O Sistema de gerenciamento de bateria (BMS) é uma tecnologia projetada especificamente para supervisionar conjuntos de baterias, que são componentes de células de bateria eletricamente organizadas em uma configuração de matriz de coluna de linha para fornecer uma faixa alvo de tensão e corrente para condições de carga esperadas durante um período de tempo .
A supervisão fornecida pela BMS geralmente inclui:
- Bateria de monitoramento
- Fornece proteção da bateria
- Estime o status de funcionamento da bateria
- Otimizando continuamente o desempenho da bateria
- Relate o status operacional para dispositivos externos
Aqui, o termo 'bateria'significa toda a bateria; No entanto, as funções de monitoramento e controle são aplicadas especificamente a baterias individuais ou conjuntos de baterias, chamados de módulos dentro de todo o conjunto de baterias. As baterias recarregáveis de íon de lítio têm a mais alta densidade de energia e são a escolha padrão para muitas baterias de consumo, de laptops a veículos elétricos. Embora tenham um bom desempenho, eles podem ser bastante implacáveis se operados fora da área operacional segura (SOA), normalmente restrita, com resultados que variam desde danos ao desempenho da bateria até consequências completamente perigosas. A descrição do trabalho do BMS é sem dúvida desafiadora, pois sua complexidade geral e escopo de supervisão podem envolver diversas disciplinas, como elétrica, digital, controle, térmica e hidráulica.
Como funciona o sistema de gerenciamento de bateria?
Não existe um padrão fixo ou único que deva ser adotado para sistemas de gerenciamento de baterias. O escopo do projeto técnico e as características de implementação geralmente estão relacionados com o seguinte:
- O custo, a complexidade e o tamanho das baterias
- A aplicação de baterias e quaisquer questões de segurança, vida útil e garantia
- Os requisitos de certificação de vários regulamentos governamentais, se as medidas de segurança funcional não estiverem em vigor, os custos e as penalidades serão cruciais
O BMS tem muitas funções de design, e o gerenciamento de proteção da bateria e o gerenciamento de capacidade são duas funções básicas. Discutiremos aqui como essas duas funções funcionam. Existem duas áreas principais no gerenciamento da proteção de baterias: proteção elétrica, o que significa que as baterias não podem ser danificadas quando usadas fora do SOA; Proteção térmica, que envolve controle de temperatura passivo e/ou ativo para manter ou trazer a bateria para SOA.
Proteção de gerenciamento elétrico: corrente
Monitorar a corrente da bateria e a tensão da bateria ou módulo é uma forma de obter proteção elétrica. O SOA elétrico de qualquer célula de bateria é limitado pela corrente e pela tensão. A Figura 1 mostra uma SOA típica de bateria de íon de lítio, onde um BMS bem projetado protegerá a bateria, evitando que ela opere fora da classificação de bateria do fabricante. Em muitos casos, uma redução adicional pode ser aplicada dentro da zona de segurança SOA para prolongar a vida útil da bateria.
As baterias de íon de lítio têm diferentes limites de corrente de carga e de descarga, e ambos os modos podem lidar com correntes de pico mais altas, mesmo que o tempo seja curto. Os fabricantes de baterias normalmente especificam limites máximos de corrente contínua de carga e descarga, bem como limites de tensão de pico de carga e descarga. O BMS que fornece proteção contra corrente aplicará definitivamente a corrente contínua máxima. Contudo, alterações repentinas nas condições de carga podem ser levadas em consideração antes disso; Por exemplo, aceleração repentina de veículos elétricos. O BMS pode combinar o monitoramento da corrente de pico integrando a corrente e decidindo reduzir a corrente disponível ou interromper completamente a corrente do grupo após o tempo Δ. Isso permite que o BMS tenha sensibilidade quase instantânea a picos extremos de corrente, como situações de curto-circuito que não atraem a atenção de nenhum fusível residente, mas também pode tolerar altas demandas de pico, desde que não sejam excessivas por muito tempo.
