Este artículo describe el algoritmo desarrollado por Analog Devices para la unidad de respaldo de batería (BBU) Open Rack V3 (ORV3) del Open Compute Project (OCP) para el sistema de gestión de baterías (BMS), un dispositivo esencial de cualquier BBU de centro de datos. Su principal responsabilidad es garantizar la seguridad del paquete de baterías mediante la supervisión y regulación de su estado de carga (SOC), salud y potencia. Por ello, es importante diseñar e implementar el BMS con sumo cuidado, ya que se trata de un componente complejo e importante en el centro de datos.

Introducción
Es necesario comprender el funcionamiento de un BMS mientras se exploran los diseños de referencia BBU de ADI. El BMS es responsable de monitorizar y regular el estado de la batería, asegurándose de que funciona dentro de unos parámetros seguros. Esto incluye la supervisión de los voltajes de la pila de la batería, las temperaturas de la pila de la batería y los niveles generales de corriente de la pila de la batería, así como la gestión de los ciclos de carga y descarga. La implantación de un BMS robusto permite una eficiencia y seguridad óptimas en las soluciones a nivel de sistema. Garantizar una larga vida útil de la batería es esencial para obtener el máximo rendimiento. Las sobrecargas o sobredescargas frecuentes sin saberlo pueden dañar su salud y acortar el ciclo de vida de la batería. Si se vigila cuidadosamente el estado de salud (SOC) de la batería y se le da un uso adecuado, se evitará cualquier parada o avería inoportuna y rendirá al máximo.

Además, controlar el SOC de la batería es importante para la salud general de la pila de baterías. Con el tiempo, las baterías pierden capacidad, y dejarlas a cero puede acelerar este proceso. El punto óptimo para la longevidad es mantener la batería cargada entre el 20% y el 80%. Conocer el SOC de la batería garantiza que el módulo BBU siga funcionando durante más tiempo.
Además del SOH y el SOC, es necesario conocer mejor la profundidad de descarga (DOD). La DOD es un factor importante a tener en cuenta cuando se utilizan baterías recargables. Se refiere al porcentaje de la capacidad de la batería que se consume en un solo ciclo de descarga. En general, se recomienda evitar descargar la batería por debajo del 20% de DOD para prolongar su vida útil. Sin embargo, algunas baterías pueden soportar descargas más profundas sin sufrir daños significativos. Es importante consultar las directrices del fabricante para conocer las recomendaciones específicas de profundidad de descarga para una batería en particular.Garantizar una larga vida útil de la batería es esencial para obtener el máximo rendimiento. Las sobrecargas o sobredescargas frecuentes sin saberlo pueden dañar su salud y acortar el ciclo de vida de la batería. Si se vigila cuidadosamente el estado de salud (SOC) de la batería y se le da un uso adecuado, se evitará cualquier parada o avería inoportuna y rendirá al máximo.

Además, controlar el SOC de la batería es importante para la salud general de la pila de baterías. Con el tiempo, las baterías pierden capacidad, y dejarlas a cero puede acelerar este proceso. El punto óptimo para la longevidad es mantener la batería cargada entre el 20% y el 80%. Conocer el SOC de la batería garantiza que el módulo BBU siga funcionando durante más tiempo.
Además del SOH y el SOC, es necesario conocer mejor la profundidad de descarga (DOD). La DOD es un factor importante a tener en cuenta cuando se utilizan baterías recargables. Se refiere al porcentaje de la capacidad de la batería que se consume en un solo ciclo de descarga. En general, se recomienda evitar descargar la batería por debajo del 20% de DOD para prolongar su vida útil. Sin embargo, algunas baterías pueden soportar descargas más profundas sin sufrir daños significativos. Es importante consultar las directrices del fabricante para conocer las recomendaciones específicas de profundidad de descarga para una batería en particular.
Además, es imprescindible considerar meticulosamente el aspecto químico de la batería. En el diseño del módulo BBU, la utilización de baterías de iones de litio (Li-ion) fue una elección prudente.

Factores como las tolerancias de fabricación, las variaciones en las capacidades de las celdas y las diferencias en los patrones de uso pueden provocar desequilibrios en las celdas. Estos desequilibrios pueden provocar una reducción de la capacidad total de la batería, una disminución de la eficiencia e incluso un fallo prematuro de la batería. El diseño exige disponer de un balanceador pasivo en la BBU. Así, el balanceado pasivo implica el uso de resistencias para purgar o disipar el exceso de energía de las celdas con niveles de tensión más altos. Este método es relativamente sencillo y rentable, pero puede provocar pérdidas de energía y generación de calor. Al garantizar que cada celda de un paquete de baterías funciona a niveles óptimos, el equilibrado de celdas mejora la eficiencia y eficacia generales de los sistemas de almacenamiento de energía, contribuyendo a un funcionamiento más sostenible y fiable del sistema de módulos BBU. El microcontrolador BMS utilizado en la BBU es el MAX32625. El microcontrolador BMS es responsable de dos procesos importantes. Véase la Figura 1.

