O que é um sistema de gerenciamento de bateria?

Definição

O sistema de gerenciamento de bateria (BMS) é uma tecnologia dedicada à supervisão de uma bateria, que é um conjunto de células de bateria, eletricamente organizadas em uma configuração de matriz de linha x coluna para permitir a entrega de uma faixa específica de tensão e corrente por um período de tempo contra cenários de carga esperados.A supervisão que um BMS fornece geralmente inclui:

• Monitorando a bateria
• Fornecendo proteção da bateria
• Estimando o estado operacional da bateria
• Otimizando continuamente o desempenho da bateria
• Relatando o status operacional para dispositivos externos

Aqui, o termo “bateria” implica o pacote inteiro;no entanto, as funções de monitoramento e controle são aplicadas especificamente a células individuais ou grupos de células chamados módulos no conjunto geral da bateria.As células recarregáveis ​​de íons de lítio têm a mais alta densidade de energia e são a escolha padrão para baterias de muitos produtos de consumo, de laptops a veículos elétricos.Embora tenham um desempenho excelente, eles podem ser bastante implacáveis ​​se operados fora de uma área operacional segura (SOA) geralmente restrita, com resultados que variam desde o comprometimento do desempenho da bateria até consequências perigosas.O BMS certamente tem uma descrição de trabalho desafiadora, e sua complexidade geral e alcance de supervisão podem abranger muitas disciplinas, como elétrica, digital, controle, térmica e hidráulica.

Como funcionam os sistemas de gerenciamento de bateria?

Os sistemas de gerenciamento de baterias não possuem um conjunto fixo ou único de critérios que devam ser adotados.O escopo do design da tecnologia e os recursos implementados geralmente se correlacionam com:

• Os custos, complexidade e tamanho da bateria
• Aplicação da bateria e quaisquer questões de segurança, vida útil e garantia
• Requisitos de certificação de vários regulamentos governamentais onde os custos e penalidades são fundamentais se medidas de segurança funcional inadequadas estiverem em vigor

Existem muitos recursos de design do BMS, sendo o gerenciamento de proteção da bateria e o gerenciamento de capacidade dois recursos essenciais.Discutiremos como esses dois recursos funcionam aqui.O gerenciamento da proteção do conjunto de baterias tem duas áreas principais: proteção elétrica, que implica não permitir que a bateria seja danificada pelo uso fora de seu SOA, e proteção térmica, que envolve controle de temperatura passivo e/ou ativo para manter ou trazer o conjunto para seu SOA.

Proteção de gerenciamento elétrico: corrente

Monitorar a corrente da bateria e as tensões das células ou módulos é o caminho para a proteção elétrica.O SOA elétrico de qualquer célula de bateria é limitado por corrente e tensão.A Figura 1 ilustra uma típica célula de íons de lítio SOA, e um BMS bem projetado protegerá o pacote, evitando a operação fora das classificações de célula do fabricante.Em muitos casos, uma redução adicional pode ser aplicada para residir dentro da zona segura SOA, no interesse de promover maior vida útil da bateria.

As células de íons de lítio têm limites de corrente diferentes para carga e descarga, e ambos os modos podem lidar com correntes de pico mais altas, embora por curtos períodos de tempo.Os fabricantes de células de bateria geralmente especificam limites máximos de corrente contínua de carga e descarga, juntamente com limites de pico de corrente de carga e descarga.Um BMS que forneça proteção de corrente certamente aplicará uma corrente contínua máxima.Contudo, isto pode ser precedido para ter em conta uma mudança repentina nas condições de carga;por exemplo, a aceleração abrupta de um veículo elétrico.Um BMS pode incorporar monitoramento de corrente de pico integrando a corrente e após o tempo delta, decidindo reduzir a corrente disponível ou interromper completamente a corrente do pacote.Isto permite que o BMS possua sensibilidade quase instantânea a picos extremos de corrente, como uma condição de curto-circuito que não chamou a atenção de nenhum fusível residente, mas também seja indulgente com altas demandas de pico, desde que não sejam excessivas por muito tempo. longo.

