ESTIMANDO O ESTADO DE CARGA (SOC) DAS BATERIAS DE LI-ION

 

 

Packs de baterias baseados em células de íons de lítio (Li-íon) são utilizados em muitas aplicações tais como:  veículos elétricos, armazenamento de energia renovável para uso posterior, equipamentos médicos, e etc.  Nestas aplicações, é muito importante saber a energia disponível de uma bateria ou célula em um determinado instante. O parâmetro para medir tal energia é conhecido como estado de carga (SOC).

 

O que significa o termo estado de carga (SOC) de uma bateria?

O estado de carga de uma bateria (SOC) indica o percentual de energia acumulada (carga) que a bateria possui. O termo “SOC” vêm da abreviação em inglês “State of Charge” (Estado de Carga).

Em outras palavras o estado de carga de uma bateria se dá pela razão do estado de carga que a bateria possui naquele momento pela carga total da bateria quando totalmente carregada. Este valor de SOC de uma bateria é representado em percentual (%).

 

          

 A figura abaixo mostra uma bateria com diferentes percentuais de carga (SOC)

 

  

Não há uma maneira direta de medir ou estimar o estado de carga (SOC) de uma bateria de Lítio Íon (LI-ION) ou seja, esta medida é feita indiretamente. Em se tratando de estimação do estado de carga de uma bateria, existem diversos métodos que tentam estimar esta grandeza a partir de medições de tensão, corrente, temperatura, impedância, entre outras, entretanto cada uma sofre com suas limitações.

 

Os métodos utilizados neste artigo serão:

- Método da tensão

- Método Contagem de Coulomb

Deste modo veremos como a combinação dessas duas técnicas pode resultar em uma estimativa razoável do estado de carga (SOC) de uma bateria.

 

Método da tensão (OCV)

Em muitos sistemas, um voltímetro simples é usado como indicador do estado de carga de uma bateria: segundo este método a tensão da bateria diminui mais ou menos linearmente à medida que a bateria é descarregada.

Este efeito é mais ou menos observado dependendo da química da bateria. Em particular, a tensão em uma bateria de chumbo-ácido diminui significativamente à medida que é descarregada. Conhecer a relação entre a tensão da bateria e o SOC permite que o voltímetro seja calibrado para relatar o SOC: ou seja, a tensão é “convertida” para um SOC estimado.

Uma grande limitação desta técnica é que a tensão da bateria também é afetada pela temperatura e pela corrente da bateria. Conhecer a maneira como a temperatura e a corrente afetam a tensão permite compensar esses efeitos em grande medida, permitindo que o método da tensão para determinar o estado de carga seja utilizada com muitas químicas de bateria.

O gráfico abaixo demonstra a utilização do método da tensão para estimar o estado de carga (SOC) de uma bateria de chumbo-ácido:

 

      Usando o método da tensão para estimar SOC de uma bateria de chumbo-ácido

 

Método da tensão para baterias de LI-ION

Infelizmente, para a maior parte de sua faixa SOC, a tensão de uma bateria Li-íon permanece muito constante, tornando o método da tensão para determinação do estado de carga impraticável.

No entanto, a tensão de uma bateria de Li-íon muda significativamente em ambas as extremidades de sua faixa SOC, ou seja, a voltagem aumenta rapidamente quando está cheia e cai significativamente quando começa a ficar vazia. Portanto, o método da tensão pode ser usado para estimar o SOC de uma bateria Li-Ion muito cheia ou muito vazia.

 

Através do gráfico abaixo podemos visualizar tal comportamento do método da tensão para as baterias de LI_ION

 

Usando o método da tensão (OCV) para estimar SOC com células Li-Íon.

 

Método Contagem de Coulomb

Um dos métodos mais conhecidos e de simples implementação é contagem de coulomb (Integral da corrente), que utiliza a corrente consumida, ou fornecida, pela bateria, e, em seguida, realiza o somatório da corrente em função do tempo para determinar a capacidade atual da bateria.

 

 

Onde:

 

             

 

Integrar a corrente dentro ou fora de uma bateria fornece o valor relativo de sua carga. Podemos fazer uma analogia com a contagem de dinheiro que entra e sai de uma determinada conta bancária, o resultado fornecerá o valor relativo da conta.

Se a carga inicial na bateria for conhecida, a partir deste dado, a "Contagem de Coulomb" pode ser usada para calcular seu SOC.

Por exemplo, uma corrente de 2 A em uma bateria, por 3 horas, adicionará 2 x 3 = 6 Ah à carga da bateria. Se a capacidade da bateria for 24 Ah, isso aumentará seu SOC em 6/24 = 25%. Isso é 25% a mais do que no início; mas, sem saber qual foi o SOC inicial, não sabemos o SOC final.

