Cómo la fusión de sensores puede mejorar el rendimiento del sistema de gestión de baterías y la vida útil de las mismas

La fusión de sensores puede ser una herramienta muy útil a la hora de diseñar sistemas de gestión de baterías (BMS) para aplicaciones como vehículos eléctricos (EV), sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS) residenciales y de servicios públicos y robots móviles autónomos (AMR). Por ejemplo, el estado de carga (SoC) y el estado de salud (SoH) son características importantes para maximizar el rendimiento y la vida útil de la batería, que el BMS debe monitorear y gestionar. Para controlar el SoC y el SoH de una batería, puede aplicar técnicas de fusión de sensores que combinan mediciones de voltaje, corriente y temperatura en tiempo real.

Sin embargo, para obtener resultados óptimos, los sensores del BMS deben ser muy precisos y resistentes al medio ambiente. Incluso los pequeños errores de los sensores pueden tener un efecto acumulativo a lo largo del tiempo que dé lugar a estimaciones incorrectas de SoC y SoH. Además, los cálculos de SoC y SoH deben considerar las tasas de carga y descarga, junto con el historial de temperatura de las celdas. Cada uno de estos desafíos se puede abordar con la fusión de sensores.

Echemos un vistazo rápido a lo que significan SoC y SoH y los métodos para calcularlos, incluido el impacto que las variaciones de temperatura pueden tener en la precisión. Veremos luego cómo la fusión de sensores puede mejorar el rendimiento de BMS y presentaremos algunos ejemplos de sensores de voltaje, corriente y temperatura que puede utilizar para diseños de BMS industriales y automotrices.

¿Qué son SoC y SoH?

El SoC es simplemente la cantidad de carga de una batería. Las baterías de litio (Li) tienen curvas de descarga muy planas y su voltaje es casi constante hasta que se descargan aproximadamente en un 80 %, por lo que medir el voltaje de salida no es una forma útil de medir el SoC. Para medir el SoC, el BMS necesita monitorear el flujo de corriente y medir los culombios dentro y fuera de la batería.

Mientras que SoC es una cantidad medida, SoH es una estimación de la capacidad existente de la batería como porcentaje de su capacidad cuando era nueva. Se han desarrollado numerosos algoritmos para estimar el SoH y todos se basan en la fusión de sensores. Algunos parámetros comunes utilizados en los algoritmos de SoH incluyen:

• Impedancia
• Tasa de autodescarga
• Capacidad para aceptar una carga
• Número de ciclos de carga/descarga
• Edad de la batería
• Historial de temperatura de la batería
• Energía acumulada cargada y descargada

La fusión de sensores para SoC y SoH se implementa utilizando sensores distribuidos por todo el sistema de batería, incluidos sensores de temperatura en paquetes individuales, sensores de voltaje y temperatura en monitores de batería multicelda, monitores de corriente en el bus de distribución de energía de alto voltaje (HV) y sensores centralizados de temperatura y detección de alto voltaje en la unidad de control principal (Figura 1). Para realizar cálculos precisos de SoC y SoH, necesita sensores que sean muy precisos y estables en el tiempo, y capaces de operar en condiciones difíciles.

Figura 1: Se necesita una variedad de sensores de temperatura, voltaje y corriente (cuadros verdes) para respaldar la fusión de sensores en un BMS. (Fuente de la imagen: Vishay)

La buena noticia es que Vishay ofrece una amplia gama de componentes para respaldar sus actividades de diseño de BMS. Los siguientes sensores apenas tocan la superficie.

Detección de corriente del bus de HV

Las resistencias de la serie WSLP son adecuadas para su uso como derivaciones de detección de corriente del bus de HV. Admiten detección de alta precisión en aplicaciones de alta temperatura con coeficientes de temperatura tan bajos como 75 partes por millón por grado Celsius (ppm/°C) y una fuerza electromotriz térmica (EMF) de menos de 3 microvoltios (μV) por °C. Están disponibles con valores de resistencia de 0.0002 a 0.1 ohmios (Ω). Otra opción para la detección de corriente del bus de HV son las derivaciones de potencia WSBS/WSBM con valores de resistencia de hasta 25 microohmios (μΩ) que pueden manejar pulsos superiores a 2 kiloamperios (kA). Además, las resistencias de tira metálica de potencia WSK1216 tienen un diseño de cuatro terminales, con una tolerancia del 1 % y valores de hasta 0.0002 Ω.

Detección de voltaje

Las resistencias de chip de película delgada como el dispositivo MCA1206MD5004BP500 de 5 mega Ω (MΩ) se pueden usar para la detección de alta tensión en la unidad de control principal y en monitores de batería. Valores de resistencia de 1 Ω a 10 MΩ están disponibles en esta familia de dispositivos de grado automotriz. Están disponibles con rangos de temperatura de funcionamiento de -55 a 175 °C y coeficientes de temperatura tan bajos como ±10 ppm por grado Kelvin (ppm/K). Las resistencias de chip de película delgada y alta estabilidad TNPW están diseñadas para usarse cuando se requiere precisión y estabilidad a largo plazo. Tienen una deriva resistiva baja de ≤0.05 % después de una prueba de vida útil de 1000 horas.

Sensores de temperatura

Vishay también ofrece una variedad de sensores de temperatura adecuados para aplicaciones BMS específicas, como los sensores de temperatura de orejeta de la serie NTCALUG que están diseñados para aplicaciones de detección de temperatura de superficie (Figura 2). Combinan aislamiento eléctrico y contacto térmico sólido, proporcionando mediciones precisas y confiables de -40 a +150 °C.

Los circuitos de monitoreo de batería y los diseños de unidades de control principales pueden beneficiarse de la serie NTCS de termistores NTC de montaje en superficie que están revestidos de vidrio para protección ambiental. Permiten una detección de alta sensibilidad y alta precisión de -40 a +150 °C. Utilizan tecnología de base cerámica y están disponibles en tres tamaños: 0402, 0603 y 0805.

Figura 2: Vishay ofrece una variedad de estilos de empaque de sensores de temperatura, incluidos sensores de temperatura NTC de terminal (izquierda) y de montaje en superficie (derecha) (no a escala). (Fuente de las imágenes: Vishay)

Conclusión

La fusión de sensores es útil en un BMS para medir voltajes, corrientes y temperaturas para permitir una determinación precisa del SoC y SoH de la batería, extender la vida útil de la batería y maximizar el rendimiento del sistema de la batería. Como se muestra, Vishay ofrece una gama completa de sensores precisos y resistentes al medio ambiente y otros componentes adecuados para diseños BMS de alto rendimiento.

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