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, organizada eletricamente em uma configuração de matriz de linha x coluna para permitir a entrega de uma faixa alvo de tensão e corrente por um período de tempo contra cenários de carga esperados.A supervisão que um BMS fornece geralmente inclui:

• Monitoramento da 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 chamadas módulos no conjunto geral da bateria.As células recarregáveis ​​de íons de lítio têm a maior densidade de energia e são a escolha padrão para baterias para muitos produtos de consumo, de laptops a veículos elétricos.Embora tenham um desempenho excelente, podem ser bastante implacáveis ​​se operados fora de uma área de operação segura (SOA) geralmente apertada, com resultados que vão desde comprometer o 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 devem ser adotados.O escopo do projeto de tecnologia e os recursos implementados geralmente se correlacionam com:

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

Existem muitos recursos de design do BMS, com gerenciamento de proteção de bateria e gerenciamento de capacidade sendo dois recursos essenciais.Vamos discutir como esses dois recursos funcionam aqui.O gerenciamento da proteção da bateria tem duas áreas principais: proteção elétrica, que implica não permitir que a bateria seja danificada por uso fora de sua SOA, e proteção térmica, que envolve controle de temperatura passivo e/ou ativo para manter ou trazer a bateria para sua 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 um SOA típico de célula de íon de lítio, e um BMS bem projetado protegerá o pacote impedindo 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 íon 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 os limites máximos de corrente contínua de carga e descarga, juntamente com os limites de pico de carga e descarga.Um BMS que fornece proteção de corrente certamente aplicará uma corrente contínua máxima.No entanto, isso pode ser precedido para levar 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.Isso permite que o BMS possua sensibilidade quase instantânea a picos de corrente extremos, como uma condição de curto-circuito que não chamou a atenção de nenhum fusível residente, mas também seja tolerante a altas demandas de pico, desde que não sejam excessivas por muito tempo. grandes.

Proteção de Gerenciamento Elétrico: Tensão

A Figura 2 mostra que uma célula de íons de lítio deve operar dentro de uma certa faixa de voltagem.Esses limites SOA serão determinados pela química intrínseca da célula de íons de lítio selecionada e pela temperatura das células em um determinado momento.Além disso, como qualquer bateria experimenta uma quantidade significativa de ciclos de corrente, descarregando devido a demandas de carga e carregando de uma variedade de fontes de energia, esses limites de tensão SOA geralmente são ainda mais restritos para otimizar a vida útil da bateria.O BMS deve saber quais são esses limites e comandará as decisões com base na proximidade desses limites.Por exemplo, ao se aproximar do limite de alta tensão, um BMS pode solicitar uma redução gradual da corrente de carregamento ou pode solicitar que a corrente de carregamento seja encerrada completamente se o limite for atingido.No entanto, esse limite geralmente é acompanhado por considerações adicionais de histerese de tensão intrínseca para evitar trepidação de controle sobre o limite de desligamento.Por outro lado, ao se aproximar do limite de baixa tensão, um BMS solicitará que as principais cargas ativas em falta reduzam suas demandas de corrente.No caso de um veículo elétrico, isso pode ser feito reduzindo o torque permitido disponível para o motor de tração.Obviamente, o BMS deve priorizar as considerações de segurança para o motorista, ao mesmo tempo em 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 operação de temperatura, mas a capacidade geral da bateria diminui em baixas temperaturas porque as taxas de reação química diminuem notavelmente.Com relação à capacidade em baixas temperaturas, eles têm um desempenho muito melhor do que as baterias de chumbo-ácido ou NiMh;no entanto, o gerenciamento de temperatura é prudentemente essencial, pois carregar abaixo de 0 °C (32 °F) é fisicamente problemático.O fenômeno de chapeamento de lítio metálico pode ocorrer no ânodo durante o carregamento de subcongelamento.Isso é um dano permanente e não apenas resulta em capacidade reduzida, mas as células são mais vulneráveis ​​a falhas se submetidas a vibração ou outras condições estressantes.Um BMS pode controlar a temperatura da bateria por meio de aquecimento e resfriamento.

O gerenciamento térmico realizado depende inteiramente do tamanho e custo da bateria e objetivos de desempenho, critérios de projeto do BMS e unidade de 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 se aquecer.Se um sistema termohidráulico for implementado, um aquecedor elétrico é usado para aquecer o refrigerante que é bombeado e distribuído por todo o conjunto do pacote.