Proteção de gerenciamento elétrico: tensão

A Figura 2 mostra que uma célula de íons de lítio deve operar dentro de uma determinada faixa de tensão.Esses limites SOA serão determinados pela química intrínseca da célula de íons de lítio selecionada e pela temperatura das células a qualquer momento.Além disso, como qualquer bateria sofre uma quantidade significativa de ciclos de corrente, descarregando devido às demandas de carga e carregando de uma variedade de fontes de energia, esses limites de tensão SOA são geralmente ainda mais restringidos para otimizar a vida útil da bateria.O BMS deve saber quais são esses limites e comandará decisões com base na proximidade desses limites.Por exemplo, ao aproximar-se do limite de alta tensão, um BMS pode solicitar uma redução gradual da corrente de carga, ou pode solicitar que a corrente de carga seja totalmente encerrada se o limite for atingido.No entanto, este limite é geralmente acompanhado por considerações adicionais de histerese de tensão intrínseca para evitar interferências de controle sobre o limite de desligamento.Por outro lado, ao aproximar-se do limite de baixa tensão, um BMS solicitará que as principais cargas activas infratoras reduzam as suas exigências de corrente.No caso de um veículo elétrico, isso pode ser feito reduzindo o torque permitido ao motor de tração.É claro que o BMS deve dar prioridade às considerações de segurança para o condutor, ao mesmo tempo que protege a bateria para evitar danos permanentes.

Proteção de gerenciamento térmico: temperatura

À primeira vista, pode parecer que as células de íons de lítio têm uma ampla faixa de temperatura operacional, mas a capacidade geral da bateria diminui em baixas temperaturas porque as taxas de reação química diminuem notavelmente.No que diz respeito à capacidade a baixas temperaturas, elas têm um desempenho muito melhor do que as baterias de chumbo-ácido ou NiMh;no entanto, a gestão da temperatura é prudentemente essencial, uma vez que carregar abaixo de 0 °C (32 °F) é fisicamente problemático.O fenômeno do revestimento de lítio metálico pode ocorrer no ânodo durante o carregamento abaixo do ponto de congelamento.Este é um dano permanente e não só resulta na redução da capacidade, mas as células são mais vulneráveis ​​a falhas se forem submetidas a vibrações ou outras condições estressantes.Um BMS pode controlar a temperatura da bateria através de aquecimento e resfriamento.

O gerenciamento térmico realizado depende inteiramente do tamanho e do custo da bateria e dos objetivos de desempenho, dos critérios de projeto do BMS e da unidade do produto, que pode incluir a consideração da região geográfica alvo (por exemplo, Alasca versus Havaí).Independentemente do tipo de aquecedor, geralmente é mais eficaz extrair energia de uma fonte de alimentação CA externa ou de uma bateria residente alternativa destinada a operar o aquecedor quando necessário.No entanto, se o aquecedor elétrico tiver um consumo de corrente modesto, a energia da bateria primária pode ser desviada para aquecer-se.Se for implementado um sistema termo-hidráulico, então um aquecedor elétrico é usado para aquecer o refrigerante que é bombeado e distribuído por todo o conjunto do conjunto.