Figura 1. Microcontrolador BMS Un microcontrolador BMS (MAX32625) conectado a un circuito integrado BMS (ADBMS6948).

1. Comunicarse con el CI BMS (ADBMS6948) para obtener datos de telemetría para voltajes de celda, temperatura de celda, subvoltaje, sobrevoltaje y nivel de corriente general de la pila de la batería.

2. Pasar todos los datos de telemetría recogidos del dispositivo hacia el microcontrolador principal a través de comunicación I2C.
El microcontrolador BMS se comunica con el ADBMS6948 a través del protocolo SPI. Enviando los códigos de comando apropiados, el microcontrolador BMS permite al dispositivo recoger datos de telemetría y realizar su operación al mismo tiempo. Consulte la Figura 2. Todos los datos recogidos del BMS IC serán enviados y procesados por el BMS MCU.

Figura 2. Proceso del microcontrolador BMS El proceso del microcontrolador BMS en el comando y almacenamiento de datos del chip BMS.

Otra tarea importante del microcontrolador BMS es enviar los datos recogidos al microcontrolador principal para ser utilizados en los algoritmos de carga y descarga, así como en el control de la velocidad del ventilador. Esto se hace a través de la comunicación por protocolo I2C con el microcontrolador BMS con registros para ser leídos por el microcontrolador principal. El mapa de registros para el microcontrolador BMS se puede ver en la Tabla 1.

Tabla 1. Mapa de registros del microcontrolador BMS Mapa de registros del microcontrolador BMS

Tenga en cuenta que todos los registros del microcontrolador BMS son registros de sólo lectura por el momento. La fecha de fabricación y el número de serie se capturan una sola vez para ser almacenados en una EEPROM externa del microcontrolador principal.

Detección de células y operación de balanceo
Técnicas de carga de celdas
La tensión constante (CV) y la corriente constante (CC) son dos técnicas de carga distintas que se emplean en los sistemas de carga de baterías para optimizar el proceso de carga y mejorar la vida útil de la batería.

Carga CV
La carga CV es un método de carga en el que se aplica una tensión fija a la pila de la batería durante la fase inicial de la carga. Cuando comienza el proceso de carga, el módulo BBU funciona en modo de carga y mantiene un nivel de tensión constante de 44 V, al tiempo que permite que la corriente de carga de 5 A disminuya gradualmente a medida que aumenta el SOC de la batería. Este enfoque es especialmente eficaz para evitar la sobrecarga, ya que la tensión se mantiene constante y no supera el límite de tensión de seguridad de la batería. Una vez que el voltaje de la pila de la batería alcanza 37 V a 40 V o un umbral predefinido, el cargador puede pasar a una fase de carga diferente, como reducir la corriente de carga de 5 A a 0,5 A.

Carga CC
La carga CC, por otro lado, implica la aplicación de una corriente de carga constante a los terminales de la pila de baterías. Durante esta fase, la corriente de carga permanece constante a 5 A mientras que la tensión de la batería aumenta gradualmente a medida que se carga.
Este método es especialmente útil para cargar rápidamente la pila de baterías con bajos niveles de carga inicial. Garantiza un flujo controlado de corriente en la pila de la batería hasta que se alcanza un determinado nivel de tensión. Una vez que la tensión de la pila de baterías alcanza un punto predeterminado, el proceso de carga puede pasar a una fase diferente, como la reducción de la corriente constante de 5 A a 2 A o una fase de tensión constante.
Los métodos de carga CV y CC se combinan con frecuencia en el modo de carga de la pila de baterías del módulo BBU para obtener un perfil de carga óptimo. La primera fase CC ayuda a suministrar energía rápidamente a la batería, mientras que la segunda fase CV evita la sobrecarga restringiendo la tensión. Esta técnica combinada proporciona una carga eficiente, prolonga la vida útil de la batería y mantiene la seguridad y el rendimiento del pack de baterías. La correcta implementación de los mecanismos de carga CV y CC es fundamental para el funcionamiento de carga del módulo BBU.

