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

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

Porque as diferenças de carga limitam um conjunto de baterias

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

O sistema de gestão da bateria (BMS) tem de manter cada grupo dentro dos seus limites de funcionamento. Durante o carregamento, um grupo pode atingir o limite superior de tensão enquanto os restantes ainda podem receber energia. Durante a descarga, um pode atingir o limite inferior enquanto os restantes ainda contêm energia. Ambas as situações restringem o que o conjunto pode fornecer. A equilibragem ajuda a recuperar energia utilizável que fica inacessível devido às diferenças de nível de carga. Analog Devices — Maximize the Run Time in Automotive Battery Stacks Even as Cells Age

Três distinções explicam o que a equilibragem pode conseguir:

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

A autodescarga desigual e pequenas diferenças nos consumos elétricos de cada grupo podem criar gradualmente uma diferença de carga. As diferenças na capacidade inicial e no envelhecimento alteram a rapidez com que cada grupo percorre o seu intervalo 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, após cada um fornecer 90 Ah, o menor fica vazio e o maior ainda contém 10 Ah. Alinhá-los no topo da janela de carga não restaura a capacidade em falta do grupo menor. Este exemplo ignora outros limites que poderiam interromper a descarga mais cedo. Analog Devices — Maximize the Run Time in Automotive Battery Stacks Even as Cells Age

Equilibragem passiva

Um circuito de equilibragem passiva liga uma resistência em paralelo com um grupo selecionado através de um interruptor eletrónico. A corrente neste ramo transforma energia elétrica em calor. O BMS controla quais os ramos ativos e durante quanto tempo funcionam. Analog Devices — Passive Battery Cell Balancing

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

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 de resto idêntico, mas com o ramo de equilibragem desligado, recebe a totalidade de 1 A e acumula carga mais depressa. São correntes ilustrativas, admitindo que os restantes pequenos consumos elétricos são desprezáveis.

O mesmo ramo pode continuar a retirar carga depois de o carregador parar; nesse caso, o grupo selecionado fornece a corrente da resistência. A implementação Orion Jr. 2 descrita abaixo permite este funcionamento 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 num grupo durante um carregamento de elevada intensidade. O carregamento continua a ter de abrandar ou parar quando um grupo atinge o seu limite. A equilibragem complementa, assim, o controlo do carregamento em vez de o substituir.

O circuito é relativamente simples e pode corrigir uma deriva gradual de carga entre grupos com capacidades semelhantes. 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. A equilibragem passiva também não dispõe de um percurso de transferência que permita alimentar um grupo com pouca carga a partir dos restantes durante a descarga. Analog Devices — Passive Battery Cell Balancing

Corrente e tempo de equilibragem

Um ponto de partida útil é a quantidade de carga que é necessário retirar, medida em amperes-hora (Ah):

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

Em dois grupos de resto idênticos de 100 Ah, uma diferença de um ponto percentual de SOC representa 1 Ah. Retirar essa diferença com uma corrente contínua de 0,1 A demora 10 horas. Se o ramo só funcionar durante metade do tempo decorrido com a mesma corrente, a corrente média é de 0,05 A e a correção demora 20 horas. Ambos os cálculos são simplificados e pressupõem ausência de deriva adicional e manutenção do mesmo grupo-alvo.

O controlador de células para aplicações automóveis MC33775A da NXP permite equilibragem passiva até 300 mA por canal. Os seus controlos incluem temporizadores individuais e limiares de tensão. Suspende automaticamente a equilibragem durante as medições e interrompe-a se as resistências de equilibragem sobreaquecerem. Os 300 mA são um limite do componente; o circuito instalado e o software determinam a corrente e o tempo de funcionamento no veículo. NXP — MC33775A product short data sheet, revision 2

A corrente real depende também da tensão da célula e da resistência no percurso de equilibragem. O guia de conceção do BQ7961x-Q1 da TI explica como escolher as resistências e considerar os limites térmicos; o modo automático alterna entre canais ímpares e pares. Texas Instruments — BQ7961x-Q1 automotive BMS design recommendations, revision B As pausas de medição, as interrupções térmicas e a sequenciação dos canais reduzem o tempo durante o qual um ramo pode equilibrar. Isto explica por que motivo a corrente média pode ser inferior à corrente com o ramo ligado; os 50% de tempo de funcionamento no exemplo de 20 horas são uma hipótese ilustrativa.