Proteção de gerenciamento elétrico: tensão
A Figura 2 mostra que as baterias de íons de lítio devem operar dentro de uma determinada faixa de tensão. Esses limites SOA serão determinados, em última análise, pelas propriedades químicas inerentes da bateria de íons de lítio selecionada e pela temperatura da bateria a qualquer momento. Além disso, devido à grande quantidade de ciclos de corrente, descarga devido à demanda de carga e carregamento de várias fontes de energia que qualquer bateria sofre, essas limitações de tensão SOA são frequentemente ainda mais restritas para otimizar a vida útil da bateria. A BMS deve saber quais são estas limitações e tomar decisões com base na proximidade destes limites. Por exemplo, ao aproximar-se do limite de alta tensão, o BMS pode solicitar uma diminuição gradual na corrente de carga ou, se o limite for atingido, pode solicitar uma terminação completa da corrente de carga. No entanto, esta limitação é frequentemente acompanhada por considerações adicionais de histerese de tensão inerentes para evitar oscilações de controle em relação ao limite de desligamento. Por outro lado, ao aproximar-se do limite de baixa tensão, o BMS solicitará cargas críticas ativas não conformes para reduzir a sua demanda de corrente. No caso dos veículos eléctricos, isto pode ser conseguido reduzindo o binário admissível disponível para o motor de tracção. É claro que a BMS deve priorizar a segurança do motorista e proteger a bateria contra danos permanentes.
Proteção de gerenciamento térmico: Temperatura
Superficialmente, as baterias de íons de lítio têm uma ampla faixa de temperatura operacional, mas devido às taxas de reação química significativamente mais lentas, a capacidade geral da bateria diminui em baixas temperaturas. Em termos de capacidade a baixas temperaturas, o seu desempenho é de facto muito melhor do que as baterias de chumbo-ácido ou NiMh; No entanto, o gerenciamento da temperatura é crucial, pois carregar abaixo de 0 graus C (32 graus F) é fisicamente problemático. Durante a carga subcongelante, o fenômeno de galvanização do lítio metálico pode ocorrer no ânodo. Este é um dano permanente que não só leva a uma diminuição da capacidade, mas também aumenta a probabilidade de falha da bateria se for submetida a vibrações ou outras condições de estresse. O BMS pode controlar a temperatura da bateria através de aquecimento e resfriamento.
A implementação do gerenciamento térmico depende inteiramente do tamanho e do custo da bateria, das metas de desempenho, dos padrões de projeto do BMS e das unidades de produto, que podem incluir considerações para a área geográfica alvo. Independentemente do tipo de aquecedor, geralmente é mais eficiente extrair energia de uma fonte de alimentação CA externa ou de baterias residentes alternativas usadas para operar o aquecedor quando necessário. No entanto, se o aquecedor eléctrico tiver um consumo moderado de corrente, a energia da bateria principal pode ser desviada para se aquecer. Se for utilizado um sistema hidráulico quente, um aquecedor elétrico é utilizado para aquecer o líquido refrigerante bombeado e distribuído por todo o componente.