Método de detección de celdas
El método de detección de celdas es un aspecto fundamental de los sistemas de gestión de baterías. Esta técnica está diseñada para determinar con precisión la tensión y el estado de cada celda individual de un paquete de baterías. Mediante el empleo de sofisticados circuitos de detección y algoritmos de medición, el método de detección de celdas permite al sistema recopilar datos en tiempo real sobre la tensión, la temperatura y el estado general de cada celda. Esta información se utiliza después para tomar decisiones fundamentadas sobre las operaciones de carga, descarga y equilibrado, garantizando así un rendimiento óptimo, la seguridad y la longevidad de la batería. La detección eficaz de las celdas es fundamental para mantener la eficiencia y fiabilidad generales de los sistemas modernos de almacenamiento de energía.
Los 11 ADC del ADBMS6948 se dedican a detectar las 11 entradas diferenciales de celdas de la pila de baterías. La pila de baterías tiene una configuración de 11 en serie y 6 en paralelo y está conectada a los pines C0 a C10, que son los ADC del BMS. Tienen un rango de entrada de -2,5 V a +5,5 V y una frecuencia de muestreo de unos 4 MHz, produciendo resultados de 16 bits cada 1 ms con un LSB de 150 μV. Once ADC adicionales se dedican a medir simultáneamente las 11 entradas diferenciales utilizando pines S con un rango de entrada de 0 V a 5,5 V y una frecuencia de muestreo de unos 4 MHz, produciendo resultados de 13 bits con un LSB de 1,6 mV cada 8 ms. Estos S-ADC permiten la medición redundante del voltaje de la celda mediante un enfoque de medición completamente independiente de los C-ADC.

Operación de balanceo pasivo
El balanceo pasivo es una técnica empleada habitualmente en la gestión de sistemas de baterías, en la que la utilización de componentes pasivos, especialmente resistencias, se combina con la integración de MOSFET dispuestos en paralelo con celdas individuales. Estos componentes integrados asumen el papel de purgadores de tensión o disipadores de energía, facilitando la disipación controlada de la energía sobrante de las celdas que presentan estados de tensión o energía elevados.

El resultado consiguiente es la armonización gradual de los potenciales de tensión o los estados energéticos de las celdas de la batería, promoviendo así el equilibrio de la tensión y la energía durante un periodo prolongado.
Si las celdas de un paquete de baterías se desequilibran, el BMS debe equilibrarse descargando las celdas que tengan mayor tensión. Los pines S-ADC del ADBMS6948 pueden utilizarse para descargar celdas individuales. Los MOSFETs incorporados en los pines S-ADCs se pueden utilizar para descargar celdas. Cada pin del S-ADC puede ser controlado por separado o continuamente usando PWM. Configurando los registros PWMA, PWMB y CFGB, también es posible balancear las celdas mientras el microcontrolador BMS está en modo de reposo.

Carga de Celdas con Contador de Coulombios
El propósito principal de un contador de culombios es medir con precisión la cantidad de carga eléctrica (medida en culombios) que fluye dentro y fuera de una batería o circuito. Esta medición permite un mejor control de la carga y descarga de la pila de baterías, garantizando una mayor vida útil de la pila de baterías, una mayor eficiencia y una monitorización más precisa de la capacidad.
El ADBMS6948 tiene un contador de culombios integrado. Esto permite monitorizar la cantidad de carga que fluye a través de la batería durante el proceso de carga. El contador de culombios, también conocido como sensor de corriente integrado o monitor de carga, mide la cantidad total de carga eléctrica (en culombios) transferida hacia o desde una batería.

Cuando se carga una pila con un contador de culombios, el contador controla la cantidad de carga suministrada a la pila. Esto se hace midiendo la corriente que fluye a través de la batería e integrándola en el tiempo para calcular la carga total. Así, estimando el SOC de la batería e implementando algoritmos de carga se puede optimizar el proceso de carga.
El funcionamiento básico de un contador de culombios ADBMS6948 consiste en integrar la corriente que fluye dentro o fuera de la pila de la batería a lo largo del tiempo para calcular la carga total transferida. Así es como funciona:
► Medición de la corriente: El dispositivo mide la corriente que entra o sale de la pila de la batería. Esto se hace normalmente utilizando un sensor de corriente como una resistencia de derivación conectada en el lado bajo de la pila de baterías.
Integración: La corriente medida se integra en el tiempo utilizando el ADBMS6948. La integración consiste en sumar los valores de corriente a intervalos regulares para calcular la carga acumulada.
► Cálculo de la capacidad: La carga acumulada se convierte en amperios-hora (Ah) o culombios. Esto proporciona información sobre la capacidad restante de la pila de baterías.
► Supervisión y visualización: La capacidad calculada se procesa, se transfiere al MCU principal y se muestra en la interfaz gráfica de usuario para su posterior procesamiento. Esta información es valiosa para la gestión de la batería, la determinación del SOC y la prevención de la sobrecarga o sobredescarga.

Durante la carga, el contador de coulombios mide continuamente la corriente que circula por la celda y la integra en el tiempo. Conociendo el SOC inicial de la batería, se puede estimar el SOC durante la carga sumando la carga integrada al valor inicial. Esta estimación ayuda a prevenir la sobrecarga y permite la implementación de algoritmos de carga que optimizan el proceso de carga para factores como la temperatura, la edad de la batería y la química.
Consulte los artículos anteriores de ADI para obtener consejos sobre el balanceo y la optimización de la vida útil de las baterías. Estos recursos son muy recomendables para quienes busquen más detalles sobre el tema. Kevin Scott y Sam Nork escribieron dos artículos sobre los tipos de balanceo de celdas: : “Passive Battery Cell Balancing” y “Active Battery Cell Balancing.” . Para más detalles sobre la caracterización de celdas, por favor refiérase a "“Characterizing a Li+ Cell for Use with a Fuel Gauge.”

