BALANCEAMENTO DE BATERIAS PASSIVO VERSUS ATIVO

 

 

O que é melhor para uma determinada aplicação?

 

Introdução

 

Balanceamento é o nome que damos a um processo que tem por finalidade modificar os níveis de carga, dentro das células individuais de uma determinada bateria, célula por célula.

O estudo do balanceamento requer que aprendamos sobre circuitos de balanceamento, bem como estratégias de balanceamento. 

O balanceamento de células melhora a vida útil da bateria, maximizando a capacidade de suas células, garantindo que toda a energia da bateria esteja disponível para uso.

 

Porque o balanceamento é necessário?

 

               

 

 

Conforme a ilustração da bateria acima é possível notar que a célula que está à esquerda do desenho (CÉLULA1) se encontra em um estado de carga muito alto, em contrapartida a célula que está à direita do desenho (CÉLULA 2) se encontra em um estado de carga muito baixo.  Uma vez que essas células não têm um nível de carga igual, dizemos que a bateria se encontra desbalanceada. 

 

Como consequência deste desequilíbrio a célula da esquerda (CÉLULA1) ficará muito sobrecarregada, deste modo a bateria não será capaz de fornecer energia de forma adequada e consequentemente a vida útil de ambas as células bem como da bateria estará comprometida.

 

As células individuais de uma bateria podem ter estados de carga (SOC) diferentes. Sem o balanceamento, a descarga provavelmente irá parar quando a célula com a menor capacidade estiver vazia, mesmo que as outras células ainda não estejam vazias. Isso limita a capacidade de fornecimento de energia de uma determinada bateria.

 

O balanceamento de células é uma das principais funções de um BMS (Battery management system), juntamente com monitoramento de temperatura, carregamento e outros recursos que ajudam a maximizar a vida útil de uma bateria.

 

Para resolver o problema de desbalanceamento é necessário criar uma forma para trazer essa bateria de volta para um estado mais útil (células balanceadas), onde a bateria será capaz de fornecer e receber energia de forma adequada.

 

Uma célula com carga baixa em relação a outra limitará a performance da bateria a menos que ela seja submetida a um processo de balanceamento.

 

 

 

 

Circuitos de balanceamento deverão ser implementados para manter a bateria adequadamente balanceada, estes circuitos irão equalizar os níveis de carga entre as células individuais da bateria.

 

Existem dois tipos de balanceamento:

 - Dissipativo: o balanceamento dissipativo é tradicionalmente conhecido como balanceamento passivo.

 

 - Não dissipativo: o balanceamento não dissipativo é tradicionalmente conhecido como balanceamento Ativo.

 

Infelizmente, o significado de balanceamento "ativo" e "passivo" tem sido confuso e interpretado de outras formas. Os termos "dissipativo" e "não-dissipativo" não estão abertos a interpretações erradas.

Balanceamento Passivo

Basicamente o balanceamento passivo drena a energia das células que têm muita carga ou as que têm mais carga do que as outras. Ele dissipa essa energia simplesmente desperdiçando em forma de calor. 

No balanceamento passivo o excesso de energia das células com carga alta é dissipado através do resistor até que a carga corresponda às células com energia mais baixa da bateria.

Balanceamento passivo mais simples:

A ideia geral de é que se colocarmos um resistor em paralelo com cada célula da bateria, esse resistor fornecerá um caminho separado para a corrente fluir, e este resistor pode drenar a energia dessa célula. Esta energia passa através do resistor, o estado de carga da célula diminui e, ao mesmo tempo, a energia removida desta célula é dissipada como calor produzido pelo resistor.

 

Isso significa que as células de alta tensão vão se autodescarregar mais rapidamente através das resistências, do que as células de baixa tensão, e que tendem a manter a bateria em equilíbrio. 

 

 

O circuito abaixo apresenta uma variação do balanceamento passivo com diodo zener. Quando a tensão de uma célula da bateria está acima do ponto de ajuste zener o resistor é ativado e a carga da respectiva célula é esgotada até que a tensão da célula caia abaixo do ponto de ajuste zener.

                                

 

 

 

Uma variação que funciona para Lítio-ion é substituir o diodo zener por interruptores controlados pelo BMS (Battery management System). O BMS fecha os contatos nas células com muita carga permitindo que a energia seja retirada da célula mais carregada e dissipada como calor por meio dos resistores.

