Sistema de gerenciamento da bateria

O sistema de gerenciamento da bateria (BMS) de um veículo elétrico é a camada eletrônica e de software que mantém a bateria de tração dentro dos limites permitidos de operação, medindo o conjunto, estimando condições que não podem ser detectadas diretamente e controlando sua conexão ao veículo. Ele comunica os limites de carregamento, frenagem regenerativa e potência de tração ao carregador, inversor e sistema de gerenciamento térmico, que realizam a conversão de energia e o controle da temperatura.

O que o BMS mede, estima e controla

Uma bateria de alta tensão pode conter centenas ou milhares de células físicas. As células ligadas em paralelo compartilham a tensão nos terminais, portanto o BMS normalmente monitora cada grupo em paralelo como um único ponto de tensão. Uma bateria descrita como 108s4p, por exemplo, geralmente tem 108 tensões monitoradas de grupos em série, e não 432 medições independentes da tensão das células.

As medições diretas mais importantes normalmente incluem:

Tensão de cada grupo de células monitorado
Tensão total da bateria e tensões em pontos importantes ao redor dos contatores
Corrente que entra ou sai da bateria
Temperaturas em células, módulos, placas de resfriamento, barramentos e componentes elétricos selecionados
Isolamento elétrico entre o sistema de alta tensão e o chassi do veículo
Estado do intertravamento de alta tensão, contatores, fusível e circuito de pré-carga

A tensão total da bateria não é suficiente. Dois grupos de células podem se desviar em sentidos opostos enquanto a tensão combinada ainda parece normal. O grupo de maior tensão pode encerrar o carregamento e o de menor tensão pode limitar a descarga, mesmo quando a média da bateria parece aceitável.

Vários valores usados pelos motoristas e pelas ferramentas de manutenção não são leituras diretas de sensores. O BMS os estima a partir de tensão, corrente, temperatura, tempo, modelos da bateria e histórico armazenado. Essas estimativas incluem:

Estado de carga (SOC)
Estado de energia (SOE)
Estado de potência (SOP)
Estado de saúde (SOH)
Capacidade utilizável e resistência interna
Correntes máximas permitidas de carga e descarga

Em seguida, o BMS age com base nessas informações. Ele pode operar os contatores e os circuitos de balanceamento, gerenciar a sequência de pré-carga, solicitar aquecimento ou resfriamento e comunicar os limites de carga, descarga e potência regenerativa a outros controladores. Portanto, as plataformas automotivas de BMS combinam monitoramento das células, medição de tensão e corrente no nível da bateria, monitoramento de isolamento, controle dos contatores e funções de intertravamento de alta tensão. (Texas Instruments)

Como o hardware do BMS é organizado

Um BMS moderno é distribuído pela bateria, em vez de ficar contido em uma única placa de circuito. Os nomes dos componentes variam, mas muitos sistemas dividem o trabalho entre unidades de monitoramento das células, um controlador central e uma caixa de junção da bateria. A arquitetura de referência da classe de 800 da NXP usa os termos CMU, BMU e BJB para essas três camadas. (NXP)

Unidades de monitoramento das células

Uma unidade de monitoramento das células (CMU) fica próxima de um grupo de células ou módulos. Seus circuitos front-end analógicos medem as tensões dos grupos de células e as entradas dos sensores de temperatura. Eles também podem realizar balanceamento passivo e monitorar conexões ou outros sensores locais.

Várias CMUs podem ser conectadas em uma cadeia isolada, um anel, CAN FD ou outra rede de comunicação automotiva. As medições precisam chegar com confiabilidade apesar do ruído elétrico e das grandes diferenças de tensão entre as seções da bateria.

Unidade de gerenciamento da bateria

A unidade de gerenciamento da bateria (BMU) é o controlador central. Ela reúne as medições, verifica se são plausíveis, executa algoritmos de estimativa de estado, calcula limites de operação, armazena informações de diagnóstico e troca dados com o controlador do veículo, o carregador, o inversor e o controlador térmico.