Os engenheiros de design da BMS, sem dúvida, têm truques em seu ofício de design para transferir energia térmica para o pacote.Por exemplo, vários componentes eletrônicos de potência dentro do BMS dedicados ao gerenciamento de capacidade podem ser ativados.Embora não seja tão eficiente quanto o aquecimento direto, ele pode ser aproveitado independentemente.O resfriamento é particularmente vital para minimizar a perda de desempenho de uma bateria de íons de lítio.Por exemplo, talvez uma determinada bateria opere de maneira 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 carregado e recarregado continuamente a 45°C (113°F), a perda de desempenho pode chegar a 50%.A vida útil da bateria também pode sofrer envelhecimento prematuro e degradação se for continuamente exposta à geração excessiva de calor, principalmente durante os ciclos de carregamento e descarregamento rápidos.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 pela estrada.No entanto, pode ser mais sofisticado do que parece, pois os sensores de velocidade do ar podem ser integrados para ajustar automaticamente as barragens de ar defletivas 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 isso pode fazer é apenas equalizar o pacote com a temperatura ambiente ao redor.No caso de um dia de calor escaldante, isso pode aumentar a temperatura inicial da embalagem.O resfriamento ativo termohidráulico pode ser projetado como um sistema complementar e normalmente utiliza refrigerante de etileno-glicol com uma proporção de mistura especificada, circulada por meio de uma bomba acionada por motor elétrico através de tubos/mangueiras, coletores de distribuição, 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 de toda a bateria dentro de uma faixa estreita de temperatura para garantir o desempenho ideal da bateria.

Gerenciamento de capacidade

Maximizar a capacidade de uma bateria é sem dúvida um dos recursos de desempenho de bateria mais vitais que um BMS oferece.Se esta manutenção não for realizada, uma bateria pode eventualmente se tornar inútil.A raiz do problema é que uma “pilha” de bateria (matriz de células em série) não é perfeitamente igual e intrinsecamente tem taxas de vazamento ou auto-descarga ligeiramente diferentes.O vazamento não é um defeito do fabricante, mas uma característica química da bateria, embora possa ser estatisticamente impactado por pequenas variações no processo de fabricação.Inicialmente, uma bateria pode ter células bem combinadas, mas com o tempo, a semelhança célula a célula se degrada ainda mais, não apenas devido à autodescarga, mas também devido ao ciclo de carga/descarga, temperatura elevada e envelhecimento geral do calendário.Com isso entendido, 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 empurrada para ele é transmutada em calor, com a tensão aumentando potencialmente rapidamente, possivelmente para níveis perigosos.Não é uma situação saudável para a célula e pode causar danos permanentes e condições de operação inseguras se continuar.

O conjunto de células da série da bateria é o que determina a tensão geral da bateria, e a incompatibilidade entre as 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 equilibrado, tudo está bem, pois cada uma delas será carregada da mesma maneira, e a corrente de carga pode ser cortada quando o limite superior de corte de tensão de 4,0 for atingido.No entanto, no cenário desequilibrado, a célula superior atingirá seu limite de carga mais cedo e a corrente de carga precisa ser encerrada para a perna antes que outras células subjacentes tenham sido carregadas até a capacidade total.

O BMS é o que 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 está 50% carregada, o que é semelhante a uma figura de mérito do medidor de combustível.O gerenciamento de capacidade do BMS visa equilibrar a variação do SOC em cada pilha na montagem do pacote.Como o SOC não é uma quantidade diretamente mensurável, pode ser estimado por várias técnicas, e o próprio esquema de balanceamento geralmente se enquadra em duas categorias principais, passivo e ativo.Existem muitas variações de temas, e cada tipo tem prós e contras.Cabe ao engenheiro de projeto da BMS decidir qual é a melhor para a bateria e sua aplicação.O balanceamento passivo é o mais fácil de implementar, além de explicar o conceito geral de balanceamento.O método passivo permite que cada célula da pilha tenha a mesma capacidade de carga que a célula mais fraca.Usando uma corrente relativamente baixa, ele transfere uma pequena quantidade de energia das células SOC altas durante o ciclo de carregamento, para que todas as células carreguem até o SOC máximo.A Figura 4 ilustra como isso é feito pelo BMS.Ele monitora cada célula e alavanca 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 de seu limite de carga, ele direcionará o excesso de corrente em torno dela para a próxima célula abaixo de uma forma 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 de 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 longo período de tempo

Tipos de sistemas de gerenciamento de bateria

Os sistemas de gerenciamento de bateria variam de simples a complexos e podem abranger uma ampla gama de tecnologias diferentes para atingir sua principal diretriz de “cuidar da bateria”.No entanto, esses sistemas podem ser categorizados com base em sua topologia, que se relaciona com a forma como eles 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.Consulte 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 são mais restritos a apenas retransmitir informações de medição, e o mestre é dedicado à computação e controle, bem como à comunicação externa.Assim, como os tipos modulares, os custos podem ser menores, pois a funcionalidade dos escravos tende a ser mais simples, provavelmente com menos sobrecarga e menos recursos não utilizados.

Arquitetura BMS Distribuída

Consideravelmente diferente das 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 anexada.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 os módulos BMS adjacentes.Consequentemente, cada BMS é mais autocontido e lida com cálculos e comunicações conforme necessário.No entanto, apesar dessa aparente simplicidade, essa forma integrada torna a solução de problemas e a manutenção potencialmente problemáticas, pois reside no interior de um conjunto de módulos de blindagem.Os custos também tendem a ser mais altos, pois há mais BMSs na estrutura geral da bateria.

