BALANCEAMENTO DE BATERIAS DE LÍTIO-ÍON

 

 

 

Numa ligação em paralelo, o conjunto de células age como se fosse uma grande célula. Quando uma tensão de carga é aplicada ao conjunto de células em paralelo, todas as células do grupo experimentam a mesma tensão.

Tão logo a tensão de uma célula tente aumentar, corrente flui em suas células vizinhas e isso mantém o equilíbrio de tensão. Isso é conhecido como balanceamento. Células balanceadas têm a mesma tensão e, portanto o mesmo estado de carga.

Mas células ligadas em série não funcionam da mesma maneira. Quando uma carga é aplicada a várias células ligadas em série, apesar da corrente de carga ser a mesma em todas as células, as tensões serão diferentes em cada célula.

As células não são exatamente iguais. Tem resistências internas diferentes e tem estados iniciais  de carga diferentes. Um fabricante não pode prever a capacidade exata quando a célula sai da linha de produção, e isso é especialmente verdadeiro com baterias de chumbo e outras baterias que envolvem montagem manual. Mesmo a produção de células totalmente automatizada em salas limpas causa diferenças de desempenho.

Como parte do controle de qualidade, cada célula é medida e segregada em categorias de acordo com seus níveis de capacidade. As baterias de alta capacidade e outras células podem ser reservadas para aplicações especiais e vendidas a preços superiores; A grande gama média irá para mercados comerciais e industriais. E as células de baixo grau podem acabar em um produto de consumo ou em uma loja de departamentos.

A incompatibilidade de células é uma causa comum de falha em baterias industriais. As células ficarão desbalanceadas, ou seja, terão estados diferentes de carga e tensão. Fabricantes de ferramentas elétricas profissionais e equipamentos médicos são cuidadosos com a escolha de células para obter boa confiabilidade da bateria e longa vida útil.

Um pack de baterias com células de boa qualidade, com conexões elétricas bem feitas, terá células com resistências quase idênticas. Isso faz com que as células fiquem balanceadas. No entanto, em níveis mais elevados de correntes, nem a boa qualidade das células garante o seu balanceamento.

Para células de baixa qualidade, com grandes diferenças na resistência interna, ou mesmo para packs de baterias feitos com células de boa qualidade, mas com ligações elétricas pobres, as células podem começar a perder o balanceamento após alguns ciclos de carga.

A tolerância de capacidade entre as células de uma bateria industrial deve ser de +/- 2,5%.

Para packs de baterias de alta tensão concebidos para cargas pesadas e uma ampla gama de temperaturas deve-se reduzir ainda mais a tolerância da capacidade. Existe uma forte correlação entre o equilíbrio celular e a longevidade.

Realizando-se ensaios em diferentes packs de baterias Li-Ion com diferentes níveis de desbalanceamento de células conclui-se que quanto maior for o desbalanceamento das células num pack, maior será a perda de capacidade após alguns ciclos de carga e descarga.

 

Figura 1 - Capacidade em packs desbalanceados

 

As células de Li-Ion de qualidade têm capacidade uniforme e autodescarga baixa quando novas. A adição de balanceamento de células é benéfica especialmente à medida que o pack de baterias envelhece e o desempenho de cada célula diminui em seu próprio ritmo.

Todas as células Li-Ion requerem um circuito de proteção que assegura que as células conectadas em série não excedam 4,25V/célula (a maioria dos Li-Ion) na carga e que desconecta a carga quando a célula mais fraca cai para 2,80V/célula ou inferior.

A desconexão na descarga impede que as células mais fortes empurrem a célula mais fraca para polaridade inversa.

Isso pode explicar por que os packs Li-Ion para ferramentas elétricas duram mais do que as baterias de níquel sem um circuito de proteção. O circuito de proteção também protege a bateria de corrente de carga excessiva.

Existem carregadores de balanceamento que monitoram cada grupo células em série e que promovem o balanceamento durante o processo de carga.

Porém carregadores simples, que aplicam uma tensão no pack, não conseguem fazer com que todas as células sejam carregadas com a mesma tensão.

