.).

Después de adquirir las señales, estas se combinan con modelos electroquímicos y algoritmos de estimación avanzados (como el Filtro de Kalman Extendido, Observador de Modo Deslizante, etc.) para estimar en tiempo real el Estado de Carga (SOC), el Estado de Salud (SOH), el Estado de Potencia (SOP), el Estado de Energía (SOE) y el Estado de Seguridad (SOS) de la batería.

Basándose en estos parámetros de estado,

a) Para el propio paquete de baterías:

El BMS controla y gestiona la optimización de la potencia de carga y descarga de la batería, limita la duración de la carga/descarga e interactúa a través de comandos de control, comunicación y funciones de diagnóstico para lograr una gestión eficaz del estado interno de la batería.

b) Para sistemas externos:

A través de funciones de comunicación y diagnóstico, el BMS difunde información clave de estado y comandos de control al vehículo y al cargador, asegurando la operación coordinada entre la batería y los sistemas externos.

02 Arquitectura del Sistema del BMS

(1) Arquitecturas Centralizadas y Distribuidas

El BMS centralizado integra los tres módulos funcionales - la Unidad de Monitoreo de Celdas (CMC), la Unidad de Monitoreo de Alto Voltaje (HVMU) y la Unidad de Administración de Baterías (BMU) - en una sola placa de circuito o un controlador integrado, formando una arquitectura de "control de punto único".

El BMS centralizado da como resultado una estructura de sistema compacta, menor cableado, menor huella y un costo total relativamente menor. Sin embargo, dado que los módulos de alto y bajo voltaje están en la misma placa de circuito, se debe prestar especial atención al aislamiento eléctrico y a las distancias de seguridad.

El BMS distribuido delega la función de adquisición a módulos de batería individuales. Múltiples Unidades de Control Esclavas (CMC) logran un muestreo distribuido y un procesamiento de datos preliminar, mientras que la Unidad de Control Maestra (BMU/BCU) es responsable de la gestión y programación a nivel de sistema, formando una arquitectura de "adquisición multipunto, procesamiento centralizado". Esto puede cumplir con los requisitos de sistemas de baterías de gran capacidad, como numerosos canales de adquisición y colocación dispersa de módulos.

Como se puede observar en la figura anterior, la arquitectura distribuida añade esencialmente una capa de subsistemas de gestión en el medio. Estos pequeños sistemas son principalmente responsables de recopilar información de una porción de las celdas, y luego reportarla a través de un bus a la placa de control del BMS. La placa de control del BMS implementa entonces medidas de protección integrales, cálculos del estado de carga y otras funciones de gestión basadas en la información reportada.

En pocas palabras, es similar a la estructura organizativa de una empresa. Cuando aumenta el número de personas, la gestión plana se vuelve poco fiable en sistemas de gestión de baterías a gran escala. Por lo tanto, para compartir la carga de la placa de gestión principal, algunas subtareas se asignan a módulos CSC (Circuitos de Supervisión de Celdas) para una gestión privilegiada.

Los BMS distribuidos se pueden subdividir aún más en: Distribuidos tipo Estrella, Distribuidos tipo Bus y Distribuidos tipo Cadena de Margaritas.

Distribuidos tipo Estrella: La BMU se encuentra centralmente, con cada CMC conectada directamente a la BMU a través de un enlace de comunicación independiente. Esta estructura ofrece enlaces de comunicación independientes con una gran capacidad antiinterferencias. Sin embargo, requiere un módulo de concentración de bus, lo que hace que la gestión del cableado y las interfaces sea relativamente compleja.

Distribuido tipo Bus: Múltiples CMC se comunican con la BMU a través de un bus CAN (actualmente el método de comunicación BMS más utilizado). Dado que todas las CMC comparten el bus, el consumo de energía entre los nodos está relativamente equilibrado. Sin embargo, el sistema depende en gran medida del estado del bus; si el bus falla, la comunicación general puede interrumpirse.

Distribuido tipo Daisy-chain: Múltiples CMC se conectan en serie en una cadena, con datos transmitidos salto a salto a lo largo del enlace a la BMU. Esta estructura ofrece un enlace de comunicación simple, ahorrando recursos de cableado. Es adecuada para sistemas con muchos módulos y una estructura de batería claramente estratificada.

(2) Estratificación Funcional

Para garantizar la modularidad, escalabilidad y alta fiabilidad, el BMS generalmente se puede dividir en tres capas, como se muestra en la figura a continuación.

a) Capa Física: Responsable de adquirir estados externos directamente medibles durante la operación de la batería, como voltaje, corriente, temperatura superficial, etc., proporcionando soporte de datos para las capas superiores.

b) Capa Central: Responsable de estimar estados internos de la batería no medibles directamente a través de modelos y algoritmos, como el SOC y la temperatura interna de la celda. Esta es la parte crítica del sistema.

c) Capa de Gestión: Utiliza la información de estado interno proporcionada por la capa central para lograr una gestión razonable de la carga/descarga de la batería y la predicción de las condiciones de operación futuras, garantizando una operación segura y eficiente de la batería.

03 Estructura de Hardware del BMS

La arquitectura de hardware del BMS es el portador físico de sus funciones del sistema. El diseño del hardware afecta directamente la precisión, confiabilidad y costo del sistema. Un diseño de hardware típico de BMS adopta una arquitectura distribuida, que incluye principalmente la Unidad de Control Maestro (BMU), las Unidades de Control Esclavo (CSC), redes de sensores y circuitos de actuación/protección.

(1) Unidad de Control Maestro

MCU de Control Principal: Un procesador de alto rendimiento que admite el nivel de seguridad funcional ASIL-D.

Memoria: La memoria Flash almacena configuraciones de parámetros y registros de fallas; la RAM se utiliza para el almacenamiento en búfer de datos en tiempo real.

Fuente de Alimentación Aislada: Suministra energía a la BMU a través de un módulo de aislamiento DC/DC (el voltaje de entrada suele ser de 12V/24V, la salida es de 3.3V/5V).

Interfaces de Comunicación: Transceptores CAN, chips Ethernet PHY.

(2) Unidades de Control Esclavo

Chips AFE: Chips dedicados de Front-End Analógico para monitorear celdas conectadas en serie.

Circuito de Muestreo de Voltaje: Conmutador multiplexor + ADC de precisión, utilizando muestreo diferencial para reducir el ruido.

Circuito de Adquisición de Temperatura: Termistor NTC + red divisora de voltaje, o sensores de temperatura digitales.

Circuito de Balanceo: Balanceo pasivo: MOSFET + resistencia de potencia; Balanceo activo: DC/DC bidireccional o arreglos de capacitores.

(3) Sensores

Sensores Hall: Medición sin contacto, precisión ±0.5% (utilizado para detección de corriente total).

Resistencias Shunt: Solución de detección de corriente de bajo costo, logrando una precisión de ±0.5% cuando se combina con un amplificador diferencial.

Sensores de Temperatura: Sensores NTC/PTC colocados en ubicaciones clave como superficies de celdas, barras colectoras y disipadores de calor.

(4) Circuitos de Actuación y Protección

Relés y Circuito de Precarga:

Relés Principales: Relés de CC de alto voltaje que controlan el circuito de carga/descarga del paquete de baterías.

Circuito de Precarga: Utiliza una resistencia de precarga + contactor para arranque suave, evitando la corriente de irrupción durante el encendido.

Fusibles y Disyuntores:

Fusible Principal: Tipo de acción rápida para protección contra fallos de cortocircuito.

Protección Secundaria: Fusibles rearmables (PPTC) para prevenir sobrecorriente localizada.