Caixa de junção da bateria

A caixa de junção da bateria (BJB) contém o hardware de medição no nível da bateria e de comutação de alta corrente. Dependendo do projeto, ela pode conter:

Contatores principais positivo e negativo
Um contator e um resistor de pré-carga
Sensores de corrente e alta tensão da bateria
O fusível principal e, quando instalado, um dispositivo de desconexão pirotécnica
Hardware de monitoramento de isolamento
Conexões de alta tensão para o inversor, sistema de carregamento e outras cargas

A comparação das tensões nos lados da bateria e do veículo em relação aos contatores permite ao controlador verificar se a comutação comandada realmente ocorreu. As medições de corrente e tensão também precisam de uma sincronização precisa porque são usadas juntas nos cálculos de potência, resistência, SOC e SOH. (Texas Instruments)

Comunicação com e sem fios

A maioria das baterias usa comunicação por fios entre as unidades de monitoramento. Conexões redundantes ou em anel podem permitir que as mensagens percorram outro caminho se uma ligação falhar.

Um BMS sem fios substitui parte desse chicote interno de sinais por uma rede de rádio desenvolvida para a aplicação. Ele pode reduzir conectores, roteamento de cabos e complexidade de montagem, mas não elimina a eletrônica de monitoramento, as conexões de medição de tensão, os sensores de temperatura, os circuitos de balanceamento, as fontes de alimentação, os diagnósticos nem a necessidade de comunicação confiável e segura. O hardware automotivo de BMS sem fios conecta os dispositivos de monitoramento das células ao controlador central do BMS; não é uma conexão sem fios com as próprias células. (Analog Devices)

Como a bateria de alta tensão é conectada

Desligar um veículo elétrico não elimina a tensão das células nem dos barramentos internos. Em vez disso, grandes interruptores operados eletricamente, chamados contatores, normalmente desconectam os terminais externos positivo e negativo da bateria do restante do veículo.

Antes de fechar esses contatores, o BMS verifica as tensões e temperaturas relevantes das células, a resistência de isolamento, o estado do intertravamento, a comunicação e as falhas armazenadas. Em seguida, realiza a pré-carga.

O inversor, o carregador de bordo, o conversor CC-CC e outros componentes eletrônicos de alta tensão contêm capacitores. Conectar diretamente um capacitor descarregado à bateria geraria uma grande corrente de entrada, capaz de marcar ou soldar as superfícies dos contatores e sobrecarregar cabos, conectores e fusíveis. Um circuito convencional de pré-carga conecta primeiro o barramento de alta tensão do veículo por meio de um resistor. Quando a tensão do barramento sobe o suficiente e se aproxima da tensão da bateria, os contatores principais podem fechar e contornar o resistor. (Texas Instruments)

Uma sequência simplificada de partida é:

O sistema elétrico de baixa tensão desperta o BMS e os outros controladores necessários.
O BMS verifica as condições monitoradas da bateria e do sistema de alta tensão.
O caminho de pré-carga e o contator principal necessário são fechados.
O barramento externo de alta tensão é carregado através do resistor de pré-carga.
O BMS compara a tensão da bateria com a tensão além dos contatores.
Quando a diferença está dentro da faixa permitida, o contator principal restante fecha e o caminho de pré-carga abre.

A ordem exata de comutação varia conforme o projeto. A finalidade é sempre estabelecer a conexão de alta tensão sem uma corrente de entrada descontrolada.

Monitoramento de isolamento e intertravamento de alta tensão

O circuito de tração normalmente é isolado da carroceria. Um monitor de isolamento mede a resistência elétrica entre o sistema de alta tensão e o chassi. A redução do isolamento pode resultar de danos ao material isolante, entrada de água ou líquido de resfriamento, contaminação, problema em um conector ou falha na bateria, inversor, motor, carregador ou cabeamento de alta tensão.

O circuito de intertravamento de alta tensão (HVIL) é um circuito separado de monitoramento em baixa tensão que passa por conectores, tampas e componentes de alta tensão selecionados. Uma interrupção nesse circuito informa ao veículo que parte do sistema de alta tensão pode estar desconectada ou aberta. Dependendo da condição, o veículo pode interromper o carregamento, abrir os contatores ou impedir que fechem.

É também por isso que uma bateria de baixa tensão fraca, seja de 12 ou 48, pode imobilizar um veículo elétrico cuja bateria de tração ainda contém muita energia. O BMS, a eletrônica dos controladores e as bobinas dos contatores precisam de alimentação de baixa tensão antes que a bateria de alta tensão possa ser conectada ao veículo.

