Monitoreo del estado y predicción de las celdas en un módulo o paquete de baterías en condiciones de funcionamiento

Nota del editor: el artículo en el que se basa este artículo se presentó originalmente en el Simposio internacional IEEE 2021 sobre ingeniería de cumplimiento de productos - Asia (ISPCE-ASIA), celebrado en Taipei, Taiwán, en noviembre/diciembre de 2021. Se reimprime aquí con la gentileza autorización del IEEE. Derechos de autor 2021, IEEE.

Tras el aumento de los incidentes de incendio de vehículos eléctricos (EV) y sistemas de almacenamiento de energía (ESS) después de años de funcionamiento, el sistema de seguimiento del estado de los vehículos eléctricos y ESS sigue siendo un tema de preocupación. Si bien es relativamente fácil medir el estado de salud de una celda en condiciones estáticas, la medición del estado de salud de una celda empaquetada en un sistema y en condiciones operativas es bastante difícil o requiere mucho tiempo con metodologías de medición estáticas.

Sin embargo, el deterioro de una celda en un bloque en serie reducirá el rendimiento de todo el bloque, y el deterioro generará preocupaciones económicas como la depreciación de la vida útil o el costo del kilometraje, por lo que es muy importante desarrollar un sistema de monitoreo de salud sin interrupciones. del funcionamiento real y desmontaje del paquete de baterías en módulos y celdas.

Teniendo en cuenta la importancia del estado de la celda en condiciones de servicio pesado y de larga duración en aplicaciones de vehículos eléctricos, IEC/ISO ha publicado la norma de rendimiento IEC 62660-1:2018 para la celda e ISO 12405-4:2018 para el paquete. Ambos estándares enfatizan el desempeño de la celda bajo comportamientos dinámicos de carga y descarga, no solo en vehículos eléctricos de batería (BEV) sino también en vehículos eléctricos híbridos (HEV).

Esos perfiles dinámicos han tenido en cuenta condiciones tales como:

En consecuencia, se crean perfiles de prueba que simulan el funcionamiento en la vida real, como se muestra en la Figura 1 y la Figura 2 de las normas IEC e ISO.

Figura 1: Perfil de descarga dinámica A para la prueba de ciclo BEV en IEC 62660-1 [1]

Figura 2: Perfil de descarga dinámica B para la prueba de ciclo BEV en IEC 62660-1 [2]

Como se hace referencia en la mayoría de los estudios de investigación, la EIS se consideró como una descripción completa de las estructuras de la batería, como se muestra en la Figura 3. La EIS típica se realizó midiendo la aplicación de un potencial de CA a una celda electroquímica y luego midiendo la corriente a través de la celda bajo varias frecuencias, generalmente desde frecuencias tan bajas como 1 mHz hasta tan altas como 1 MHz.

Figura 3: Conceptos de EIS y sus relaciones con la estructura electroquímica de una celda [3]

La frecuencia de respuesta puede considerarse como una descripción de la estructura electroquímica de la celda, ya que hay muchas capas de materiales entre los electrodos y el potencial externo es como un diapasón con diferentes frecuencias de vibración. Cada material de capa tiene una frecuencia natural característica diferente y estará en resonancia cuando la frecuencia del voltaje sea la misma. La amplitud del pico de frecuencia característico puede ser análoga al espesor o la masa del material. Cuando el material es más grueso, la respuesta es más fuerte.

Sin embargo, un solo espectro a la vez para una celda no constituye ningún significado, pero al comparar espectros entre celdas cuando los espesores de las capas cambiaron en diferentes condiciones operativas, la respuesta cambia entre condiciones extremas, por ejemplo, SOC 0% a SOC 100%. ayudará a los usuarios a estimar la condición bajo la medición a la condición original no utilizada.