 

Vantagens e desvantagens do balanceamento passivo

Vantagens	Desvantagens
Permite que todas as células tenham o mesmo estado de carga. Simplicidade do circuito, e, portanto, requer menos tempo de engenharia.	O Desperdício de energia Em altas correntes de balanceamento, o calor gerado pode afetar as células
Mais fácil de projetar
Fornece um método de baixo custo para balanceamento de células

 

 

Balanceamento Ativo

 

O balanceamento ativo move a energia das células que têm mais carga do que outras, para células que têm menos carga.  O balanceamento ativo não dissipa a energia da célula, mas tenta conservar a energia movendo essa energia de uma célula para outra célula da bateria. Assim, os projetos de balanceamento ativo geralmente exigem componentes eletrônicos que são conhecidos como componentes ativos, como transistores. Alguns tipos de projetos de balanceamento passivo também exigem o que são conhecidos como componentes ativos ou transistores.

 

Balanceamento ativo no carregamento x descarregamento da bateria

 

Um balanceamento ativo transfere energia de uma célula com alto valor de carga para outras com valores de carga inferiores, tanto no carregamento como no descarregamento prolongando a vida útil do pack de baterias.

 

              

 

Os circuitos de balanceamento ativos podem ser divididos em algumas categorias gerais:

 

Balanceamento ativo com capacitor único

Este método é bem simples porque usa um único capacitor independentemente do número de células conectadas na bateria, contudo esse método necessita de um grande número de chaves e de um controle inteligente para estas chaves.

                              

 

 

 

 

 

Balanceamento ativo com múltiplos capacitores: Este método com um capacitor conectado para cada célula, transfere a energia da célula desigual pelos capacitores. Necessita de um controle inteligente para as chaves.

Circuitos com capacitores podem ser usados para mover cargas de uma célula com carga alta para uma célula com carga baixa.

 

                             

 

 

Balanceamento ativo com transformador

 

 

Projetos de balanceamento ativo com transformador são muito mais eficazes do que o balanceamento ativo por capacitores que em geral demoram muito mais tempo para balancear a bateria. Podemos tirar proveito da lei de proporções dos transformadores para mover a carga de uma ou mais células em uma única célula que precisa de seu nível de carga aumentado. O principal benefício dos projetos baseados em transformadores é que eles podem mover a carga com bastante rapidez. 

 

 

 

 

A proporção de enrolamentos no transformador é n para um, o objetivo é distribuir a energia das células que estão com carga mais alta e alimentar uma única célula conforme indicado pelos interruptores. 

O transformador tem uma proporção de n do enrolamento primário para secundário. O diodo mais os interruptores selecionam a célula da bateria que recebe a carga saindo do secundário do transformador. O diodo é necessário devido à saída do transformador ser um sinal de corrente alternada e o diodo converte em um sinal retificado de corrente contínua que se torna adequado para carregar uma célula da bateria. 

Então, este diodo garante que o secundário nunca descarregue corrente alternada na célula à qual está conectado.

 

 

Circuito simplificado com transformador

 

A variação do circuito com transformador possui um primário e n secundários, um para cada célula.

 

                                    

 

 

Os diodos são responsáveis para retificar a corrente alternada e ter uma tensão menor do que é produzido pelo secundário ao qual eles estão conectados, e assim, automaticamente estamos convertendo uma tensão de uma célula n em uma tensão média individual usando o transformador e, em seguida, se a tensão média é maior do que a tensão de qualquer célula em particular, essa célula está sendo carregada através do diodo. 

 

Nesta variação, o balanceamento é completamente automático sem exigir qualquer tipo de algoritmo sofisticado, e esse método de balanceamento fará com que todas as tensões de todas as células da bateria se aproximem da tensão média. 

. Este transformador precisa ser construído sob medida para a bateria para que cada secundário tenha o número correto de enrolamentos em comparação com o primário, o que pode fazer com que a fabricação do transformador fique bastante caro. 

 

Então, esse design é muito mais eficiente do que o balanceamento passivo em termos de velocidade. É muito mais rápido, mas tem uma desvantagem. Os projetos baseados em transformadores tendem a ser mais caros do que outros projetos porque os custos do transformador são significativos, assim como os custos eletrônicos para o controle.