Estimativa de carga, energia, potência e saúde

A porcentagem da bateria, a energia restante, a potência disponível e o estado da bateria respondem a perguntas diferentes. Tratá-los como um único valor gera grande parte da confusão em torno dos diagnósticos de bateria.

Estado de carga

O estado de carga (SOC) é o nível estimado de carga dentro da faixa de operação definida da bateria. A porcentagem exibida ao motorista normalmente corresponde à faixa utilizável, e não a toda a faixa eletroquímica das células. Pode haver capacidade reservada acima de 100% e abaixo de 0% exibidos, como explicado em Buffer da bateria e capacidade utilizável.

O SOC não pode ser medido por um único sensor. O BMS combina vários métodos:

A contagem de coulombs integra a corrente ao longo do tempo para acompanhar a carga que entra e sai da bateria.
A correção baseada na tensão compara a tensão de circuito aberto medida ou modelada com dados de referência específicos da química.
Modelos da bateria preveem a resposta da tensão usando SOC, corrente, temperatura, resistência, histórico recente e parâmetros relacionados ao envelhecimento.
Algoritmos observadores, incluindo variantes do filtro de Kalman, comparam as previsões do modelo com as medições e corrigem a estimativa.

A contagem de coulombs reage imediatamente ao fluxo de energia, mas um pequeno desvio do sensor de corrente se acumula em um erro maior com o tempo. A tensão oferece uma referência, mas a tensão nos terminais também muda com carga, temperatura, resistência, histerese e tempo decorrido desde o carregamento ou a descarga. Por isso, os algoritmos de produção combinam medições e modelos em vez de confiar em um único método. (Analog Devices)

A estimativa do SOC é especialmente exigente para células LFP na região central da faixa de operação, porque a curva de tensão de circuito aberto é relativamente plana e afetada pela histerese. Um pequeno erro de tensão pode representar um erro de SOC muito maior do que em uma parte inclinada da curva. Portanto, uma estimativa precisa em LFP depende fortemente de medições exatas da corrente, de um modelo específico para a química, da compensação de temperatura e de oportunidades para corrigir a estimativa em pontos informativos de operação. (ACS Energy Letters)

A porcentagem exibida geralmente é filtrada para não saltar sempre que a estimativa muda um pouco. Ainda assim, pode ser corrigida depois de um longo repouso, uma carga quase completa, uma descarga profunda, uma grande mudança de temperatura ou novos dados aprendidos de capacidade. A energia não apareceu nem desapareceu repentinamente; a estimativa foi recalibrada.

Estado de energia

O estado de energia (SOE) estima a energia utilizável restante, normalmente em kWh. Ele está relacionado ao SOC, mas também depende da capacidade utilizável, tensão, temperatura, perdas e condições de descarga.

Duas baterias com 50% de SOC não têm necessariamente a mesma energia restante. Até a mesma bateria pode tornar imediatamente acessível uma quantidade menor de energia quando está muito fria. A autonomia prevista pelo veículo acrescenta fatores externos ao BMS, incluindo consumo recente, velocidade, percurso, clima e uso de energia no habitáculo.

Estado de potência

O estado de potência (SOP) é a potência estimada que a bateria consegue aceitar ou fornecer sem ultrapassar seus limites de tensão, corrente, SOC e temperatura durante um período definido. Os limites de carga e descarga são calculados separadamente, e um limite máximo de curta duração pode ser muito superior ao limite contínuo.

O cálculo considera a resposta prevista dos grupos de células limitantes, e não apenas a média da bateria. SOC, temperatura, resistência, margem de tensão das células, duração e limites de corrente do conjunto são relevantes. Portanto, os modelos de potência da bateria calculam diferentes valores máximos de carga e descarga para um período especificado de previsão. (MathWorks)

Estado de saúde

O estado de saúde (SOH) descreve como a capacidade da bateria mudou em relação a uma condição de referência, normalmente quando nova. Não existe uma única definição universal de SOH.