Os engenheiros de projeto da BMS, sem dúvida, têm truques em sua área de design para inserir energia térmica na embalagem.Por exemplo, vários componentes eletrônicos de potência dentro do BMS dedicados ao gerenciamento de capacidade podem ser ligados.Embora não seja tão eficiente quanto o aquecimento direto, pode ser aproveitado de qualquer maneira.O resfriamento é particularmente vital para minimizar a perda de desempenho de uma bateria de íons de lítio.Por exemplo, talvez uma determinada bateria funcione de forma ideal a 20°C;se a temperatura da embalagem aumentar para 30°C, sua eficiência de desempenho poderá ser reduzida em até 20%.Se o pacote for continuamente carregado e recarregado a 45°C (113°F), a perda de desempenho pode subir para robustos 50%.A vida útil da bateria também pode sofrer envelhecimento prematuro e degradação se for continuamente exposta à geração excessiva de calor, especialmente durante ciclos rápidos de carga e descarga.O resfriamento geralmente é obtido por dois métodos, passivo ou ativo, e ambas as técnicas podem ser empregadas.O resfriamento passivo depende do movimento do fluxo de ar para resfriar a bateria.No caso de um veículo elétrico, isso implica que ele está simplesmente se movendo na estrada.No entanto, pode ser mais sofisticado do que parece, uma vez que os sensores de velocidade do ar podem ser integrados para ajustar estrategicamente as barragens de ar defletoras para maximizar o fluxo de ar.A implementação de um ventilador ativo com temperatura controlada pode ajudar em baixas velocidades ou quando o veículo estiver parado, mas tudo o que isso pode fazer é apenas equalizar o conjunto com a temperatura ambiente circundante.No caso de um dia escaldante, isso pode aumentar a temperatura inicial da embalagem.O resfriamento ativo térmico-hidráulico pode ser projetado como um sistema complementar e normalmente utiliza refrigerante de etilenoglicol com uma proporção de mistura especificada, circulado por meio de uma bomba acionada por motor elétrico através de tubos/mangueiras, coletores de distribuição, um trocador de calor de fluxo cruzado (radiador) e placa de resfriamento residente contra o conjunto da bateria.Um BMS monitora as temperaturas em todo o pacote e abre e fecha várias válvulas para manter a temperatura geral da bateria dentro de uma faixa estreita de temperatura para garantir o desempenho ideal da bateria.

Gerenciamento de capacidade

Maximizar a capacidade da bateria é sem dúvida um dos recursos de desempenho de bateria mais vitais que um BMS oferece.Se esta manutenção não for realizada, a bateria pode eventualmente inutilizar-se.A raiz do problema é que uma “pilha” de bateria (conjunto de células em série) não é perfeitamente igual e intrinsecamente tem taxas de vazamento ou autodescarga ligeiramente diferentes.O vazamento não é um defeito do fabricante, mas uma característica química da bateria, embora possa ser afetado estatisticamente por pequenas variações no processo de fabricação.Inicialmente, uma bateria pode ter células bem combinadas, mas com o tempo, a semelhança entre células degrada-se ainda mais, não apenas devido à autodescarga, mas também devido ao impacto do ciclo de carga/descarga, temperatura elevada e envelhecimento geral do calendário.Com isso compreendido, lembre-se da discussão anterior de que as células de íons de lítio têm um desempenho excelente, mas podem ser bastante implacáveis ​​se operadas fora de um SOA rígido.Aprendemos anteriormente sobre a proteção elétrica necessária porque as células de íons de lítio não lidam bem com sobrecarga.Uma vez totalmente carregados, eles não podem aceitar mais corrente, e qualquer energia adicional inserida neles é transmutada em calor, com a tensão potencialmente aumentando rapidamente, possivelmente para níveis perigosos.Não é uma situação saudável para a célula e pode causar danos permanentes e condições operacionais inseguras se continuar.

O conjunto de células em série da bateria é o que determina a tensão geral da bateria, e a incompatibilidade entre células adjacentes cria um dilema ao tentar carregar qualquer pilha.A Figura 3 mostra por que isso acontece.Se alguém tiver um conjunto de células perfeitamente balanceado, tudo estará bem, pois cada uma carregará da mesma maneira e a corrente de carga poderá ser cortada quando o limite superior de corte de tensão de 4,0 for atingido.No entanto, no cenário desequilibrado, a célula superior atingirá o seu limite de carga mais cedo e a corrente de carga terá de ser terminada para a perna antes que outras células subjacentes tenham sido carregadas até à capacidade total.

