PROTEÇÃO DE PACKS DE BATERIAS - PLACAS BMS / PCM E BALANCEAMENTO
Sistemas de gerenciamento de bateria (BMSs), ou como são menos comumente conhecidos, módulos de circuito de proteção (PCMs) ou placas de circuito de proteção (PCB), são circuitos que devem ser adicionados a uma bateria de Lítio íon para proteger a saúde das células individuais na bateria e prolongar a sua vida útil.
Sistemas de gerenciamento de baterias controlam a carga e a descarga das baterias, otimizando sua utilização para aumentar a sua eficiência, segurança e vida útil.
Figura 1 - Placa de proteção de baterias Lítio íon – BMS
As placas mais básicas têm pelo menos as seguintes funções:
- Proteção contra sobre tensão na carga
Para garantir o uso seguro, as células de lítio-íon devem operar dentro de parâmetros de tensão muito rigorosos. Dependendo do fabricante e da composição química da célula, esse parâmetro de tensão máxima varia na carga entre 4,2 V por célula e 4,25 V por célula.
A placa PCM monitora esses parâmetros de tensão e se forem excedidos, providencia a desconexão da bateria da carga ou do carregador.
- Proteção contra subtensão na descarga
Para garantir o uso seguro, as células de lítio-íon nunca devem ser descarregadas abaixo da sua tensão mínima. Dependendo do fabricante e da composição química da célula, esse parâmetro de tensão mínima varia na descarga entre 3,0 V e 2,5 V por célula.
A placa PCM monitora esses parâmetros de tensão e se forem excedidos, providencia a desconexão da bateria da carga ou do carregador.
- Proteção contra sobre corrente na descarga
A placa monitora a corrente de descarga. Se essa corrente excede o valor especificado a placa interrompe o processo de descarga.
- Proteção contra inversão de polaridade
Se a polaridade do carregador for invertida, a placa BMS interrompe o processo de carga.
Além dessas especificações mínimas existem placas BMS bem complexas que executam muitas outras funções de proteção.
- Proteção contra sobre corrente na descarga
A corrente de carga não deve ser muito alta, normalmente abaixo de 0,7C.
- Monitoramento
Em placas BMS utilizadas em aplicações mais complexas, como por exemplo veículos elétricos, existem circuitos que devem prover para o usuário as informações dos parâmetros da bateria, como potência máxima e carga útil, de forma a permitir o uso inteligente da energia disponível.
- Balanceamento
Para garantir o uso seguro, as células de lítio-íon devem operar com tensão máxima entre 4,2 V por célula e 4,25 V por célula e com tensão mínima entre 3,0 V e 2,5 V por célula.
No caso de uma única célula ou de múltiplas células ligadas em paralelo, isso é muito simples de ser feito, já que a placa PCM monitora uma única tensão. Porém quando se ligam várias células em série, a placa PCM deve monitorar a tensão individual de cada célula.
As células não são exatamente iguais. Tem resistências internas diferentes, tem estados iniciais de carga diferentes e, além disso, as células envelhecem de maneira diferente ao longo do tempo. 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.
Uma solução para atenuar esse problema seria usar células novas, de um mesmo lote de fabricação, de forma a ter no pack de baterias, células com características as mais próximas possíveis entre si. Porém, mesmo células de fabricantes excelentes, não são exatamente iguais e, portanto, esse procedimento por si só não resolve o problema.
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 células garante o balanceamento das células.
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.
Para células de baixa qualidade, com grandes diferenças na resistência interna, ou mesmo para packs de baterias feitas 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%.
Realizando-se ensaios em diferentes packs de baterias lítio íon 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.
A figura 2 mostra a perda de capacidade do pack em função do desbalanceamento das células.
Placas PCM que não possuem a função de balanceamento, apenas monitoram a tensão de cada célula e quando a tensão de uma das células excede o valor inferior na descarga ou o valor superior na carga, ocorre a desconexão da bateria do carregador ou da carga. Por exemplo, no caso de um pack de baterias de lítio-íon com três células conectadas em série, durante o ciclo de carga, se qualquer uma das células atingir seu limite superior de tensão, a placa PCM desconectará automaticamente o pack do carregador, encerrando assim todo o processo de carregamento, independentemente do estado de carga das outras duas células.