Um SOH baseado na capacidade compara a capacidade utilizável atual com a referência escolhida da bateria nova. Uma avaliação baseada em potência considera a resistência e a capacidade de carregar ou descarregar na taxa necessária. Um modelo completo de saúde também pode usar desequilíbrio entre células, autodescarga, energia transferida, exposição à temperatura, histórico de falhas e idade cronológica.

Uma bateria pode conservar a maior parte da capacidade energética enquanto perde parte da potência máxima à medida que a resistência aumenta. Outra pode perder capacidade mensurável e ainda cumprir todos os requisitos de desempenho do veículo. Por esse motivo, as porcentagens de SOH de diferentes fabricantes, aplicativos de diagnóstico e procedimentos de garantia não são automaticamente comparáveis. Os métodos de medição e os efeitos de longo prazo são abordados em Degradação da bateria.

Como o BMS controla o carregamento e a condução

O BMS calcula continuamente os limites máximos permitidos de carga e descarga. Os outros controladores precisam manter suas solicitações dentro desses limites.

Durante o carregamento rápido em CC, o veículo comunica à estação a tensão e a corrente permitidas para a bateria. A estação pode ser capaz de fornecer mais potência do que a bateria solicita. O BMS pode reduzir a solicitação devido a:

Alta tensão de um grupo de células
Temperatura baixa ou alta da bateria
SOC elevado
Aumento da resistência
Desequilíbrio entre células
Resfriamento insuficiente
Falha em um sensor ou na comunicação

Um único grupo que atinja seu limite superior de tensão pode forçar a redução da corrente de carregamento, mesmo quando o SOC médio da bateria parece deixar margem. A curva completa também depende dos limites de tensão e corrente do carregador, do hardware de conversão do veículo e da estratégia de carregamento do fabricante. Essas interações são abordadas em Carregamento da bateria e desempenho de carregamento.

O limite de descarga funciona no sentido oposto. Com SOC baixo, temperatura extrema ou alta resistência, o grupo de menor tensão pode se aproximar do limite inferior sob carga. O BMS então reduz a potência disponível ao inversor. Isso pode causar menor aceleração ou um aviso de potência reduzida, mesmo que os motores sejam capazes de fornecer mais.

A frenagem regenerativa é um evento de carregamento. Uma bateria quase cheia, fria, quente, desequilibrada ou limitada de outra forma na capacidade de carga não consegue aceitar toda a potência regenerativa solicitada. O controlador dos freios então reduz a regeneração pelos motores e fornece a desaceleração restante com os freios de atrito.

Os limites de temperatura são igualmente importantes. O BMS interpreta os sensores da bateria e solicita aquecimento ou resfriamento; bombas, válvulas, ventiladores, aquecedores, circuitos de fluido refrigerante e outros equipamentos térmicos realizam o trabalho. Uma bateria quente o suficiente para a condução normal ainda pode estar fria demais para a potência máxima de carregamento rápido. O projeto do sistema e as estratégias de pré-condicionamento são explicados em Gerenciamento térmico da bateria.

Proteção, gerenciamento de falhas e segurança funcional

O BMS procura manter cada parte monitorada da bateria dentro de uma área permitida de operação. Ele verifica sobretensão, subtensão, corrente excessiva, temperatura inadequada, dispersão anormal de temperatura, perda de isolamento, interrupção do HVIL, desequilíbrio entre células, divergência entre sensores, falhas nos contatores e perda de comunicação.

A proteção normalmente ocorre em etapas, e não por uma desconexão imediata:

Registrar um evento de diagnóstico ou aumentar o monitoramento.
Solicitar aquecimento ou resfriamento.
Reduzir a potência regenerativa, de carregamento ou tração.
Interromper o carregamento ou ordenar que o inversor remova a carga.
Alertar o motorista.
Abrir os contatores ou impedir que o sistema de alta tensão volte a se conectar.

Abrir os contatores enquanto passa uma corrente elevada pode criar seu próprio esforço elétrico. Quando as condições permitem, o veículo reduz primeiro a corrente e depois desconecta. O isolamento imediato é reservado para falhas em que permanecer conectado representa o maior risco.