 

             

Usando a contagem de Coulomb para estimar as mudanças relativas do SOC

 

Dependendo da química da bateria, a contagem de Coulomb pode ser uma técnica muito precisa.

A contagem de Coulomb não funciona tão bem com baterias de chumbo-ácido, porque:

 - A corrente de fuga significativa nas baterias de chumbo-ácido não passa pelo sensor de corrente da bateria e, portanto, não é levada em consideração

 - Nem toda a carga de uma bateria de chumbo-ácido é convertida em trabalho útil: parte dela é convertida em calor residual, um efeito que é caracterizado pelo expoente de Peukert

 

Por outro lado, a contagem de Coulomb funciona bem com baterias Li-Ion, por causa de seu baixo vazamento e bom expoente de Peukert.

O expoente de Peukert mostra o quão bem uma bateria dura sob altas taxas de descarga e quanto mais próximo de 1 esse valor, melhor. O expoente de Peukert é determinado empiricamente usando a bateria em diferentes correntes de descarga. O expoente de Peukert muda à medida que a bateria envelhece.

 

 

Existe outra limitação da contagem de Coulomb. Em qualquer integração, qualquer erro pequeno e constante na variável que está sendo integrada resulta em um desvio no resultado. No caso da contagem de Coulomb, qualquer pequeno deslocamento na medição da corrente da bateria resultará no aumento (ou diminuição) do SOC ao longo do tempo.

 

 

Desvio na contagem de Coulomb devido ao pequeno deslocamento na corrente medida

 

O desvio pode se tornar significativo em aplicações que, por longos períodos, usam muito pouca corrente da bateria.

Portanto, a contagem de Coulomb pode ser usada para estimar o SOC de uma bateria Li-Ion, desde que haja uma maneira de calibrar o SOC em algum ponto, e com frequência suficiente para superar o desvio.

 

Combinando as duas técnicas

A combinação das duas técnicas resulta em uma maneira razoável de estimar o SOC em uma bateria de Li-íon.

O método da "Contagem de Coulomb" necessita de uma maneira de calibrar seu resultado, de modo que a carga relatada seja o SOC real.

O método da tensão oferece essa solução, logo a combinação dessas duas técnicas resulta em uma maneira razoável de estimar o SOC em uma bateria Li-Ion:

 

 - A corrente da bateria é integrada ("Contagem de Coulomb") para obter a carga relativa dentro e fora da bateria

 

 - A tensão da bateria é monitorada, para calibrar o SOC quando a carga real se aproxima de uma das extremidades

 

 

Se o SOC estimado através da contagem de Coulomb não estiver calibrado (não for igual ao SOC real), eventualmente a bateria será carregada ou descarregada até o momento, o método da tensão então pode ser usado para estimar o SOC e calibrar o valor estimado.

Por exemplo, se o SOC real for 80%, mas o SOC estimado for 50%, e a célula de lítio íon estiver carregando, sua voltagem logo se tornará superior a um limite (digamos, 3,4 V), que corresponde a um SOC real (digamos, 90%). Nesse ponto, o BMS define o SOC estimado para 90%, para calibrá-lo.

 

 

Medindo a capacidade

Se uma bateria for usada em aplicações onde conhecer o SOC é crucial (como Veículos Elétricos), há a necessidade de medir sua capacidade de corrente. A capacidade da bateria é medida integrando sua corrente de completamente cheia a completamente vazia (ou vice-versa).

 

       

 

A partir de uma célula com carga completa, se usa a contagem de Coulomb para medir a carga dela, até descarregar (conforme indicado por sua tensão). Essa carga é a capacidade da célula.

 

Conclusão

A determinação do estado de carga (SOC) de uma bateria não é uma tarefa tão simples, entretanto, muito trabalho de desenvolvimento e pesquisa foi feito nos últimos anos para melhorar a precisão da estimativa do estado de carga (SOC) de uma bateria ou célula.

Atualmente uma das principais tarefas do sistema de gerenciamento de bateria (BMS) é estimar de forma precisa o estado de carga (SOC) de uma bateria, o que ajudará a melhorar o desempenho e a confiabilidade do sistema, e também prolongará a vida útil da bateria.

 Na verdade, a necessidade de estimativa SOC da bateria pode evitar interrupção imprevista do sistema e evitar que as baterias acabem sendo carregadas e descarregadas em excesso, o que pode causar danos permanentes a estrutura interna das baterias.

Para medir o estado de carga (SOC) de uma maneira geral, deve-se medir com muita precisão tanto os coulombs quanto a corrente que flui para dentro e para fora das células da bateria sob todas as condições de operação e as tensões individuais de cada célula da bateria.

 A precisão desta abordagem pode ser prejudicada por não conhecer o SOC inicial para um estado suficientemente preciso e por outros fatores, como auto descarga das células e efeitos de vazamento.