 

Então, neste momento, os fornecedores de circuitos integrados de monitoramento de pilha de baterias estão trabalhando para criar chips de controles automáticos para reduzir o custo da eletrônica e para tornar esse tipo de projeto mais prático economicamente, mas ainda estamos limitados pelo custo dos transformadores.

 

 

 

Balanceamento ativo com conversor DC-DC

 

O sistema de balanceamento de carga ativo usa conversores DC-DC bidirecionais para fornecer ou drenar a corrente. Atua sob o controle do microcontrolador BMS. Este balanceamento se destaca pela confiabilidade e pela alta eficiência.    

O microcontrolador é responsável por monitorar as cargas de cada elemento e determinar qual célula deve ser descarregada e qual deve ser carregada.

 

O principal problema com circuitos de balanceamento ativo é seu custo. Se fôssemos capazes de fazer circuitos de balanceamento ativo custar o mesmo que circuitos de balanceamento passivo, então seria mais amplamente aceito. 

 

 

Vantagens e desvantagens do balanceamento Ativo

 

Vantagens	Desvantagens
Maximiza o uso da capacidade	Requer um custo alto na fabricação
Funciona muito bem quando você tem diferentes capacidades de células em uma série.	Maior dificuldade na construção
Aumenta a eficiência energética	Circuitos mais complexos
Economiza energia em vez de desperdiçar o excesso de energia em uma célula, transferindo o excesso de energia para uma célula de energia mais baixa.
Melhora a vida útil das células e da bateria.
Balanceamento rápido

 

Aplicações em que o balanceamento ativo é o melhor:

 

Aplicação	Razão
Bateria grande que é construída com células com estado de carga (SOC) desconhecido, ou cujas células provavelmente serão substituídas individualmente no campo.	Requer equilíbrio bruto
Bateria grande que é carregada em pouco tempo.	O tempo disponível para o equilíbrio é uma pequena proporção de tempo de ciclo, por isso deve ser feito em alta corrente
Bateria média a grande que deve ser extremamente eficiente	Não deve desperdiçar energia como calor
Bateria média a grande operando sempre a altas temperaturas	O vazamento de células (corrente de autodescarga) é muito alto

 

Comparação balanceamento Passivo x Ativo

 

Conclusões

 

A potência manuseada ao manter uma bateria Li-Ion em equilíbrio é geralmente mínima, normalmente na ordem de 0,1 a 10 W por célula em série. Portanto, na maioria dos casos, a questão sobre se o balanceamento ativo ou passivo é melhor é puramente acadêmica.

Nas poucas aplicações em que a potência manuseada é perceptível (> 10 W/célula), é possível que o balanceamento passivo e o equilíbrio não diminutivo gerem quantidades semelhantes de calor desperdiçado (devido ao poder de suporte de circuitos de balanceamento ativo).

Em geral, o custo significativamente maior de balanceamento ativo supera quaisquer argumentos de economia de energia, especialmente quando essas economias são mínimas.

O argumento a favor do balanceamento ativo não se resume à sua eficiência, mas à sua capacidade de transferir uma quantidade significativa de carga rapidamente, em aplicações onde apenas um curto tempo está disponível para equilíbrio, ou o equilíbrio bruto frequente é necessário.

O balanceamento compensa o SOC de células individuais, não o desequilíbrio de capacidade. A coisa boa sobre o equilíbrio de uma bateria é que, se a bateria for balanceada na fábrica, o BMS só precisa lidar com a corrente de balanceamento. Isso faz mais sentido construir baterias que já estejam balanceadas, para eliminar a necessidade de um BMS que possa realizar balanceamento bruto.

O balanceamento compensa o SOC de células individuais, não o desequilíbrio de capacidade. A coisa boa sobre o equilíbrio de uma bateria é que, se a bateria for balanceada na fábrica, o BMS só precisa lidar com a corrente de balanceamento. Isso faz mais sentido construir baterias que já estejam balanceadas, para eliminar a necessidade de um BMS que possa realizar balanceamento bruto.

Para minimizar os efeitos dos desvios de voltagem da célula, os desequilíbrios devem ser devidamente moderados. O objetivo de qualquer esquema de balanceamento é permitir que a bateria opere em seu nível de desempenho esperado e estenda sua capacidade útil.