O BMS também precisa detectar falhas em seus próprios sensores, comunicação e hardware de comutação. Ele pode comparar medições redundantes, verificar se as relações entre tensão e corrente são fisicamente plausíveis, confirmar se um comando de movimento do contator mudou a tensão medida e usar caminhos de proteção independentes para falhas críticas. A ISO/TR 9968 aplica a estrutura ISO 26262 de segurança funcional aos sistemas recarregáveis de armazenamento de energia e inclui explicitamente BMS, células, chicotes e conectividade no escopo do sistema. (ISO)

O que o BMS não consegue impedir

O BMS pode reduzir a corrente, solicitar resfriamento, interromper o carregamento, desconectar o circuito externo de alta tensão e registrar o evento. Ele não consegue remover a energia química já armazenada nas células.

Se um curto-circuito interno evoluiu para uma fuga térmica autossustentada, abrir os contatores interrompe o fluxo externo de corrente, mas pode não parar as reações dentro da célula afetada. O projeto e a qualidade de fabricação das células, o resfriamento, a proteção elétrica, a ventilação, as barreiras da bateria, o gerenciamento de pressão, a estrutura contra colisões e a resistência à propagação continuam essenciais. Pesquisas sobre fuga térmica em células de íons de lítio mostram que a liberação de calor, a propagação interna e o material ejetado dependem da geometria da célula e do mecanismo que iniciou a falha. (NREL)

Balanceamento, diagnósticos e histórico da bateria

Pequenas diferenças de capacidade, resistência, autodescarga e temperatura fazem os grupos de células ligados em série se afastarem. O BMS compara seu comportamento e usa circuitos de balanceamento para reduzir as diferenças no nível de carga.

O balanceamento pode ajudar os grupos a alcançar seus limites superior e inferior de forma mais uniforme, tornando utilizável uma parcela maior da capacidade existente. Ele não consegue reparar uma célula danificada nem restaurar a capacidade perdida. Os métodos, o momento e as limitações são abordados em Balanceamento de células.

O BMS também armazena informações usadas na manutenção e nas estimativas de longo prazo. Dependendo do fabricante, elas podem incluir:

Tensões mínima e máxima dos grupos de células
Temperaturas extremas e eventos de superaquecimento
Histórico de carga, energia e tempo de operação
Tendências estimadas de capacidade e resistência
Falhas de isolamento, contatores, sensores e comunicação
Desequilíbrio entre células e autodescarga anormal
Códigos de falha e interrupções de carregamento

Nem todos os valores internos estão disponíveis por uma interface genérica de diagnóstico. Um aplicativo de terceiros pode expor apenas uma parte deles, e um valor exibido pode ser filtrado, escalonado ou interpretado de forma diferente dos dados de engenharia ou garantia do fabricante.

O que o motorista percebe

A maior parte do trabalho do BMS é invisível, mas suas decisões explicam vários comportamentos conhecidos dos veículos elétricos:

A potência de carregamento muda: a bateria pode solicitar menos potência do que o carregador consegue fornecer devido ao SOC, temperatura, dispersão de tensão, resistência ou um limite de proteção.
A frenagem regenerativa é reduzida: a bateria não tem margem suficiente para aceitar potência de carga, então o veículo usa mais os freios de atrito.
A aceleração é limitada: SOC baixo, temperatura inadequada, queda de tensão ou uma falha reduziram a potência de descarga permitida.
A porcentagem muda após um repouso ou uma carga completa: o algoritmo de SOC corrigiu sua estimativa.
O carregamento rápido melhora após o pré-condicionamento: células mais quentes têm menor resistência e frequentemente aceitam uma corrente mais alta aprovada pelo BMS.
O veículo não entra no modo de condução: um problema na alimentação de baixa tensão, falha de isolamento, intertravamento interrompido, falha em um contator ou perda de comunicação com o BMS pode impedir a conexão do sistema de alta tensão.

Para quem compra um veículo elétrico usado, uma porcentagem de SOH informada pelo BMS só é útil quando sua definição e seu método de medição são conhecidos. Uma boa avaliação considera energia utilizável, capacidade de fornecer potência, equilíbrio das células, histórico de diagnóstico, comportamento de carregamento e método de garantia do fabricante — e não um único número sem explicação.

Portanto, o BMS é muito mais do que um indicador de bateria ou interruptor de emergência. Suas medições, modelos, calibração e estratégia de proteção definem quanto da capacidade física das células o veículo pode utilizar a cada momento.