Figura 2 - Capacidade em packs desbalanceados
Dependendo da disparidade nas tensões das células usadas no pack de baterias, essa situação pode resultar em um pack de baterias que nunca atinge a carga total, diminuindo assim o seu desempenho e o tempo de uso do equipamento alimentado por essa bateria.
Da mesma forma, durante a descarga, se qualquer uma das três células atingir seu limite de tensão mais baixo, a placa PCM desconectará a carga e encerrará o processo de descarga, independentemente dos estados de carga das outras duas células.
Em outras palavras, um pack de baterias só funcionará tão bem quanto sua célula mais fraca. Num pack de baterias com poucas células esse problema pode ser aceito e se pode utilizar placas BMS mais simples e baratas.
Porém em veículos elétricos, onde cada pack de baterias contém centenas de células, seria absurdo construir um pack de baterias cujo desempenho fosse determinado pelo desempenho da célula mais fraca.
As células de Lítio íon de qualidade têm capacidade uniforme e auto descarga 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.
Para evitar esse desequilíbrio entre as células, o uso de placas PCM com circuitos de balanceamento é altamente recomendável.
A principal dificuldade no gerenciamento dos packs de baterias é a determinação do estado de carga das células (SoC – State of Charge – Estado de Carga) das células, assim como o correto balanceamento ou equalização das células. O estado de carga mostra a capacidade da célula num determinado momento.
Durante a operação de um pack de baterias os estados de carga de suas células podem desbalancear, devido às diferenças entre as células, ao tempo de armazenamento e o envelhecimento.
Se as baterias forem utilizadas sem um sistema de balanceamento, a tendência é que a bateria se torne mais desbalanceada com o passar do tempo, o que acarreta numa redução significativa da capacidade útil da bateria como mostrado na figura 2.
Ao consumir a carga armazenada em determinadas células ou em transferir a carga entre as células, o balanceamento faz com que todos os estados de carga das células do pack de baterias fiquem com valores similares, fazendo com que se consiga extrair o máximo de capacidade possível do pack de baterias.
Equalizar ou balancear as células significa extrair menos corrente das células com menor capacidade e extrair mais corrente das células com maior capacidade.
O controle de balanceamento depende da estimativa do estado de carga das células. Sistemas simples de balanceamento apenas equalizam as tensões nas células, admitindo que se todas as células estiverem em tensões similares, elas estarão balanceadas, com estados de carga similares. Porém diferenças nas capacidades, residências internas, idade e envelhecimento das células, fazem com que a tensão não seja por si uma ótima maneira de estimar o real estado de carga da célula. Utilizando as medidas de tensão e corrente nas células e através de modelos matemáticos é possível estimar o estado de carga das células com maior precisão. Em geral os sistemas de balanceamento de bateria podem ser classificados em três grupos:
- Passivo
- Ativo
- Por chaveamento (de carga)
No balanceamento passivo, resistores ou outros componentes eletrônicos são utilizados para consumir a carga de células específicas, ao passo que para o balanceamento ativo conversores de tensão (conversores CC/CC) são utilizados para transferir carga entre as células. O balanceamento por chaveamento conecta ou desconecta as células a uma ou mais cargas de modo a equalizar os estados de carga sem que a carga seja diretamente transferida entre as células.
Vale notar que enquanto no balanceamento passivo a carga é dissipada, no balanceamento por chaveamento ela é consumida pelo sistema a ser alimentado pela bateria, aumentando, assim, o aproveitamento da energia da bateria. O segredo de uma boa placa BMD está no algoritmo de controle de balanceamento do estado de carga das células do pack de baterias. Um algoritmo adequado de balanceamento depende necessariamente de estimativas do estado de carga de cada célula. Então saber estimar o estado de carga de cada célula é fundamental par resolver o problema. Na prática o que se tem disponível é a medida de tensão e corrente de cada célula. Tendo essas informações deve-se usar um modelo matemático (software) que calcula o estado de carga a partir da corrente e tensão e então enviar informações ao controlador do pack de baterias para proceder ao balanceamento de forma adequada.O desenvolvimento deste modelo matemático é bastante complexo principalmente porque as baterias não envelhecem de maneira igual ao longo do tempo.Os passos necessários ao desenvolvimento de uma placa BMS que consiga controlar um pack de baterias com centenas de células são os seguintes:
- Desenvolvimento de um algoritmo de controle de balanceamento do estado de carga das células
- Desenvolvimento e análise da estabilidade do sistema de controle do pack de baterias.