Sem dúvida, os engenheiros de projeto da BMS têm algumas habilidades na indústria de design para inserir energia térmica em baterias. Por exemplo, vários dispositivos electrónicos de potência dedicados à gestão de capacidade dentro do BMS podem ser ligados. Embora não seja tão eficiente quanto o aquecimento direto, ainda pode ser utilizado de qualquer maneira. O resfriamento é particularmente importante para minimizar a perda de desempenho das baterias de íons de lítio. Por exemplo, talvez uma determinada bateria funcione melhor a 20 graus C; Se a temperatura da embalagem for aumentada para 30 graus C, sua eficiência de desempenho poderá diminuir em 20%. Se a bateria for continuamente carregada e recarregada a uma temperatura de 45 graus C (113 graus F), a perda de desempenho pode chegar a 50%. Se exposta continuamente a ambientes sobreaquecidos, especialmente durante ciclos rápidos de carga e descarga, a vida útil da bateria também pode envelhecer e degradar-se prematuramente. O resfriamento geralmente é obtido através de dois métodos, passivo ou ativo, e ambas as técnicas podem ser utilizadas. O resfriamento passivo depende do movimento do fluxo de ar para resfriar a bateria. Quanto aos veículos elétricos, isso significa que eles circulam apenas na estrada. No entanto, pode ser mais complexo do que parece, pois o sensor de velocidade do ar pode ser integrado para ajustar estrategicamente automaticamente a barragem de ar de deflexão para maximizar o fluxo de ar. A implementação de ventiladores ativos com temperatura controlada pode ser útil em baixas velocidades ou quando o veículo está parado, mas tudo isso serve apenas para manter a bateria na mesma temperatura do ambiente circundante. Se o tempo estiver quente, poderá aumentar a temperatura inicial da embalagem. O resfriamento ativo hidráulico quente pode ser projetado como um sistema suplementar, normalmente usando refrigerante de etilenoglicol com uma proporção de mistura especificada, circulando através de tubos/mangueiras, coletores de distribuição, trocadores de calor de fluxo cruzado (radiadores) e placas de resfriamento contra componentes da bateria usando um sistema elétrico bombear. O BMS monitora a temperatura de toda a bateria e abre e fecha várias válvulas para manter a temperatura de toda a bateria dentro de uma faixa estreita de temperatura para garantir o desempenho ideal da bateria.
Gerenciamento de capacidade
Maximizar a capacidade da bateria pode ser considerada uma das características de desempenho da bateria mais importantes fornecidas pela BMS. Se esta manutenção não for realizada, a bateria poderá eventualmente tornar-se inútil. A raiz do problema reside no fato de que o “empilhamento” de conjuntos de baterias (matrizes de baterias em série) não é completamente igual e tem essencialmente taxas de vazamento ou autodescarga ligeiramente diferentes. O vazamento não é um defeito do fabricante, mas sim das propriedades químicas da bateria, embora possa ser afetado estatisticamente por pequenas alterações no processo de fabricação. Inicialmente, as baterias podem ter baterias bem combinadas, mas com o tempo, a semelhança entre as baterias diminui ainda mais, não apenas devido à autodescarga, mas também influenciada pelos ciclos de carga/descarga, aumento de temperatura e envelhecimento geral do calendário. Com isto em mente, relembrando a discussão anterior, as baterias de íons de lítio funcionam bem, mas podem ser bastante implacáveis se operadas fora da SOA estrita. Aprendemos anteriormente sobre a proteção elétrica necessária, pois as baterias de íons de lítio não suportam bem a sobrecarga. Uma vez totalmente carregados, não podem aceitar mais corrente, qualquer energia adicional será convertida em calor e a tensão pode aumentar rapidamente, atingindo níveis potencialmente perigosos. Esta não é uma condição saudável para as células e, se persistir, poderá causar danos permanentes e condições operacionais inseguras.
A conexão em série dos conjuntos de baterias determina a voltagem de todo o conjunto de baterias, e a incompatibilidade entre baterias adjacentes pode causar dificuldades ao tentar carregar qualquer conjunto de baterias. A Figura 3 mostra por que isso está acontecendo. Se uma pessoa tiver um conjunto de baterias completamente balanceado, então está tudo bem porque cada bateria carregará de maneira igual e a corrente de carga pode ser cortada quando o limite superior de tensão de 4.0 for atingido. No entanto, numa situação de desequilíbrio, a bateria superior atingirá o seu limite de carga antes do previsto e a corrente de carga do ramal precisa de ser terminada antes que as outras baterias inferiores sejam carregadas até à capacidade total.