A importância dos sistemas de gerenciamento de bateria

A segurança funcional é da maior importância em um BMS.É fundamental durante a operação de carga e descarga evitar que a tensão, corrente e temperatura de qualquer célula ou módulo sob controle de supervisão exceda 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 limite de tensão mais baixos também são monitorados rigorosamente para a proteção das células de íons de lítio e segurança funcional.Se a bateria de íons de lítio permanecer nesse estado de baixa tensão, os dendritos de cobre podem 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 de gerenciamento de bateria.Graças aos BMSs e melhorias de íons de lítio, esta é uma das químicas de bateria mais bem-sucedidas e seguras disponíveis atualmente.

O desempenho da bateria é o próximo recurso mais importante de um BMS, e isso envolve o gerenciamento elétrico e térmico.Para otimizar eletricamente a capacidade geral da bateria, todas as células do pacote precisam ser balanceadas, o que implica que o SOC das células adjacentes em todo o conjunto seja aproximadamente equivalente.Isso é excepcionalmente importante porque não apenas a capacidade ideal da bateria pode ser alcançada, mas também ajuda a evitar a degradação geral e reduz os pontos de acesso potenciais de sobrecarregar as 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 engatar um aquecedor externo em linha que reside, digamos, no sistema de refrigeração líquida de uma bateria de veículo elétrico ou placas de aquecimento residentes que são instaladas sob os módulos de um pacote incorporado dentro de um helicóptero ou outro aeronave.Além disso, como o carregamento de células de íon de lítio frígidas 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 podem ser carregadas 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 uma bateria opere dentro de uma estreita região de operação Goldilocks (por exemplo, 30 – 35°C).Isso protege o desempenho, promove uma vida útil mais longa e promove uma bateria saudável e confiável.

Os benefícios dos sistemas de gerenciamento de bateria

Todo um sistema de armazenamento de energia de bateria, muitas vezes chamado de BESS, pode ser composto de dezenas, centenas ou até 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 que variam de 300 A ou mais.Qualquer má gestão de um pacote de alta tensão pode desencadear um desastre catastrófico com risco de vida.Consequentemente, os BMSs são absolutamente críticos para garantir uma operação segura.Os benefícios dos BMSs podem ser resumidos da seguinte forma.

• Segurança Funcional.Sem dúvida, para baterias de íon de lítio de grande formato, isso é particularmente prudente e essencial.Mas até mesmo formatos menores usados ​​em, digamos, laptops, são conhecidos por pegar fogo e causar enormes danos.A segurança pessoal dos usuários de produtos que incorporam sistemas alimentados por íons de lítio deixa pouco espaço para erros de gerenciamento de bateria.
• Vida útil e confiabilidade.O gerenciamento da 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 de carregamento e descarregamento rápidos, e inevitavelmente resulta em um sistema estável que potencialmente fornecerá muitos anos de serviço confiável.
• Desempenho e alcance.O gerenciamento de capacidade do pacote de bateria BMS, onde o balanceamento célula a célula é empregado para equalizar o SOC de células adjacentes em todo o conjunto do pacote, permite que a capacidade ideal da bateria seja alcançada.Sem esse recurso BMS para levar em conta as variações de autodescarga, ciclos de carga/descarga, efeitos de temperatura e envelhecimento geral, uma bateria pode 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 e monitores externos 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 Custo e Garantia.A introdução de um BMS em um BESS aumenta os 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 manutenção preventiva de um BMS em relação à segurança funcional, vida útil e confiabilidade, desempenho e alcance, diagnósticos, etc. garantem que ele reduzirá os custos gerais, incluindo os relacionados à garantia.

Sistemas de gerenciamento de bateria e sinopse

A simulação é um aliado valioso para o projeto BMS, particularmente quando aplicado para explorar e abordar desafios de projeto no desenvolvimento de hardware, prototipagem e teste.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 o protótipo virtual.Além disso, a simulação permite a investigação indolor de variantes das funções de supervisão do BMS em relação a diferentes cenários de operação ambiental e de bateria.Problemas de implementação podem ser descobertos e investigados muito cedo, o que permite que melhorias de desempenho e segurança funcional sejam verificadas antes da implementação no protótipo de hardware real.Isso reduz o tempo de desenvolvimento e ajuda a garantir que o primeiro protótipo de hardware seja robusto.Além disso, muitos testes de autenticação, incluindo cenários de pior caso, podem ser conduzidos do BMS e da bateria quando executados em aplicativos de sistema incorporado fisicamente realistas.

Sinopse SaberRDoferece extensas bibliotecas de modelos elétricos, digitais, de controle e hidráulicos térmicos para capacitar engenheiros interessados ​​em BMS e projeto e desenvolvimento de baterias.As ferramentas estão disponíveis para gerar rapidamente modelos a partir de especificações básicas de folha de dados e curvas de medição para muitos dispositivos eletrônicos e diferentes tipos de química de bateria.As análises estatísticas, de estresse e de falhas permitem a verificação em todos os espectros da região de operação, incluindo áreas de fronteira, para garantir a confiabilidade geral do BMS.Além disso, muitos exemplos de design são oferecidos para permitir que os usuários iniciem um projeto e alcancem rapidamente as respostas necessárias da simulação.