- Desenvolvimento de um modelo para as células de uma bateria de íon de lítio e verificar experimentalmente se esse modelo realmente consegue prever os estados de carga das células.
- A partir do modelo das células, desenvolver um estimador adequado para o estado de carga quando os parâmetros da célula são conhecidos.
- Desenvolver simulações e experimentos para validação dos algoritmos e métodos.
- Desenvolver um estimador para o estado de carga e dos parâmetros de uma célula quando esses parâmetros são desconhecidos (placas BMS de uso geral).
Os circuitos de balanceamento de células usados nas placas PCM são projetados com FET´S, como se fossem chaves liga-desliga, que podem desviar parte da corrente de cada célula, tanto na carga como na descarga (figuras 3 e 4). Com isso a placa PCM com a função de balanceamento consegue manter todas as células sempre com tensão similar fazendo com que todas as células sejam carregadas e descarregadas até os valores máximos permitidos, conseguindo-se assim o desempenho máximo para o pack de baterias.
Figura 3 - Placa de proteção de baterias Lítio íon – BMS – Balanceamento na carga
Figura 4 - Placa de proteção de baterias Lítio íon – BMS – Balanceamento na descarga
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 4.2 V (a tensão adequada de carga completa para Lítio íon) ou 3.65 V (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 Li-Po.
Os carregadores de balanceamento além de carregar os packs de baterias como um todo também possuem fios menores que são conectados a cada célula, ou grupo de células em paralelo. As placas BMS permitem que um carregador simples seja usado para carregar uma 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 nas células de maneira adequada.
Figura 5 - Carregador de balanceamento
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.
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 6 - Placa BMS de proteção
Figura 7 - 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 descarregada 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 danos 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.
- Proteção contra temperatura excessiva
A bateria não deve ser carregada quando a temperatura é inferior a 0°C ou superior a 45°C.
Em packs com muitas células, a placa BMS monitora a temperatura de várias células e controla a corrente de carga e descarga de forma a manter a temperatura em limites aceitáveis.
Figura 8 – Perda de capacidade da bateria em função da temperatura
As baterias de lítio íon são sensíveis à temperatura, pois afetam a vida, o desempenho (capacidade e resistência), a segurança e eventualmente o custo. As temperaturas mais altas degradam as baterias de lítio íon mais rapidamente (figuras 8 e 9).
Figura 9 - Placa BMS com balanceamento
As baixas temperaturas reduzem os recursos de energia. O controle adequado da temperatura melhora a confiabilidade, a segurança e a capacidade. O gerenciamento térmico da bateria é necessário em packs com muitas células como nos carros elétricos.
Manter as células na faixa de temperatura desejada, minimizar as variações de temperatura de célula a célula, impedir que a bateria fique acima ou abaixo dos limites aceitáveis, maximizar energia útil das células e do pack de baterias como um todo.
Mapear as temperaturas dentro do pack de baterias ajuda a entender o comportamento térmico, cria diagnósticos e aprimora os projetos. O perfil térmico dentro do pack de baterias de vários fatores:
- Geometria
- Condutividade térmica do gabinete e núcleo
- Localização dos terminais
- Projeto das interconexões
- Densidade de corrente
- Perfil de corrente
- Temperatura ambiente
A figura 10 mostra o mapeamento de temperatura num pack de 7,4V sendo descarregado com 80A.
Deve-se notar que as células têm temperaturas diferentes dependendo da sua posição no pack. As conexões também têm temperaturas diferentes dependendo da corrente.
As conexões mais quentes são aquelas que suportam maior corrente, ou seja, nos terminais de saída por onde circula a maior corrente.
Figura 10 – Mapeamento de temperatura em pack
As especificações das placas BMS normalmente apresentam um esquema eletrônico do circuito da placa (figura11), um esquema de ligações (figura 12) e uma tabela com as principais características (tabela 1).
Figura 11 – Placa BMS – esquema de ligação
Figura 12 – Circuito eletrônico de placa BMS