Para demonstrar o seu princípio de funcionamento, uma definição chave precisa ser explicada. O estado de carga (SOC) de uma bateria ou módulo em um determinado momento é diretamente proporcional à potência disponível em relação à potência total quando totalmente carregada. Portanto, uma bateria com 50% SOC significa que ela foi carregada com 50%, semelhante ao fator de qualidade de um medidor de energia. O gerenciamento de capacidade do BMS visa equilibrar as alterações de SOC de cada pilha na bateria. Como o SOC não é uma quantidade diretamente mensurável, ele pode ser estimado por meio de diversas técnicas, e o próprio esquema de balanceamento costuma ser dividido em duas categorias: passivo e ativo. Existem muitas variações de temas, cada um com suas vantagens e desvantagens. O engenheiro de projeto da BMS decide qual é o mais adequado para a bateria em questão e sua aplicação. O equilíbrio passivo é o mais fácil de alcançar e também pode explicar o conceito geral de equilíbrio. Os métodos passivos permitem que cada bateria do conjunto de baterias tenha a mesma capacidade de carga que a bateria mais fraca. Ele usa corrente relativamente baixa para transferir uma pequena quantidade de energia de baterias com alto SOC durante o ciclo de carregamento, de modo que todas as baterias possam ser carregadas até seu SOC máximo. A Figura 4 ilustra como a BMS consegue isso. Ele monitora cada bateria e utiliza interruptores de transistor e resistores de descarga de tamanho apropriado em paralelo com cada bateria. Quando o BMS detecta que uma determinada bateria está se aproximando do seu limite de carga, ele guiará o excesso de corrente ao seu redor de cima para baixo para a próxima bateria abaixo.
Os pontos finais do processo de balanceamento antes e depois são mostrados na Figura 5. Em resumo, o BMS permite que as baterias ou módulos na bateria vejam correntes de carga que são diferentes da corrente da bateria para equilibrar a bateria através de um dos seguintes métodos:
A remoção da carga da bateria mais carregada fornece espaço para corrente de carga adicional para evitar sobrecarga e permite que baterias menos carregadas recebam mais corrente de carga
Reposicionar parte ou quase toda a corrente de carga em torno da bateria mais carregada, permitindo que baterias menos carregadas recebam corrente de carga por um longo período de tempo
Tipos de sistemas de gerenciamento de bateria
O sistema de gerenciamento de bateria pode adotar diversas tecnologias, do simples ao complexo, para cumprir suas instruções principais de “cuidar da bateria”. Porém, esses sistemas podem ser classificados com base em sua topologia, que está relacionada à sua instalação e operação nas baterias ou módulos de todo o conjunto de baterias.
Arquitetura BMS centralizada
Há um BMS central no conjunto da bateria. Todas as baterias estão diretamente conectadas ao BMS central. A estrutura do BMS centralizado é mostrada na Figura 6. O BMS centralizado tem algumas vantagens. É mais compacto e muitas vezes o mais económico porque existe apenas um BMS. Contudo, o BMS centralizado também tem desvantagens. Como todas as baterias estão diretamente conectadas ao BMS, o BMS requer muitas portas para conectar todas as baterias. Isso significa que há um grande número de fios, cabos, conectores, etc. em baterias grandes, o que torna a solução de problemas e a manutenção complexas.
Topologia BMS modular
Semelhante à implementação centralizada, o BMS é dividido em vários módulos repetitivos, cada um com um feixe de fios dedicado e conectado a partes adjacentes designadas da bateria. Ver Figura 7. Em alguns casos, estes submódulos BMS podem estar sob a supervisão do módulo BMS principal, cuja função é monitorizar o estado dos submódulos e comunicar com dispositivos periféricos. Devido à modularização repetida, a solução de problemas e a manutenção são mais fáceis, e também é fácil expandir para baterias maiores. A desvantagem é que o custo geral é um pouco mais alto e pode haver recursos duplicados não utilizados, dependendo da aplicação.
