BMS de baterías personalizadas y opciones de comunicación para productos OEM

Un sistema de gestión de baterías es mucho más que un circuito de protección. El BMS en un paquete de baterías personalizado vigila las condiciones de funcionamiento de la batería, protege las celdas, regula la carga y descarga, determina la capacidad de la batería y, si es necesario, puede comunicarse con el dispositivo externo de la batería.

El diseño correcto del BMS se basa en la química de la batería, configuración en serie, corriente de funcionamento, carga máxima, cargador, temperatura de funcionamiento y requisitos de control del producto. Una protección muy básica puede requerir un dispositivo portátil sencillo, mientras que un dispositivo médico, robot o sistema industrial puede necesitar medición de combustible, registro de datos y comunicaciones en tiempo real.

¿Qué es un sistema de gestión de baterías?

El BMS es un dispositivo que controla las celdas recargables en un paquete de baterías. Su función principal es mantener la batería dentro de ciertos límites de voltaje, corriente y temperatura.

Dependiendo de la aplicación, un BMS personalizado de batería puede incluir:

• Protección contra sobrecargas
• Protección contra sobredescarga
• Protección contra sobrecorrientes
• Protección contra cortocircuitos
• Monitorización de la temperatura
• Balanceo de celdas
• Control de carga y descarga
• Estimación del estado de carga
• Seguimiento del estado de salud
• Registro por recuento cíclico
• Historial de fallas
• Comunicación con dispositivos
• Autenticación por batería

Todas estas funciones no son necesarias para todos los proyectos. Las características innecesarias provocan la expansión, el desarrollo y el coste unitario del tamaño de la PCB. El BMS debería basarse en los requisitos reales del producto.

BMS de Protección Básica

Un BMS básico de protección es el tipo de BMS más popular en electrónica portátil, aplicaciones de iluminación, altavoces, dispositivos de belleza y otras aplicaciones que no requieren intercambio de datos de batería con ordenadores anfitriones.

Normalmente monitoriza:

• Voltaje de celda individual
• Corriente de paquete
• Temperatura de la batería
• Estado de carga y descarga

Cuando se alcanza un valor por encima del límite establecido, el circuito de protección apagará la línea de carga o descarga.

Los ajustes deberían ser los mismos que las celdas seleccionadas y la aplicación. Si la protección está demasiado baja, las condiciones normales de carga máxima podrían provocar apagones inesperados. Si está demasiado alta, puede que no te proporcione la protección que buscas.

Smart BMS

Un BMS inteligente es una combinación de funciones de protección y funciones de monitorización, cálculo, almacenamiento y comunicación.

Puede incluir información para el dispositivo anfitrión como:

• Voltaje de paquete
• Voltaje de celda individual
• Corriente de carga o descarga
• Capacidad restante
• Porcentaje de batería
• Temperatura
• Recuento cíclico
• Duración estimada
• Estado de la falla
• Datos de fabricación

Las aplicaciones habituales del paquete de baterías inteligentes incluyen dispositivos médicos, robots, AGV, equipos industriales y sistemas portátiles P.O.S/Profesional.

Opciones de balanceo de celdas

Pueden producirse diferencias de voltaje y capacidad a lo largo del tiempo entre celdas conectadas en serie. Para minimizar estas disparidades y maximizar la capacidad útil del pack, se pueden equilibrar.

Balanceo pasivo

El balanceo pasivo toma energía de las celdas de mayor voltaje, normalmente en forma de calor, mediante resistencias. Es relativamente sencillo, compacto y se utiliza ampliamente en paquetes de baterías personalizados.

Balanceo activo

Equilibrio Activo – transfiere energía de una célula a otra en lugar de disiparla. Puede usarse para sistemas de baterías más grandes o de mayor valor donde la eficiencia de equilibrio es una preocupación.

El tipo de balanceo variará según el número de celdas, la capacidad, el desequilibrio esperado, el espacio disponible, el diseño térmico y el coste del proyecto.

Funciones del indicador de combustible

Un indicador de combustible ayuda a estimar la duración de la batería que aún queda. Medir el voltaje no es suficiente, ya que el voltaje al estado de carga varía según la química, la temperatura, la corriente y la edad de la batería.

Los sistemas de indicador de combustible pueden utilizar:

• Conteo de Coulomb
• Medición de tensión
• Medición de corriente
• Compensación de temperatura
• Algoritmos de modelos celulares
• Datos de aprendizaje y calibración

Si se requiere un porcentaje preciso de batería o tiempo de funcionamiento restante para el dispositivo, la selección y calibración del indicador de combustible debe realizarse durante el desarrollo del producto.