Algumas células ficarão sobrecarregadas, com tensão superior e outras ficarão com tensão inferior e um estado mais baixo de carga. Essas células vão ser drenadas ainda mais da próxima vez que o pack for descarregado, causando danos irreparáveis a essas células.

Em seguida, as células de tensão mais elevada vão ser carregadas com mais de 4,2V (a tensão adequada de carga completa para Li-Ion) ou 3,65V (a tensão adequada de carga completa para LiFePO4). Passar qualquer quantidade de tempo acima da tensão máxima causará danos irreparáveis para as células.

O desbalanceamento de células é também uma condição degenerativa. Como as células tornam-se desequilibradas, eles suportam uma quantidade desproporcional da carga, que faz com que elas se tornem mais desequilibradas até que a bateria se destrói.

O que podemos fazer para impedir que as células se tornem desequilibradas após muitos ciclos de carga? Uma opção é usar um carregador de balanceamento, como mencionado acima. Carregadores de balanceamento são comumente usados para baterias lítio-polímero.

Os carregadores de balanceamento além de carregar o pack de baterias como um todo, também possuem fios menores que são conectados a cada célula, ou grupo de células em paralelo.

 

Figura 2 - Carregador de balanceamento

 

As placas BMS permitem que um carregador simples seja usado para carregar um pack de baterias.

A placa BMS situa-se entre o carregador simples e as células de bateria e regula as células. Ela permite que a tensão total do pack de baterias fornecida pelo carregador simples, chegue às células de maneira adequada.

A placa BMS basicamente faz o trabalho de um carregador  de balanceamento, mas em vez de residir no carregador, geralmente é instalada no interior da bateria sob a forma de uma placa de circuito separada.

Placas BMS maiores, por outro lado, muitas vezes têm seus próprios compartimentos em separado, para ajudar a dispersar o calor causado pelo processo de balanceamento.

 

Figura 3 - Placa BMS de proteção

 

O fato de que a BMS está sempre conectada à bateria fornece alguns benefícios significativos.

Quase todas as placas BMSs também possuem um circuito de proteção para descarga. Porque elas estão conectadas a cada célula ou grupo de células, elas monitoram a tensão de cada célula.

 

Figura 4 - Placa BMS com balanceamento

 

Sempre que a primeira célula atinge a tensão mínima de corte, a placa BMS vai cortar o circuito de descarga e interromper a descarga da bateria.

Isto protege as células da bateria de serem descarregadas além do mínimo o que produziria danos irreparáveis.

Além disso, a placa BMS também protege o pack de baterias contra corrente de descarga excessiva. A placa BMS corta a energia da bateria se a carga da bateria exceder um determinado limiar. A placa BMS também protege contra curto-circuito.

Algumas placas BMS têm proteção térmica incorporada, onde uma sonda de temperatura monitora a temperatura instantânea e pode parar o processo de carga ou descarga, se a bateria ficar quente demais.

O sensor de temperatura é colocado contra as células da bateria, onde será mais sensível a um aumento repentino na temperatura da célula.

Uma das principais desvantagens das placas BMS é que elas podem falhar ocasionalmente e quando isso acontece, muitas vezes ela causa o problema que ela foi construída para evitar.

Uma placa BMS que falha pode drenar lentamente as células em uma bateria, muitas vezes, a uma taxa que se torna imperceptível para o usuário. Isso pode resultar em dano nas células, tornando-as degradadas ou destruídas ao longo do tempo, ou muito rapidamente, dependendo do tipo de falha.

Baterias que são produzidas em massa com ênfase na redução de custos ou baterias de procedência desconhecida, são mais propensas a ter esses problemas devido a terem placas BMS baratas, com padrões de controle de qualidade pobre.

Às vezes, fabricantes tentam reduzir o custo das baterias já caras usando placas BMSs mais baratas. Isso resulta em uma morte prematura da bateria, quando a placa BMS de baixa qualidade falha. Packs de bateria de qualidade devem ter células de qualidade bem como placas BMS de qualidade.