BMS primário/secundário
Porém, conceitualmente semelhante à topologia modular, neste caso, os dispositivos escravos são mais limitados a apenas retransmitir informações de medição, enquanto os dispositivos mestres são dedicados à computação e controle, bem como à comunicação externa. Portanto, embora semelhante aos tipos modulares, o custo pode ser menor porque a funcionalidade do dispositivo é muitas vezes mais simples, a sobrecarga pode ser menor e pode haver menos recursos não utilizados.
Arquitetura BMS distribuída
Ao contrário de outras topologias, em outras topologias, o hardware e o software eletrônicos são encapsulados em módulos, que são conectados à bateria por meio de chicotes elétricos. O BMS distribuído integra todo o hardware eletrônico em uma placa de controle colocada diretamente na bateria ou módulo monitorado. Isto reduz a extensa fiação de alguns fios de sensores e fios de comunicação entre módulos BMS adjacentes. Portanto, cada BMS é mais independente e lida com a computação e a comunicação conforme necessário. No entanto, apesar desta simplicidade óbvia, esta forma integrada torna a resolução de problemas e a manutenção um problema potencial, uma vez que está localizada profundamente nos componentes do módulo blindado. O custo geralmente é mais alto porque há mais BMS em toda a estrutura da bateria.
A importância do sistema de gerenciamento de bateria
No BMS, a segurança funcional é o mais importante. É crucial evitar que a tensão, a corrente e a temperatura de qualquer bateria ou módulo sob supervisão e controle excedam os limites SOA especificados durante as operações de carga e descarga. Se o limite for excedido durante um período de tempo, não só serão afetadas baterias potencialmente caras, mas também poderão ocorrer situações perigosas de fuga térmica. Além disso, para proteger as baterias de íons de lítio e garantir a segurança funcional, também é necessário um monitoramento rigoroso dos limites de tensão mais baixos. Se as baterias de íons de lítio forem mantidas neste estado de baixa tensão, os dendritos de cobre poderão eventualmente crescer no ânodo, o que poderia levar a um aumento na taxa de autodescarga e potenciais problemas de segurança. O custo da alta densidade de energia em sistemas de energia de íons de lítio é que quase não há espaço para erros no gerenciamento da bateria. Graças às melhorias no BMS e nas baterias de íons de lítio, este é um dos produtos químicos para baterias mais bem-sucedidos e seguros disponíveis atualmente.
O desempenho da bateria é a segunda função mais importante do BMS, que envolve gerenciamento elétrico e térmico. Para otimizar eletricamente a capacidade geral da bateria, todas as baterias da bateria precisam ser balanceadas, o que significa que o SOC das baterias adjacentes em todo o componente é aproximadamente igual. Isto é muito importante porque não só atinge a capacidade ideal da bateria, mas também ajuda a prevenir a degradação generalizada e a reduzir potenciais pontos de acesso para sobrecarga de baterias fracas. As baterias de íon de lítio devem evitar descarregar abaixo do limite de baixa tensão, pois isso pode levar a efeitos de memória e perda significativa de capacidade. Os processos eletroquímicos são altamente sensíveis à temperatura e as baterias não são exceção. Quando a temperatura ambiente cai, a capacidade e a energia disponível da bateria diminuirão significativamente. Portanto, a BMS pode conectar aquecedores on-line externos localizados em sistemas de refrigeração líquida, como baterias de veículos elétricos, ou ligar placas de aquecimento residentes instaladas sob módulos de baterias em helicópteros ou outras aeronaves. Além disso, como carregar baterias de íons de lítio de baixa temperatura não contribui para o desempenho da vida útil da bateria, é importante primeiro aumentar totalmente a temperatura da bateria. A maioria das baterias de íon de lítio não pode ser carregada rapidamente abaixo de 5 graus C e não deve ser carregada abaixo de 0 graus C. Para obter o desempenho ideal durante o uso operacional típico, o gerenciamento térmico do BMS normalmente garante que a bateria opere dentro de uma área operacional estreita da Cachinhos Dourados (por exemplo, 30-35 grau C). Isso pode proteger o desempenho, prolongar a vida útil e cultivar baterias saudáveis e confiáveis.