Las opciones comunes de comunicación con batería son alambre, malla metálica y electrolito líquido.

Algunos protocolos de comunicación son apropiados para ciertos dispositivos y otros no. El controlador host y el BMS de la batería deberían tener el mismo voltaje, formato de datos, comandos y conectores.

UART

En muchos productos embebidos, UART es un método de comunicación serial muy sencillo. Puede pasar: voltaje de la batería, corriente de la batería, temperatura de la batería, capacidad de la batería, datos de fallos de batería desde el BMS hasta el controlador del host y viceversa.

UART puede utilizarse cuando:

• La distancia de comunicación es corta
• El dispositivo utiliza una conexión punto a punto sencilla
• El bajo coste de implementación es importante
• El controlador host dispone de una interfaz UART disponible

Depende del ingeniero asegurarse de que la tasa de baudios, el nivel de voltaje, el marco de datos y el formato de comandos sean correctos.

I²C

I2C es un protocolo de comunicación de dos líneas de línea de reloj y línea de datos, y se utiliza ampliamente para comunicarse entre circuitos integrados a poca distancia.

Podría ser útil para electrónica pequeña donde la batería y el controlador del host están cerca uno del otro. Las consideraciones de diseño incluyen la selección de direcciones, la resistencia al pull-up, el nivel de voltaje y la interferencia electromagnética.

SMBus

SMBus es un subconjunto del protocolo I²C, pero también especifica extensiones del protocolo para la gestión del sistema. Se conoce comúnmente como baterías inteligentes en portátiles, dispositivos médicos y dispositivos portátiles profesionales.

Una batería inteligente que emplea MITs puede ofrecer:

• Capacidad restante
• Capacidad de carga completa
• Voltaje de la batería
• Actualidad
• Temperatura
• Recuento cíclico
• Solicitudes de cobro
• Estado de la alarma

La batería, el cargador y el dispositivo deben soportar comandos compatibles y definiciones de datos.

Autobús CAN

CAN es un potente sistema de comunicaciones diferenciales que se emplea ampliamente en vehículos, robots, AGVs, máquinas industriales y sistemas energéticos.

CAN puede seleccionarse cuando:

• El entorno eléctrico contiene ruido
• La distancia de comunicación es mayor
• Múltiples controladores comparten una red
• Se requiere una detección fiable de errores
• La batería debe comunicarse con un controlador de motor o con una unidad de control central

El método de comunicación está definido por CAN, pero el proyecto requiere un mapa de mensajes compatible, velocidad de baudios, identificadores y formato de datos de capa de aplicación.

RS485

RS485 es un estándar diferencial de capa física para largas distancias y aplicaciones con ruido eléctrico. Se utiliza a menudo en sistemas industriales, equipos estacionarios y productos de almacenamiento de energía.

Un protocolo de comunicación acordado —como una estructura de comandos personalizada o una implementación basada en Modbus— también forma parte de una solución completa RS485.

RS485 puede usarse cuando hay varios módulos de batería para comunicarse con el controlador maestro.

Comunicación Bluetooth

Los técnicos o usuarios pueden acceder a la información de la batería mediante una aplicación móvil a través de Bluetooth. Dependiendo del diseño, la aplicación puede mostrar datos de voltaje, corriente, temperatura, capacidad, recuento de ciclos y fallos.

Antes de añadir Bluetooth, los equipos OEM deberían considerar:

• Ciberseguridad
• Permisos de usuario
• Actualización de firmware
• Mantenimiento de aplicaciones móviles
• Método de emparejamiento
• Privacidad de datos
• Consumo de energía en espera

Si no hay requisitos de monitorización o servicio para el producto, el Bluetooth no debería añadirse como dispositivo de marketing.

Autenticación de batería

Algunos paquetes de baterías de alto valor o reemplazables emplean autenticación para ayudar al dispositivo a encontrar una batería autorizada.

La autenticación puede soportar:

• Compatibilidad de accesorios
• Prevención de la falsificación
• Seguimiento del servicio
• Gestión de garantías
• Configuración del producto
• Parámetros de carga controlados

La implementación puede realizarse mediante un CI de seguridad o un enfoque digital de clave/respuesta a desafíos. Definir los requisitos de autenticación desde el principio es importante, ya que influye en el trabajo sobre el desarrollo de batería y dispositivo host.

