Balanceamento de células em baterias de veículos elétricos: métodos passivos e ativos

O balanceamento ajusta a carga dos grupos de células ligados em série para que as diferenças entre eles não limitem desnecessariamente a energia utilizável da bateria. Sistemas passivos retiram carga de grupos selecionados; sistemas ativos transferem energia entre partes do conjunto de baterias.

Por que diferenças de carga limitam um conjunto de baterias

Um grupo de células é uma posição monitorada na cadeia em série da bateria: uma célula individual ou várias células ligadas em paralelo. O capítulo battery pack explica como essas conexões determinam a tensão e a capacidade do conjunto.

O sistema de gerenciamento da bateria (BMS) precisa manter cada grupo dentro dos seus limites de operação. Durante a recarga, um grupo pode atingir seu limite superior de tensão enquanto outros ainda podem receber energia. Durante a descarga, um pode atingir seu limite inferior enquanto outros ainda contêm energia. As duas situações restringem o que o conjunto pode fornecer. O balanceamento ajuda a recuperar energia utilizável que fica inacessível devido a diferenças no nível de carga. Analog Devices — Maximize the Run Time in Automotive Battery Stacks Even as Cells Age

Três distinções explicam o que o balanceamento pode fazer:

• Uma diferença no estado de carga (SOC) significa que os grupos contêm diferentes quantidades de carga em relação às suas capacidades.
• Uma diferença de capacidade significa que um grupo pode armazenar menos carga que outro.
• Uma diferença de tensão medida também pode refletir resistência, temperatura ou erro de medição.

A autodescarga desigual e pequenas diferenças nos consumos elétricos de cada grupo podem criar gradualmente uma diferença de carga. Diferenças na capacidade inicial e no envelhecimento alteram a velocidade com que cada grupo percorre sua faixa de SOC. Analog Devices — Maximize the Run Time in Automotive Battery Stacks Even as Cells Age

Considere um exemplo simplificado com dois grupos de 90 Ah e 100 Ah. Ambos podem começar totalmente carregados, mas, depois que cada um fornecer 90 Ah, o menor estará vazio enquanto o maior ainda terá 10 Ah. Alinhá-los no topo da janela de carga não restaura a capacidade que falta ao grupo menor. O exemplo ignora outros limites que poderiam interromper a descarga antes. Analog Devices — Maximize the Run Time in Automotive Battery Stacks Even as Cells Age

Balanceamento passivo

Um circuito de balanceamento passivo conecta um resistor em paralelo com um grupo selecionado por meio de uma chave eletrônica. A corrente nesse ramo transforma energia elétrica em calor. O BMS controla quais ramos operam e por quanto tempo. Analog Devices — Passive Battery Cell Balancing

Durante a recarga, a corrente que chega a essa posição da cadeia em série se divide entre as células e o ramo de balanceamento:

Corrente líquida de carga nas células = corrente de carga do conjunto − corrente de derivação

Por exemplo, se o conjunto recebe 1 A e um ramo selecionado consome 0,1 A, as células desse grupo recebem 0,9 A. Um grupo idêntico nos demais aspectos, mas com seu ramo de balanceamento desligado, recebe todo o 1 A e acumula carga mais rapidamente. Esses valores são ilustrativos e pressupõem que outros pequenos consumos elétricos sejam desprezíveis.

O mesmo ramo pode continuar retirando carga depois que o carregador para; nesse caso, o grupo selecionado fornece a corrente do resistor. A implementação Orion Jr. 2 descrita abaixo permite essa operação enquanto o BMS permanecer alimentado no modo CHARGE. Ewert Energy Systems — Orion Jr. 2 BMS operation manual

Uma corrente de derivação pequena reduz apenas ligeiramente a corrente que entra em um grupo durante uma recarga de alta intensidade. A recarga ainda precisa diminuir ou parar quando um grupo atinge seu limite. Portanto, o balanceamento complementa o controle de carga em vez de substituí-lo.

O circuito é relativamente simples e pode corrigir uma deriva gradual de carga entre grupos com capacidades próximas. Analog Devices — Maximize the Run Time in Automotive Battery Stacks Even as Cells Age A contrapartida é que a energia retirada se transforma em calor. O balanceamento passivo também não possui um caminho de transferência para alimentar um grupo com pouca carga a partir dos demais durante a descarga. Analog Devices — Passive Battery Cell Balancing

Corrente e tempo de balanceamento

Um ponto de partida útil é a quantidade de carga que precisa ser retirada, medida em ampères-hora (Ah):

Tempo de balanceamento (h) = diferença de carga (Ah) ÷ corrente média de balanceamento (A)

Para dois grupos idênticos nos demais aspectos, com 100 Ah, uma diferença de um ponto percentual de SOC representa 1 Ah. Remover essa diferença com uma corrente contínua de 0,1 A leva 10 horas. Se o ramo operar apenas durante metade do tempo decorrido com a mesma corrente, sua corrente média será de 0,05 A e a correção levará 20 horas. Os dois cálculos são simplificados e pressupõem que não haja deriva adicional e que o grupo-alvo permaneça o mesmo.

O controlador automotivo de células MC33775A da NXP permite balanceamento passivo de até 300 mA por canal. Seus controles incluem temporizadores individuais e limites de tensão. Ele pausa automaticamente o balanceamento durante as medições e o interrompe se os resistores de balanceamento superaquecerem. Os 300 mA são um limite do componente; o circuito instalado e o software determinam a corrente e o tempo de operação no veículo. NXP — MC33775A product short data sheet, revision 2

A corrente real também depende da tensão da célula e da resistência no caminho de balanceamento. O guia de projeto do BQ7961x-Q1 da TI explica como selecionar os resistores e considerar as restrições térmicas; seu modo automático alterna entre canais ímpares e pares. Texas Instruments — BQ7961x-Q1 automotive BMS design recommendations, revision B Pausas de medição, interrupções térmicas e o sequenciamento dos canais reduzem o tempo em que um ramo pode balancear. Isso explica por que a corrente média pode ser inferior à corrente com o ramo ligado; os 50% de tempo de operação no exemplo de 20 horas são uma hipótese ilustrativa.