O BMS é quem intervém e salva o dia, ou a bateria, neste caso.Para mostrar como isso funciona, uma definição chave precisa ser explicada.O estado de carga (SOC) de uma célula ou módulo em um determinado momento é proporcional à carga disponível em relação à carga total quando totalmente carregada.Assim, uma bateria que reside em 50% SOC implica que ela está 50% carregada, o que é semelhante a um valor de mérito do medidor de combustível.O gerenciamento de capacidade do BMS trata do equilíbrio da variação do SOC em cada pilha na montagem do pacote.Dado que o SOC não é uma quantidade directamente mensurável, pode ser estimado através de várias técnicas, e o próprio esquema de equilíbrio geralmente cai em duas categorias principais, passivo e activo.Existem muitas variações de temas e cada tipo tem prós e contras.Cabe ao engenheiro de projeto da BMS decidir qual é o ideal para uma determinada bateria e sua aplicação.O balanceamento passivo é o mais fácil de implementar, bem como de explicar o conceito geral de balanceamento.O método passivo permite que cada célula da pilha tenha a mesma capacidade carregada que a célula mais fraca.Usando uma corrente relativamente baixa, ele transporta uma pequena quantidade de energia das células com alto SOC durante o ciclo de carregamento, para que todas as células carreguem até seu SOC máximo.A Figura 4 ilustra como isso é realizado pelo BMS.Ele monitora cada célula e utiliza uma chave de transistor e um resistor de descarga de tamanho apropriado em paralelo com cada célula.Quando o BMS detecta que uma determinada célula está se aproximando do seu limite de carga, ele direcionará o excesso de corrente em torno dela para a próxima célula abaixo, de cima para baixo.

Os pontos finais do processo de balanceamento, antes e depois, são mostrados na Figura 5. Em resumo, um BMS equilibra uma pilha de baterias permitindo que uma célula ou módulo em uma pilha veja uma corrente de carga diferente da corrente do pacote de uma das seguintes maneiras:

• Remoção da carga das células mais carregadas, o que dá espaço para corrente de carga adicional para evitar sobrecarga e permite que as células menos carregadas recebam mais corrente de carga
• Redirecionamento de parte ou quase toda a corrente de carga em torno das células mais carregadas, permitindo assim que as células menos carregadas recebam corrente de carga por um período de tempo mais longo

Tipos de sistemas de gerenciamento de bateria

Os sistemas de gerenciamento de baterias variam de simples a complexos e podem abranger uma ampla gama de tecnologias diferentes para cumprir sua diretriz principal de “cuidar da bateria”.No entanto, estes sistemas podem ser categorizados com base na sua topologia, que se relaciona com a forma como são instalados e operam nas células ou módulos da bateria.

Arquitetura BMS centralizada

Possui um BMS central no conjunto da bateria.Todos os pacotes de baterias são conectados diretamente ao BMS central.A estrutura de um BMS centralizado é mostrada na Figura 6. O BMS centralizado tem algumas vantagens.É mais compacto e tende a ser o mais econômico, pois existe apenas um BMS.No entanto, existem desvantagens de um BMS centralizado.Como todas as baterias estão conectadas diretamente ao BMS, o BMS precisa de muitas portas para se conectar a todos os pacotes de baterias.Isso se traduz em muitos fios, cabos, conectores, etc. em grandes baterias, o que complica tanto a solução de problemas quanto a manutenção.

Topologia BMS Modular

Semelhante a uma implementação centralizada, o BMS é dividido em vários módulos duplicados, cada um com um feixe dedicado de fios e conexões a uma porção adjacente atribuída de uma pilha de baterias.Veja a Figura 7. Em alguns casos, esses submódulos BMS podem residir sob a supervisão de um módulo BMS primário, cuja função é monitorar o status dos submódulos e comunicar-se com equipamentos periféricos.Graças à modularidade duplicada, a solução de problemas e a manutenção são mais fáceis, e a extensão para baterias maiores é simples.A desvantagem é que os custos gerais são um pouco mais altos e pode haver funcionalidades não utilizadas duplicadas, dependendo do aplicativo.

BMS primário/subordinado

Conceitualmente semelhante à topologia modular, porém, neste caso, os escravos ficam mais restritos a apenas retransmitir informações de medição, e o mestre é dedicado à computação e controle, bem como à comunicação externa.Assim, embora como os tipos modulares, os custos podem ser mais baixos, uma vez que a funcionalidade dos escravos tende a ser mais simples, com provavelmente menos sobrecarga e menos recursos não utilizados.

