Introdução aos sistemas de gerenciamento de bateria

Aprenda as noções básicas de alto nível sobre o papel que os sistemas de gerenciamento de bateria (BMSs) desempenham no projeto de energia e quais componentes são necessários para suas funções básicas.

Hoje em dia, as baterias de íon-lítio reinam supremas, com densidades de energia de até 265 Wh / kg. No entanto, eles têm a reputação de ocasionalmente estourar e queimar toda aquela energia caso passem por estresse excessivo. É por isso que muitas vezes exigem sistemas de gerenciamento de bateria (BMSs) para mantê-los sob controle.

Neste artigo, discutiremos os fundamentos do conceito de BMS e examinaremos algumas partes fundamentais que compõem o BMS típico.

Configurações básicas de BMS

Na Figura 1, vemos os blocos básicos de como um BMS pode ser visto ao mesmo tempo em que serve a função de prevenir grandes malfuncionamentos da bateria.

Figura 1. Um diagrama de blocos BMS típico

Este exemplo de BMS pode lidar com quatro células de íons de lítio em série. Um monitor de célula lê todas as tensões de célula e equilibra a tensão entre elas:esta função é chamada de balanceamento (mais sobre isso depois). Isso é controlado por um MCU que lida com dados de telemetria, bem como manipulação de switch e estratégia de balanceamento.

Na prática, o mercado oferece diferentes soluções para projetos mais simples, inclusive para células únicas sem balanceamento ou MCUs, conforme mostrado na Figura 2.

Figura 2. Um gerenciador de bateria simples. Imagem usada cortesia de Texas Instruments

A desvantagem desses sistemas mais simples é que um designer está limitado ao que a peça dada oferece (por exemplo, um interruptor de lado alto ou baixo) sem personalização.

Ao usar mais células, um sistema de equilíbrio é necessário. Existem esquemas simples que ainda funcionam sem um MCU, conforme mostrado na Figura 3.

Figura 3. Um balanceador de células independente de MCU. Imagem usada cortesia de Texas Instruments

Ao usar baterias maiores ou qualquer coisa que requeira células em série ou um cálculo de medidor de combustível, um MCU é necessário. A solução mais integrada (e, portanto, de baixo custo) é a da Figura 4.

Figura 4. Um BMS comercial. Imagem usada cortesia da Renesas

Este é um BMS que usa um MCU com firmware proprietário executando todas as funções relacionadas à bateria associadas.

Os blocos de construção:componentes do sistema de gerenciamento de bateria

Reveja a Figura 1 para obter uma visão geral das partes fundamentais cruciais para um BMS. Agora, vamos percorrer as partes principais da Figura 4 com um pouco mais de detalhes para entender os vários elementos envolvidos em um diagrama de blocos BMS.

Fusível

Quando ocorre um curto-circuito violento, as células da bateria precisam ser protegidas rapidamente. Na Figura 5 você pode ver o que é conhecido como fusível protetor de autocontrole (SCP), que deve ser queimado pelo CI de controle de sobretensão em caso de sobretensões, conduzindo o pino 2 ao aterramento.

Figura 5. Fusível SCP e controle de um BMS comercial

O MCU pode comunicar a condição do fusível queimado, razão pela qual a fonte de alimentação do MCU deve estar antes do fusível.

Detecção de Corrente / Contagem de Coulomb

Aqui é implementada uma medição de corrente lateral baixa, permitindo a conexão direta ao MCU.

Figura 6. Senso de baixa corrente típico de um BMS comercial

Mantendo uma referência de tempo e integrando a corrente ao longo do tempo, obtemos a energia total que entrou ou saiu da bateria, implementando um contador de Coulomb. Em outras palavras, podemos estimar o estado de carga (SOC, não deve ser confundido com um sistema no chip) usando a seguinte fórmula:







Onde

• $$ SOC (t_0) $$ é o SOC inicial (em Ah)
• $$ C_ {rated} $$ é a capacidade nominal (em Ah)
• $$ I_b $$ é a corrente da bateria
• $$ I_ {loss} $$ leva em consideração as perdas de reação celular
• τ é o período médio das amostras de corrente elétrica

Termistores

Sensores de temperatura, geralmente termistores, são usados ​​tanto para monitor de temperatura quanto para intervenção de segurança.

Na Figura 7 você pode ver um termistor que controla uma entrada do CI de controle de sobretensão. Isso queima artificialmente o SCP (o fusível mostrado na Figura 5) sem a intervenção do MCU.

Figura 7. Um termistor pode controlar o SCP, em caso de problemas térmicos graves

A Figura 8 mostra dois termistores adicionais para telemetria.

Figura 8. Termistores usados ​​pelo firmware

Interruptor principal

Para atuar como interruptores, os MOSFETs precisam que a tensão da fonte de drenagem seja $$ V_ {ds} \ leq V_ {gs} - V_ {th} $$. A corrente elétrica na região linear é $$ I_d =k \ cdot (V_ {gs} - V_ {th}) \ cdot V_ {ds} $$, fazendo com que a resistência da chave $$ R_ {MOS} =1 / [k \ cdot (V_ {gs} - V_ {th})] $$.

É importante direcionar $$ V_ {gs} $$ de acordo para garantir baixa resistência e, portanto, baixas perdas.

Figura 9. Interruptor principal da bateria (NMOS, lado alto)

Os tipos NMOS são usados ​​também em interruptores do lado alto por meio de uma bomba de carga, já que normalmente eles têm menos $$ R_ {MOS} $$.

Balanceador

As células da bateria deram tolerâncias em sua capacidade e impedância. Portanto, ao longo dos ciclos, uma diferença de carga pode se acumular entre as células em série.

Se um conjunto mais fraco de células tiver menos capacidade, ele carregará mais rápido em comparação com outros em série. O BMS deve, portanto, parar de carregar outras células, ou então as células mais fracas ficarão sobrecarregadas, como pode ser visto na Figura 10.

Figura 10. Células de menor capacidade impedindo o carregamento completo do pacote. Imagem usada cortesia de Analog Devices

Por outro lado, uma célula pode ser descarregada mais rapidamente, arriscando que as células fiquem abaixo de sua voltagem mínima. Neste caso, um BMS sem um balanceador deve interromper o fornecimento de energia mais cedo, como visto na Figura 11.

Figura 11. Células de menor capacidade impedindo o uso da energia do pacote completo. Imagem usada cortesia de Analog Devices

Um circuito como o da Figura 12 descarregará a célula com maior SOC (estado de carga), conforme mostrado na Figura 10, no nível das outras células em série. Isso é feito usando um método passivo de balanceamento denominado desvio de carga.

Figura 12. Exemplo de estratégia de equilíbrio passivo

Como a corrente flui através do transistor no estado LIGADO e se dissipa através de R, e como a referência de tensão é CELL1 (um pólo negativo), apenas tal célula irá descarregar seu excesso de energia.

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Este artigo teve como objetivo apresentar o conceito básico de um sistema de gerenciamento de bateria e os componentes básicos usados ​​em seu projeto. Esperançosamente, agora você tem uma compreensão melhor do que um sistema de gerenciamento de bateria deve realizar e como ele pode ser usado em um projeto de energia.

Se você tiver conceitos adicionais sobre os quais gostaria de aprender mais sobre o design do BMS, deixe um comentário abaixo.