Balanceamento ativo

O balanceamento ativo usa um circuito de conversão de potência para mover energia entre grupos ou entre um grupo e uma parte maior do conjunto. O circuito pode armazenar energia temporariamente em um capacitor ou componente magnético antes de entregá-la em outro ponto. Sua arquitetura determina quais grupos podem trocar energia. Ashraf et al. — Review of Cell-Balancing Schemes for Electric Vehicle Battery Management Systems

Um projeto que permita transferência durante a descarga pode alimentar um grupo próximo ao seu limite inferior a partir de grupos que ainda contêm energia. Isso pode prolongar a descarga útil do conjunto mesmo quando as capacidades dos grupos são diferentes. Durante a recarga, um circuito adequado pode retirar energia de um grupo que se aproxima do seu limite superior. Analog Devices — Active Battery Cell Balancing

A corrente de transferência e o tempo disponível para balancear limitam esse benefício, como observa a ADI. Analog Devices — Active Battery Cell Balancing Uma consequência prática é que um circuito de transferência pode fornecer energia insuficiente para manter o grupo limitante acima de seu limite inferior durante uma demanda elevada de potência. Redistribuir energia melhora o aproveitamento do conjunto; a capacidade de armazenamento de cada grupo permanece inalterada.

A comutação e a conversão de energia geram perdas, e o hardware adicional aumenta custo, tamanho e complexidade de controle. Ashraf et al. — Review of Cell-Balancing Schemes for Electric Vehicle Battery Management Systems A decisão de engenharia consiste em avaliar se a energia recuperada e a velocidade de balanceamento justificam esses elementos adicionais no conjunto previsto.

Como as leituras de tensão orientam o balanceamento

A diferença entre a maior e a menor tensão de grupo medida costuma ser chamada de dispersão de tensão ou delta de tensão das células. Seu significado varia conforme a corrente, a temperatura e o SOC.

Um grupo com resistência interna maior pode apresentar tensão mais alta durante a recarga e mais baixa durante a descarga, mesmo sem diferença de SOC. Retirar carga apenas porque ele tem a maior tensão sob corrente de carga pode agravar o desequilíbrio. Corrente menor e condições estabilizadas reduzem esses efeitos e facilitam a interpretação da tensão. Texas Instruments — Battery Cell Balancing: What to Balance and How

Diferenças de temperatura também afetam o comportamento da tensão. Um desvio do sensor ou uma falha no fio de medição pode produzir uma diferença aparente sem criar um desequilíbrio físico de carga. O capítulo battery management system explica como distinguir falhas de medição de falhas nas células.

O fosfato de ferro-lítio (LFP) apresenta um desafio específico: sua tensão varia pouco em grande parte da faixa de SOC. Assim, níveis de carga diferentes podem produzir tensões semelhantes. A histerese, na qual a tensão depende do histórico recente de carga ou descarga da célula, dificulta ainda mais a comparação. Os trechos mais inclinados da curva de tensão fornecem mais informações sobre diferenças de carga. Analog Devices — Considerations for Fuel Gauging Lithium-Iron-Phosphate Batteries

A tensão, as medições de corrente e os modelos de bateria contribuem para estimar o SOC. O balanceamento altera fisicamente a carga contida em grupos selecionados; a calibração do SOC corrige a estimativa do BMS. Uma mudança no percentual exibido, por si só, não demonstra que houve redistribuição de carga.

Quando o balanceamento opera e o que o motorista pode concluir

A estratégia de controle determina quando o balanceamento é ativado ou pausado. As condições podem incluir tensão dos grupos, diferença medida entre eles, temperatura e estado de operação do veículo.

O balanceamento no topo alinha os grupos perto da extremidade superior da janela de carga; o balanceamento na base os alinha perto da extremidade inferior. Esses termos descrevem o ponto de alinhamento. Passivo e ativo descrevem o mecanismo usado para alterar a distribuição de carga. Grupos com capacidades diferentes podem estar alinhados em uma extremidade e divergir à medida que o conjunto se aproxima da outra.

Uma implementação documentada é o Orion Jr. 2, um BMS para conjuntos de até 48 V nominais em veículos leves e aplicações estacionárias. Seu manual de 2018 descreve limites de balanceamento ajustáveis e recomenda o balanceamento no topo. O balanceamento no meio ou na base pode exigir um controlador externo para indicar quando deve operar. Ewert Energy Systems — Orion Jr. 2 BMS operation manual

Os 100% exibidos marcam o topo da janela de carga apresentada ao motorista, em vez do ponto absoluto de carga completa de cada célula, como explicado em battery buffers and the operating window. O valor não revela se as condições necessárias foram atendidas nem por quanto tempo o balanceamento operou. Siga as orientações de recarga do veículo específico, em vez de adotar uma rotina universal de carga completa ou descarga profunda. O capítulo battery charging explica os fatores distintos que determinam a velocidade de recarga e sua redução gradual.

Se um grupo voltar a ficar desequilibrado repetidamente, o diagnóstico precisa estabelecer se a causa é deriva de carga, capacidade reduzida, resistência, temperatura ou um problema de medição. Uma leitura de dispersão de tensão é mais útil junto das condições e do histórico que a produziram. A perda permanente de capacidade é abordada em battery degradation.