Arquitetura BMS Distribuída

Consideravelmente diferente de outras topologias, onde o hardware e o software eletrônicos são encapsulados em módulos que fazem interface com as células por meio de feixes de fiação conectada.Um BMS distribuído incorpora todo o hardware eletrônico em uma placa de controle colocada diretamente na célula ou módulo que está sendo monitorado.Isso alivia a maior parte do cabeamento para alguns fios de sensores e fios de comunicação entre módulos BMS adjacentes.Consequentemente, cada BMS é mais independente e lida com cálculos e comunicações conforme necessário.No entanto, apesar desta aparente simplicidade, esta forma integrada torna a solução de problemas e a manutenção potencialmente problemáticas, uma vez que reside no interior de um conjunto de módulo de blindagem.Os custos também tendem a ser mais elevados, pois há mais BMSs na estrutura geral do conjunto de baterias.

A importância dos sistemas de gerenciamento de bateria

A segurança funcional é da maior importância num BMS.É fundamental durante a operação de carga e descarga evitar que a tensão, a corrente e a temperatura de qualquer célula ou módulo sob controle de supervisão excedam os limites SOA definidos.Se os limites forem excedidos por um período de tempo, não apenas uma bateria potencialmente cara será comprometida, mas também poderão ocorrer condições perigosas de fuga térmica.Além disso, os limites de tensão mais baixos também são rigorosamente monitorados para a proteção das células de íons de lítio e segurança funcional.Se a bateria de íons de lítio permanecer neste estado de baixa tensão, os dendritos de cobre poderão eventualmente crescer no ânodo, o que pode resultar em taxas elevadas de autodescarga e levantar possíveis preocupações de segurança.A alta densidade de energia dos sistemas alimentados por íons de lítio tem um preço que deixa pouco espaço para erros no gerenciamento da bateria.Graças aos BMSs e às melhorias de íons de lítio, este é um dos produtos químicos de bateria mais bem-sucedidos e seguros disponíveis atualmente.

O desempenho da bateria é o segundo recurso mais importante de um BMS, e isso envolve gerenciamento elétrico e térmico.Para otimizar eletricamente a capacidade geral da bateria, todas as células do conjunto devem ser balanceadas, o que implica que o SOC das células adjacentes em todo o conjunto seja aproximadamente equivalente.Isto é excepcionalmente importante porque não só pode ser alcançada a capacidade ideal da bateria, mas também ajuda a prevenir a degradação geral e reduz potenciais pontos de acesso devido à sobrecarga de células fracas.As baterias de íons de lítio devem evitar descargas abaixo dos limites de baixa tensão, pois isso pode resultar em efeitos de memória e perda significativa de capacidade.Os processos eletroquímicos são altamente suscetíveis à temperatura e as baterias não são exceção.Quando a temperatura ambiente cai, a capacidade e a energia disponível da bateria diminuem significativamente.Consequentemente, um BMS pode ativar um aquecedor externo em linha que reside, por exemplo, no sistema de refrigeração líquida de um conjunto de baterias de veículos elétricos, ou ligar placas de aquecimento residentes instaladas sob módulos de um conjunto incorporado em um helicóptero ou outro aeronave.Além disso, como o carregamento de células frígidas de íons de lítio é prejudicial ao desempenho da vida útil da bateria, é importante primeiro elevar suficientemente a temperatura da bateria.A maioria das células de íons de lítio não pode ser carregada rapidamente quando estão abaixo de 5°C e não devem ser carregadas quando estão abaixo de 0°C.Para um desempenho ideal durante o uso operacional típico, o gerenciamento térmico do BMS geralmente garante que a bateria opere dentro de uma região estreita de operação Cachinhos Dourados (por exemplo, 30 – 35°C).Isto protege o desempenho, promove uma vida útil mais longa e promove uma bateria saudável e confiável.