Os benefícios do sistema de gerenciamento de bateria
Um sistema completo de armazenamento de energia de bateria, comumente conhecido como BESS, pode ser estrategicamente montado a partir de dezenas, centenas ou até milhares de baterias de íon-lítio, dependendo da aplicação. A tensão nominal desses sistemas pode ser inferior a 100 V, mas pode atingir até 800 V, com uma faixa de corrente de alimentação de bateria de até 300 A ou superior. Qualquer má gestão de baterias de alta tensão pode levar a desastres catastróficos que colocam vidas em perigo. Portanto, o BMS é crucial para garantir uma operação segura. Os benefícios do BMS podem ser resumidos da seguinte forma.
Segurança funcional.Nem é preciso dizer que, para baterias de íons de lítio de grande porte, isso é particularmente cauteloso e necessário. Mas, como é sabido, mesmo formatos menores usados em laptops podem pegar fogo e causar danos significativos. A segurança pessoal dos usuários de produtos que contêm sistemas de energia de íons de lítio deixa pouco espaço para erros no gerenciamento da bateria.
Vida útil e confiabilidade.Gerenciamento de proteção de baterias, elétrica e térmica, garantindo que todas as baterias sejam usadas dentro dos requisitos SOA declarados. Esta supervisão sutil garante o uso seguro e ciclos rápidos de carga e descarga da bateria e, inevitavelmente, gera um sistema estável que pode fornecer anos de serviço confiável.
Desempenho e escopo.Gerenciamento de capacidade da bateria BMS, que usa balanceamento entre baterias para equilibrar o SOC de baterias adjacentes nos componentes da bateria, permitindo a capacidade ideal da bateria. Sem esta função do BMS para considerar alterações na autodescarga, ciclos de carga/descarga, efeitos de temperatura e envelhecimento geral, a bateria pode acabar se tornando inútil.
Diagnóstico, coleta de dados e comunicação externa.A tarefa de supervisão inclui monitoramento contínuo de todas as células da bateria, onde o próprio registro de dados pode ser usado para diagnóstico, mas normalmente é usado para tarefas computacionais para prever o SOC de todas as baterias no componente. Essas informações são usadas para algoritmos de balanceamento, mas podem ser compartilhadas com dispositivos externos e monitores para indicar a energia residente disponível, estimar a autonomia esperada ou autonomia/vida útil com base no uso atual e fornecer o status de integridade da bateria.
Reduza custos e garantia.A introdução do BMS no BESS aumenta os custos e a bateria é cara e potencialmente perigosa. Quanto mais complexo for o sistema, maiores serão os requisitos de segurança, exigindo, portanto, mais supervisão do BMS. No entanto, a protecção e manutenção preventiva da BMS em termos de segurança funcional, vida útil e fiabilidade, desempenho e âmbito, diagnóstico, etc., garantem que reduzirá os custos globais, incluindo os custos relacionados com a garantia.
Conclusão
A simulação é uma aliada valiosa no projeto de BMS, especialmente quando aplicada para explorar e resolver desafios de projeto no desenvolvimento, prototipagem e testes de hardware. Com um modelo preciso de bateria de íons de lítio, o modelo de simulação da arquitetura BMS é reconhecido como uma especificação executável para protótipos virtuais. Além disso, a simulação permite uma investigação fácil de variantes de funções de monitoramento do BMS para diferentes cenários operacionais de bateria e ambientais. Os problemas de implementação podem ser identificados e investigados antecipadamente, permitindo a validação de melhorias de desempenho e segurança funcional antes da implementação em protótipos de hardware reais. Isto reduz o tempo de desenvolvimento e ajuda a garantir que o primeiro protótipo de hardware seja robusto. Além disso, quando conduzidos em aplicações de sistemas embarcados, muitos testes de autenticação podem ser realizados em BMS e baterias, incluindo os piores cenários.