CARREGADORES CCCV (CORRENTE CONSTANTE, TENSÃO CONSTANTE): UM FALSO SENSO DE SEGURANÇA

 

Sem um BMS, um carregador CCCV sobrecarregará as células em uma bateria de alta tensão

 

 

 Métodos tradicionais para carregamento de baterias

Há alguns métodos populares para carregamento de baterias, dentre eles:

- Carregamento de corrente constante (CC)

- Carregamento de Tensão constante (CV)

- Carregamento de corrente constante e tensão constante (CC-CV)

 

Carregamento de corrente constante (CC)

 O carregamento de corrente constante conhecido como “CC” do inglês “Constant current” é um método simples que utiliza uma corrente constante para carregar a bateria durante todo o processo de carregamento. Este método é amplamente utilizado para carregar baterias NiCd ou NiMH, bem como baterias Li-íon.

A taxa de corrente de carga é o fator mais importante e pode influenciar significativamente o comportamento da bateria. Por esse motivo, o principal desafio do carregamento CC é definir um valor de corrente de carregamento adequado que satisfaça tanto o tempo de carregamento quanto a utilização da capacidade. A alta corrente de carregamento fornece uma carga rápida, mas também afeta significativamente o processo de envelhecimento da bateria. Uma corrente de carga baixa em contrapartida produz uma carga muito lenta, o que é inconveniente para aplicações de veículos elétricos por exemplo.

 

Carregamento de Tensão constante (CV)

Outro método é o carregamento de tensão constante conhecido como “CV” do inglês “Constant Voltage” que define uma tensão constante para carregar as baterias. Sua principal vantagem é que evita sobretensões, prolongando a vida útil da bateria.

 Como a tensão é constante, a corrente de carregamento diminui à medida que a bateria é carregada. Um valor de corrente alto é necessário para fornecer uma tensão terminal constante em um estágio inicial do processo de carregamento. Uma alta corrente de carga de 15% a 80% SOC fornece carregamento rápido, mas a alta corrente pode prejudicar a bateria e causar danos.

Geralmente, o método de carregamento CV é eficiente para carregamento rápido, mas danifica a capacidade da bateria. O efeito negativo é causado por um aumento da corrente de carga em um SOC de bateria fraca (no início do processo de carga), onde o valor da corrente é significativamente maior que a corrente nominal da bateria. A alta corrente de carregamento pode contribuir e acabar danificando a mesma.

 

Carregamento de corrente constante e tensão constante (CC-CV)

Atualmente, a abordagem de carregamento usada para baterias de lítio íon é um carregador conhecido como “CC-CV” do inglês “constant current, constant voltage” (Corrente constante e Tensão constante). Ele foi inventado no século 19 para carregar baterias de chumbo-ácido e, acabou se tornando o método de carregamento padrão para as atuais baterias de lítio íon. É com ele que seu smartphone ou tablet por exemplo, fazem para carregar sua bateria de lítio-íon.

O método de carregamento CC-CV do inglês é uma abordagem híbrida que combina os dois métodos de carregamento mencionados anteriormente. Ele utiliza o carregamento CC (corrente constante) no primeiro estágio de carregamento e, quando a tensão atinge o valor limite máximo de segurança, o processo de carregamento muda para o segundo estágio que é o método de carregamento CV (tensão constante).

O processo de carregamento é concluído quando a corrente se estabiliza ou quando a capacidade total da bateria é atingida. O tempo de carregamento é definido principalmente pelo valor de corrente constante (modo CC), enquanto a utilização da capacidade é predominantemente influenciada pelo valor de tensão constante (modo CV).

O método de carregamento CC-CV é mais eficiente do que os métodos CC ou CV individualmente e, como tal, é usado como referência para comparação com os métodos de carregamento mais recentes.

 

Ilustração do carregamento CCCV

Consideremos de início uma célula descarregada conectada a um carregador CC-CV

 

 

O primeiro estágio de carregamento estágio CC (Corrente constante) é concluído quando a tensão atinge o valor limite máximo de segurança, ou seja, 4.2V.

 

   

 

Após o primeiro estágio o processo de carregamento muda para o segundo estágio de carregamento CV (tensão constante). O processo de carregamento é concluído quandoa corrente se estabiliza ou quando a capacidade total da bateria é atingida.

