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El diseño de vehículos eléctricos es un concepto complejo. Aquí hay un vistazo al corazón de cada EV: la batería.

La pieza fundamental de cualquier vehículo eléctrico (EV) es su batería. La batería debe estar diseñada para satisfacer los requisitos de los motores y el sistema de carga que utiliza un vehículo.

Esto incluye restricciones físicas como un embalaje eficiente dentro del cuerpo del vehículo para maximizar la capacidad. Como el principal contribuyente al peso en un vehículo eléctrico, los diseñadores también deben considerar la ubicación de la batería dentro de un vehículo, ya que pueden afectar la eficiencia energética y las características de manejo del vehículo (que generalmente es la razón por la que a menudo verá baterías colocadas debajo de la bandeja del piso del vehículo) .

A continuación, se incluye una descripción general de algunas de las especificaciones, consideraciones de seguridad y sistemas de administración que se incluyen en el diseño de baterías EV.

Especificaciones de la batería EV: voltajes y capacidades

La batería de un vehículo eléctrico a menudo se compone de muchos cientos de celdas individuales pequeñas dispuestas en una configuración en serie / paralela para lograr el voltaje y la capacidad deseados en el paquete final. Un paquete común está compuesto por bloques de 18-30 celdas paralelas en serie para lograr el voltaje deseado. Por ejemplo, un paquete nominal de 400 V a menudo tendrá alrededor de 96 bloques de la serie (como en el Modelo 3 de Tesla).

Los voltajes nominales comunes del paquete en los vehículos actuales varían de 100V-200V para vehículos híbridos / híbridos enchufables y de 400V a 800V y superiores para vehículos solo eléctricos. La razón de esto es que los voltajes más altos permiten que se transfiera más potencia con menos pérdida sobre el mismo diámetro (y masa) del cable de cobre.

Un ejemplo de sistema de batería EV con celdas individuales en serie.

Los inconvenientes de los voltajes más altos incluyen la necesidad de componentes de mayor voltaje en todo el sistema. También evitan la capacidad de usar estaciones de carga rápida de CC de menor voltaje sin incorporar algún tipo de convertidor de refuerzo de CC-CC en el cargador de a bordo.

Los rangos comunes de capacidad de la batería, por otro lado, son los siguientes:

• Vehículos híbridos: 0.5 a 2 kWh
• Vehículos híbridos enchufables: 4 a 20 kWh
• Vehículos eléctricos: 30 a 100 kWh o más.

Seguridad en baterías EV: contactores (y fusibles Pyro)

La batería representa múltiples desafíos para la seguridad cuando se trata de diseño, así como con respecto a los altos voltajes presentes permanentemente dentro de ellos.

Hay fusibles dentro de la batería antes del conector de salida, a menudo en el lado positivo y negativo. Los relés sellados especiales de alta corriente conocidos como contactores conectan los fusibles internos a la batería.

Una serie de relés EV Panasonic / contactores de CC (izquierda) y un desglose de la estructura de un contactor. Imágenes de Panasonic

Los contactores incorporan características tales como contactos de sacrificio para evitar una mayor resistencia debido a picaduras de contacto. También a menudo incorporan un contacto auxiliar para detectar la soldadura interna que puede ocurrir si el contactor se abre intencionalmente o no mientras una gran corriente lo atraviesa.

La fuente de alimentación de la bobina del contactor generalmente se pasa a través de un HVIL o un circuito de enclavamiento de alto voltaje, que recorre todos los componentes de alto voltaje en el sistema junto con los cables de alto voltaje (generalmente incorporados en cada conector), de modo que el contactor no pueda recibir energía para cierre a menos que todas las conexiones de alto voltaje estén bien conectadas a la batería.

Un contactor de precarga se cierra antes que los contactores principales, para permitir que una pequeña corriente fluya hacia el sistema a través de una resistencia grande. Esto limita la corriente de entrada en todos los condensadores grandes del sistema y permite que el sistema de gestión de la batería detecte cortocircuitos antes de que se complete la ruta de alta corriente.