Cómo elegir el BMS adecuado

Antes de que el equipo OEM desarrolle BMS, confirme la siguiente información:

• Química de las baterías
• Configuración en serie y en paralelo
• Tensión nominal y máxima
• Corriente de descarga continua
• Corriente máxima y duración
• Corriente de carga
• Temperatura de funcionamiento
• Número y posición de los sensores de temperatura
• Requisitos de balanceo
• Precisión del indicador de combustible
• Protocolo de comunicación
• Pinado del conector
• Respuesta a fallos
• Objetivo de corriente de sueño
• Requisitos de certificación

Además, el BMS debe ser probado dentro del propio dispositivo. Los picos de corriente pueden no ocurrir durante pruebas estándar de laboratorio, pero sí pueden ocurrir con los motores, módulos inalámbricos, calefactores (y otras cargas).

Proceso de Desarrollo BMS Personalizado

Un proyecto típico de BMS personalizado incluye:

1. Revisa los requisitos de batería y dispositivos
2. Selecciona los componentes de protección y monitorización
3. Define límites de voltaje, corriente y temperatura
4. Confirma el protocolo de comunicación
5. Diseña el esquema y la PCB
6. Desarrollar firmware cuando sea necesario
7. Producción de prototipos de placas
8. Montar paquetes de baterías de muestra
9. Protección de pruebas y funciones de comunicación
10. Valida la batería dentro del dispositivo
11. Congela las versiones aprobadas de hardware y firmware
12. Inicio del piloto y producción en masa

Todos los ajustes críticos deben documentarse para mantener la consistencia entre las muestras y las baterías de producción.

Soporte de batería personalizada de GLOFLUX

GLOFLUX ofrece una solución flexible de integración BMS para paquetes de baterías de iones de litio, polímero de litio y LiFePO4. Esto puede variar desde circuitos de protección, sistemas de equilibrado, medición de combustible, sistemas de monitorización, comunicación e integración de carcasas de baterías, etc.

Las aplicaciones incluyen:

• Equipamiento médico
• Robots de servicio
• AGV y AMR
• Sistemas industriales
• Terminales POS
• Dispositivos inteligentes
• Iluminación portátil
• Módulos de batería reemplazables

Los clientes pueden enviar la especificación del dispositivo, el documento de comunicación, la definición del conector o la muestra de batería existente para evaluación técnica.

Conclusión

No todos los sistemas de gestión de baterías son iguales, y la funcionalidad no es la mejor. Es el que transporta de forma segura las celdas seleccionadas, la corriente de funcionamento, el cargador, el controlador del dispositivo y los requerimientos de servicios.

Una protección portátil simple puede ser adecuada para un producto portátil sencillo. Para dispositivos médicos o profesionales, el uso de monitorización inteligente y MEJMES podría ser adecuado, mientras que CAN o RS485 podrían ser más apropiados en robots y sistemas industriales. Los requisitos se identifican con antelación, evitando conflictos de hardware, retrasos en el firmware y apagados inesperados del producto.

Preguntas frecuentes

1. ¿Toda batería personalizada necesita un BMS?

Generalmente, los paquetes de baterías recargables de múltiples celdas requieren protección y gestión adecuadas, cuyo diseño del circuito dependerá de la química, configuración y aplicación de la batería recargable.

2. ¿Qué protocolo de comunicación es el mejor para una batería inteligente?

No hay una única respuesta correcta. UART e I²C son buenos para cableado corto a bordo, SMBus se utiliza para aplicaciones de baterías inteligentes y, para sistemas industriales, a menudo se emplea CAN o RS485.

3. ¿Puede un BMS mostrar el porcentaje restante de batería?

Sí. Un BMS inteligente, junto con un sistema de indicadores de combustible adecuado, puede calcular el SoC y comunicar los resultados al dispositivo anfitrión.

4. ¿Puede GLOFLUX coincidir con un protocolo de comunicación existente?

Se pueden analizar comandos antiguos, mapas de mensajes y muestras de batería para ver si existe un BMS personalizado adecuado que se pueda crear.

5. ¿Se pueden cambiar los ajustes del BMS después de muestrear?

Es importante señalar que los ajustes pueden cambiarse durante las pruebas de prototipos, pero los parámetros de hardware, firmware y protección deben fijarse antes de la certificación y la producción en masa.