 

 

Resumo dos métodos de carregamento apresentados

Método	Vantagens	Desvantagens	Parâmetros chave
Corrente constante (CC)	Fácil de implementar	A utilização da capacidade é baixa	Taxa de carregamento de corrente
Tensão constante (CV)	Fácil de implementar	Pode causar o colapso da bateria	Taxa de carregamento de tensão
Corrente constante e Tensão constante (CCCV)	Utilização da capacidade é alta   Tensão terminal estável	Desafio de velocidade para balancear no carregamento, perda de energia, variação da temperatura	Taxa de carregamento de corrente no modo CC Taxa de carregamento de tensão no modo CV

 

Problemas no método de carregamento CC-CV para baterias de alta tensão

Um carregador CC-CV é ideal para baterias com poucas células em série (baixa tensão). Inicialmente, a bateria é carregada em Corrente Constante. Quando a bateria está quase cheia, sua tensão atinge a configuração de tensão constante do carregador e a corrente diminui exponencialmente à medida que a bateria recebe uma carga final.

 

Em uma bateria com poucas células em série, a tensão do carregador é dividida igualmente entre as células do pack. Por exemplo, ao carregar uma bateria de carro, uma tensão constante de 13,5 V é aplicada à bateria de 12 V, cada uma das 6 células dentro dela recebendo cerca de 2,25 V. Se alguma célula estiver mais carregada, sua tensão será um pouco maior, tirando alguma voltagem das outras células: por exemplo, se uma célula estiver em 2,5 V, as outras células estarão, em média, em 2,20 V

 

Em uma bateria de alta tensão, porém, com muitas células em série, há uma chance muito maior de que a tensão geral do pack de baterias não seja dividida igualmente entre suas células. Tomamos como exemplo uma bateria com 10 células de LiFePO4 em série (cuja tensão nominal máxima é 3,6 V) esta bateria pode muito bem ter uma tensão total de 36V. Mas não há como dizer se algumas células podem estar em 5V, enquanto outras em 3,2 V.

 

Carregar apenas com um carregador CCCV: a célula mais carregada está com uma tensão muito alta!

 

Você pode se sentir confortável enquanto um carregador CCCV para um pack de LiFePO4 de 10 células mantém a tensão do pack constante em 36V. Mas, na realidade, você pode estar “danificando” as células mais carregadas sem se dar conta.

 

As células de Li-Íon não lidam bem com sobrecarga; uma vez carregadas, elas não podem mais receber corrente. Sua tensão aumenta rapidamente quando sofrem sobrecarga.

Se uma célula do pack de baterias for sobrecarregada, essa célula pode atingir tensões perigosas antes que a tensão total do pack atinja o nível correspondente a carga máxima.

 

Desta maneira, controlar e monitorar a tensão total de um pack de baterias não é suficiente para as baterias de lítio íon, diferentemente do que ocorre com as baterias de chumbo ácido, por exemplo, com as quais nenhum tipo de cuidado especial é necessário durante o processo de carregamento de um pack.

 

É por isso que um BMS (Sistema de Gerenciamento de Bateria) é essencial ao carregar um pack de baterias de Li-Íon de alta tensão. O BMS não apenas informa se a voltagem de uma célula está muito alta. Quando conectado corretamente ao carregador, assim que qualquer célula atingir sua tensão máxima de carga, o BMS desligará o carregador.

 

E o resto das células? Um bom BMS também removerá a carga da célula mais carregada, até que sua voltagem seja baixa o suficiente para que o carregador possa voltar, e dará às outras células uma mudança para serem carregadas. Após muitos ciclos desse processo, todas as células estarão na mesma voltagem, totalmente carregadas, o que significa que o pack de baterias estará equilibrado.

 

A figura abaixo demonstra o carregamento com o BMS controlando o carregador:

O carregamento irá parar quando a célula mais carregada estiver cheia. Reiniciará o carregamento depois que ela se esgota um pouco, até que a bateria esteja totalmente equilibrada

 

 

Uma das funções mais importantes de um sistema de BMS é garantir que as células permaneçam dentro dos limites operacionais seguros e em caso de necessidade agir assim que qualquer uma das células individuais começarem a sair dos limites. A ação a ser realizada depende da complexidade do BMS.

 

Um dos efeitos ao usar um BMS é que você não precisa mais ter um carregador regulado: qualquer carregador serve, até mesmo um carregador de "força bruta", desde que o BMS possa ligá-lo e desligá-lo.

Exemplo de um BMS conectado a um pack de baterias

 

            Principais funções de um sistema de BMS (battery management system):

- Monitorar a tensão do Pack de baterias e das células individualmente, protegendo as células e o conjunto contra sobretensão;

- Equalizar a tensão de cada célula, agindo ativamente sobre as células que apresentarem desequilíbrio;

- Monitorar a temperatura das células e controlar o sistema de resfriamento, quando existente;

- Monitorar a corrente de carga e descarga do banco de baterias, protegendo contra sobrecorrente;

- Estimar o estado de carga das baterias;

- Proteger o operador contra qualquer anormalidade ou perigo.