Como el voltaje de una sola batería o celda de iones de litio es de solo 3 voltios, para crear una salida de 12 voltios, 48 ​​voltios, 96 voltios o incluso más para grandes potencias de más de 5 KW sin tecnologías de transformación de voltaje CC/CC será necesario combinar celdas. en bloques en serie. Sin embargo, como las celdas electroquímicas tienen diferencias de resistencia interna, la diferencia de voltaje es mayor al final de los bloques. Para evitar la sobretensión de las celdas en el bloque, según el requisito estándar de seguridad del módulo como IEC 62133, UL 2594 o UL 2580, cada celda de la misma serie debe integrar mecanismos de prevención de sobretensión o sistemas de monitoreo, como se muestra en la Figura 4.

Figura 4: Esquemas típicos de cableado de monitoreo de celda a BMS en un módulo de batería [4]

En consecuencia, la mayoría de los fabricantes instalan sensores de voltaje en cada celda o bloque de celdas de la misma serie y recopilan los datos de voltaje en el sistema BMS dentro del módulo o paquete o los envían a dispositivos de almacenamiento o análisis posteriores, como controladores lógicos programables (PLC), industriales. computadora personal (IPC), o servicios de almacenamiento o computación en la nube mediante una interfaz de comunicación por cable como bus de red de área del controlador (CAN), Modbus, Ethernet o inalámbrico como WIFI, Bluetooth o 4G.

A través de los datos recuperados del sistema BMS trazados con el tiempo, la pendiente de la respuesta de carga/descarga o la forma de recuperación de voltaje se pueden aplicar a la base de datos EIS de la celda para su posterior análisis.

Aunque no está perfectamente controlado como un entorno de laboratorio con suministro de energía y cargas eléctricas estandarizadas, el sensor de voltaje, el sensor de corriente y el sensor de temperatura con sistema de control de energía (PCS), el cargador/descargador de batería y el motor o la carga real, y el BMS constituyen un Un sistema de prueba similar también proporciona datos continuos y significativos.

Como se puede imaginar, la EIS normalmente se realiza en una sola celda en condiciones de laboratorio, y un escaneo completo de 1 mHz a 1 MHz tardará varias horas en completarse. No es económicamente factible realizar EIS sobre cada celda en un paquete, y es imposible sin desarmarlo y también ponerlo en funcionamiento.

Sin embargo, cada carga y descarga bajo diferentes potenciales y tiempos en operación real es como un pulso de escaneo EIS, y luego podemos reconstruir un espectro similar a EIS después de la normalización del voltaje, aunque puede que no sea continuo en frecuencias.

Mediante la acumulación de espectro en diferentes celdas y el tiempo en comparación con el comportamiento o rendimiento real, el usuario o fabricante puede definir una base de datos del estado de salud de la celda, similar al estudio que se muestra en la Figura 5.

Figura 5: La base de datos de perfiles SOH para varias marcas y estructuras electroquímicas [5]

Cuando se establece la base de datos de SOH para la celda o estructura electroquímica interesada, BMS puede recuperar la información de voltaje, corriente, SOC y tiempo y luego enviarla a dispositivos periféricos como computadoras o teléfonos móviles, o directamente a la nube para comparar. Se puede dibujar una distribución general de SOH para las celdas del paquete tal como se visualiza en objetos 3D o 2D, de manera similar a los diagramas que se muestran en la Figura 6.

Figura 6: Predicción de la SOH de la celda en diferentes condiciones operativas [6]

La información SOC de una celda es importante como información de referencia, pero la información EIS o de comportamiento dinámico es más completa e importante para la descripción de SOH. A través del procesamiento de datos recuperados del BMS en operación en tiempo real y comparándolos con la base de datos establecida con el perfil SOH existente, la distribución de SOH para las celdas en el paquete se puede describir y demostrar sin desmontar el paquete de baterías en celdas en condiciones dinámicas y operativas.

Se puede aplicar un enfoque similar a ESS y siempre que los datos de BMS estén disponibles mediante interfaces de comunicación e independientemente de la química de la batería.

bateríaspaquete de bateríasBenjamin Chenbaterías de vehículos eléctricosvehículos eléctricosEVfuego

Benjamin Chen es un consultor de ingeniería independiente.

Su dirección de correo electrónico no será publicada.

Comentario

Nombre*

Correo electrónico*

Sitio web

Guarde mi nombre, correo electrónico y sitio web en este navegador para la próxima vez que comente.

D