Resumen
Por lo tanto, la integración del BMS ADBMS6948 de ADI con una BBU es de suma importancia. Un BMS ofrece muchos beneficios que mejoran el rendimiento, la seguridad, la fiabilidad y la longevidad del sistema de baterías. Al optimizar el rendimiento de la batería, un buen BMS ayuda a maximizar la vida útil y la capacidad de la batería, garantizando un uso eficiente de sus capacidades de almacenamiento de energía. Gestiona activamente los procesos de carga y descarga, evitando la sobrecarga, la sobredescarga y el sobrecalentamiento que pueden dañar la batería.
La seguridad es un aspecto crítico, especialmente en los sistemas de baterías. Un sistema de gestión de baterías incorpora funciones de seguridad y mecanismos de supervisión para evitar fugas térmicas y minimizar los riesgos potenciales. Protege contra la sobrecorriente, la sobretensión y las condiciones anormales de temperatura, protegiendo el sistema de baterías y el entorno circundante. La eficiencia energética es otra de las grandes ventajas de un BMS. La optimización de los procesos de carga y descarga minimiza las pérdidas de energía y mejora la eficiencia global de la BBU. Esto se traduce en un ahorro de costes, un menor impacto medioambiental y un mayor aprovechamiento de los recursos energéticos disponibles.

El BMS también supervisa y calcula con precisión el SOC y el SOH de la pila de baterías. Esta información es crucial para gestionar adecuadamente el uso de la batería, calcular el tiempo de funcionamiento restante y planificar el mantenimiento o la sustitución. La incorporación de un contador de culombios es importante para medir y controlar con precisión. Esta información es esencial para una gestión eficiente de la batería y para alargar su vida útil en diversas aplicaciones, lo que mejora la fiabilidad del sistema y reduce la posibilidad de fallos inesperados.
En general, la inclusión del BMS ADBMS6948 de ADI en la BBU desempeña un papel importante a la hora de garantizar el mejor rendimiento, seguridad y fiabilidad de un centro de datos. Proporciona información crítica que todo usuario debe conocer para prolongar su funcionamiento.
La cuarta parte de esta serie, "Backup de batería ingeligente para alimentación ininterrumpida Parte4: Funcionamiento de la BBU Shelf" repasará cómo ADI diseña y ofrece una interfaz gráfica de usuario al tiempo que permite al usuario comunicarse con los seis módulos BBU de la BBU Shelf y recopilar datos de los mismos. También repasará el funcionamiento y la operación del MAX32625, que sirve como MCU dedicado al BBU Shelf.
La primera parte ya publicada, analiza las consideraciones de diseño eléctrico y mecánico de la BBU. La segunda parte también publicada profundiza en el software del microcontrolador principal.

Referencias
1 David Sun. "Open Rack/SpecsAndDesigns". Proyecto Open Compute.

Sobre el autor
Christian Cruz es ingeniero de desarrollo de aplicaciones en Analog Devices Filipinas. Es licenciado en ingeniería electrónica por la Universidad de Oriente en Manila, Filipinas. Cuenta con más de 12 años de experiencia en ingeniería en el campo del diseño analógico y digital, el diseño de firmware y la electrónica de potencia, que incluye el desarrollo de circuitos integrados de gestión de potencia, así como la conversión de potencia de CA a CC y de CC a CC. Se unió a ADI en 2020 y actualmente está apoyando los requisitos de gestión de energía para la computación basada en la nube y las aplicaciones de comunicaciones del sistema.

Sobre el autor
Marvin Neil Solis Cabueñas se graduó con una licenciatura en ingeniería electrónica de la Universidad De La Salle en Manila, Filipinas. Antes de incorporarse a Analog Devices en 2021, Marvin trabajó como ingeniero de sistemas para Azeus Systems Philippines, Inc. Después trabajó como ingeniero de redes para Technistock, Philippines, Inc. de 2014 a 2017, y como ingeniero de investigación y desarrollo para Nokia Technology Center Philippines de 2017 a 2020. Tiene más de 10 años de experiencia laboral en diferentes campos, como programación de sistemas embebidos, procesamiento digital de señales, modelado de simulación y otros. Actualmente trabaja como ingeniero sénior de sistemas de software trabajando en varios proyectos tecnológicos relacionados con la energía. Actualmente cursa un máster en ingeniería eléctrica en la Universidad de Filipinas.