Os benefícios dos sistemas de gerenciamento de bateria

Um sistema completo de armazenamento de energia de bateria, muitas vezes referido como BESS, pode ser composto por dezenas, centenas ou mesmo milhares de células de íons de lítio estrategicamente agrupadas, dependendo da aplicação.Esses sistemas podem ter uma tensão nominal inferior a 100 V, mas podem chegar a 800 V, com correntes de alimentação de pacote variando de até 300 A ou mais.Qualquer má gestão de um pacote de alta tensão pode desencadear um desastre catastrófico e com risco de vida.Consequentemente, os BMS são absolutamente críticos para garantir uma operação segura.Os benefícios dos BMS podem ser resumidos da seguinte forma.

• Segurança Funcional.Sem dúvida, para baterias de íons de lítio de grande formato, isso é particularmente prudente e essencial.Mas sabe-se que mesmo formatos menores usados, por exemplo, em laptops, pegam fogo e causam enormes danos.A segurança pessoal dos usuários de produtos que incorporam sistemas alimentados por íons de lítio deixa pouco espaço para erros no gerenciamento da bateria.
• Vida útil e confiabilidade.O gerenciamento de proteção da bateria, elétrica e térmica, garante que todas as células sejam usadas dentro dos requisitos SOA declarados.Essa supervisão delicada garante que as células sejam protegidas contra uso agressivo e ciclos rápidos de carga e descarga, e inevitavelmente resulta em um sistema estável que potencialmente fornecerá muitos anos de serviço confiável.
• Desempenho e alcance.O gerenciamento da capacidade da bateria BMS, onde o balanceamento célula a célula é empregado para equalizar o SOC de células adjacentes em todo o conjunto da bateria, permite que a capacidade ideal da bateria seja alcançada.Sem esse recurso do BMS para levar em conta variações na autodescarga, ciclos de carga/descarga, efeitos de temperatura e envelhecimento geral, uma bateria poderia eventualmente se tornar inútil.
• Diagnóstico, coleta de dados e comunicação externa.As tarefas de supervisão incluem o monitoramento contínuo de todas as células da bateria, onde o registro de dados pode ser usado por si só para diagnóstico, mas geralmente é destinado à tarefa de cálculo para estimar o SOC de todas as células na montagem.Essas informações são aproveitadas para algoritmos de balanceamento, mas coletivamente podem ser retransmitidas para dispositivos externos e monitores para indicar a energia residente disponível, estimar o alcance esperado ou o alcance/vida útil com base no uso atual e fornecer o estado de integridade da bateria.
• Redução de custos e garantia.A introdução de um BMS num BESS acrescenta custos e as baterias são caras e potencialmente perigosas.Quanto mais complicado for o sistema, maiores serão os requisitos de segurança, resultando na necessidade de maior presença de supervisão do BMS.Mas a proteção e a manutenção preventiva de um BMS no que diz respeito à segurança funcional, vida útil e fiabilidade, desempenho e autonomia, diagnóstico, etc., garantem que reduzirá os custos globais, incluindo os relacionados com a garantia.

Sistemas de gerenciamento de bateria e sinopses

A simulação é um aliado valioso para o projeto de BMS, especialmente quando aplicada para explorar e abordar desafios de projeto no desenvolvimento, prototipagem e testes de hardware.Com um modelo preciso de célula de íons de lítio em jogo, o modelo de simulação da arquitetura BMS é a especificação executável reconhecida como protótipo virtual.Além disso, a simulação permite a investigação fácil de variantes das funções de supervisão do BMS em diferentes cenários de operação ambiental e de bateria.Problemas de implementação podem ser descobertos e investigados muito cedo, o que permite verificar melhorias de desempenho e segurança funcional antes da implementação no protótipo de hardware real.Isto reduz o tempo de desenvolvimento e ajuda a garantir que o primeiro protótipo de hardware será robusto.Além disso, muitos testes de autenticação, incluindo os piores cenários, podem ser realizados no BMS e na bateria quando exercidos em aplicações de sistemas embarcados fisicamente realistas.

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