El aislamiento se controla continuamente, generalmente en ambos lados de los contactores principales, y se producirá una falla si el aislamiento de ambos lados del sistema de alto voltaje al chasis cae a menos de 500 ohmios por voltio.

Tesla también incorporó un nuevo dispositivo de seguridad en su Modelo 3 y paquetes más nuevos, conocido como un fusible piro. Este dispositivo se puede abrir mediante una pequeña carga pirotécnica si los contactores se sueldan, lo que les permite utilizar contactores menos robustos. A veces se incluye una resistencia de descarga y un contactor a través de la salida de la batería para permitir que el sistema se descargue activamente a un voltaje seguro después del apagado.

PCB de monitoreo de batería EV

Los bloques de celdas de la batería deben controlarse y mantenerse en equilibrio, y las tarjetas de circuitos especializados se incluyen dentro del paquete para realizar esta tarea. Estas placas deben incluir una interfaz de comunicación aislada, ya que la referencia a tierra de cada placa será de cientos de voltios diferentes entre sí y del BMS principal (sistema de gestión de la batería).

Estas tarjetas monitorean el voltaje y la temperatura de cada bloque, así como la temperatura de las interconexiones entre bloques. También contienen pequeños grupos de resistencias para llevar a cabo la tarea de equilibrio.

Los bloques de celdas dentro del paquete deben mantenerse dentro de unos pocos milivoltios entre sí para permitir que la potencia máxima se transfiera dentro y fuera del paquete. Debido a las diferencias naturales en la fabricación de las células, algunos bloques se cargarán o descargarán un poco más rápido que otros. Para combatir esto, durante la carga, se realiza un equilibrio que drena una pequeña cantidad de energía de los bloques de voltaje más alto para acercarlos a los demás.

Estas tarjetas de monitoreo de bloques también proporcionan una característica de seguridad adicional del paquete, que permite que la temperatura de las celdas y los puntos de interconexión dentro del paquete sean monitoreados con mucha precisión. En casos de, por ejemplo, células dañadas, esto significa que se puede generar una falla antes de que se produzca un daño grave o incluso un incendio.

Sistemas de gestión de batería (BMS)

Finalmente, el Sistema de administración de batería, o BMS, como se lo conoce comúnmente, administra la tarea de monitorear y controlar todos los aspectos de la batería.

Las derivaciones actuales informan varios datos al BMS, incluida la carga total transferida dentro y fuera del paquete. Las mediciones de voltaje antes y después de los contactores permiten monitorear los voltajes del sistema del paquete. El control del contactor y los circuitos economizadores gestionan el cierre del contactor y minimizan la corriente estática a través de las bobinas después de que los contactos se hayan conectado.

El BMS también está en comunicación constante con las placas de administración de bloques para monitorear el voltaje y la temperatura de la celda y controlar el equilibrio.

Diagrama de bloques de diseño de referencia para una batería de 400V. Imagen de Texas Instruments

Las temperaturas generales del sistema y del conector se controlan para detectar cualquier conexión de alta resistencia causada por conectores o pernos flojos.

El aislamiento del sistema y del paquete también se supervisa continuamente, y se pueden incorporar otras características de seguridad potencialmente redundantes. El BMS también expone una interfaz de comunicación al resto del vehículo, a menudo a través de Ethernet de automóvil o bus CAN, donde se comunica con el inversor, el cargador y otros sistemas. Calcula y proporciona los límites de corriente de carga y descarga, el estado de salud del paquete y el estado de carga, y notifica a otros sistemas cuando los contactores deben abrirse de manera ideal para que puedan abrirse sin una carga presente.

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Esto concluye nuestra exploración en el corazón del vehículo eléctrico, la batería. ¡Háganos saber en los comentarios a continuación si desea obtener más información sobre la anatomía de los vehículos eléctricos!