Equilibragem ativa

A equilibragem ativa utiliza um circuito de conversão de potência para deslocar energia entre grupos ou entre um grupo e uma parte maior do conjunto. O circuito pode armazenar temporariamente energia num condensador ou componente magnético antes de a entregar noutro ponto. A sua arquitetura determina quais os grupos que podem trocar energia. Ashraf et al. — Review of Cell-Balancing Schemes for Electric Vehicle Battery Management Systems

Uma conceção que permita transferências durante a descarga pode alimentar um grupo próximo do limite inferior a partir de grupos que ainda contêm energia. Isto pode prolongar a descarga útil do conjunto mesmo quando as capacidades dos grupos diferem. Durante o carregamento, um circuito adequado pode retirar energia a um grupo que se aproxima do limite superior. Analog Devices — Active Battery Cell Balancing

A corrente de transferência e o tempo disponível para equilibrar limitam esse benefício, como observa a ADI. Analog Devices — Active Battery Cell Balancing Na prática, um circuito de transferência pode fornecer energia insuficiente para manter o grupo limitante acima do seu limite inferior perante uma elevada necessidade 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 causam perdas, e o hardware adicional aumenta o custo, o volume e a complexidade do controlo. 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 equilibragem justificam estes elementos adicionais no conjunto em causa.

Como as leituras de tensão orientam a equilibragem

A diferença entre a maior e a menor tensão de grupo medida é frequentemente designada dispersão de tensão ou delta de tensão das células. O seu significado varia com a corrente, a temperatura e o SOC.

Um grupo com maior resistência interna pode apresentar uma tensão superior durante o carregamento e inferior durante a descarga, mesmo sem uma diferença de SOC. Retirar-lhe carga apenas porque apresenta a tensão mais elevada sob corrente de carga pode agravar o desequilíbrio. Uma corrente inferior e condições estabilizadas reduzem estes efeitos e facilitam a interpretação da tensão. Texas Instruments — Battery Cell Balancing: What to Balance and How

As diferenças de temperatura também afetam o comportamento da tensão. Um desvio do sensor ou uma avaria 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 e lítio (LFP) apresenta um desafio específico: a tensão varia pouco numa grande parte do intervalo de SOC. Por isso, níveis de carga diferentes podem produzir tensões semelhantes. A histerese, em que a tensão depende do histórico recente de carregamento ou descarga da célula, dificulta ainda mais a comparação. Os troços mais inclinados da curva de tensão fornecem mais informação sobre as 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 a estimativa do SOC. A equilibragem altera fisicamente a carga contida em grupos selecionados; a calibração do SOC corrige a estimativa do BMS. Uma alteração na percentagem apresentada não demonstra, por si só, que houve redistribuição de carga.

Quando a equilibragem funciona e o que o condutor pode deduzir

A estratégia de controlo determina quando a equilibragem é ativada ou suspensa. As condições podem incluir a tensão dos grupos, a diferença medida entre eles, a temperatura e o estado de funcionamento do veículo.

A equilibragem no topo alinha os grupos perto do extremo superior da janela de carga; a equilibragem na base alinha-os perto do extremo inferior. Estes termos descrevem o ponto de alinhamento. Passiva e ativa descrevem o mecanismo que altera a distribuição de carga. Grupos com capacidades diferentes podem estar alinhados numa extremidade e divergir à medida que o conjunto se desloca para a outra.

Uma implementação documentada é o Orion Jr. 2, um BMS para conjuntos até 48 V nominais em veículos ligeiros e aplicações estacionárias. O manual de 2018 descreve limiares de equilibragem ajustáveis e recomenda a equilibragem no topo. A equilibragem a meio ou na base pode exigir um controlador externo que indique quando deve funcionar. Ewert Energy Systems — Orion Jr. 2 BMS operation manual

Os 100% apresentados marcam o topo da janela de carga mostrada ao condutor, e não o ponto absoluto de carga completa de cada célula, como explicado em battery buffers and the operating window. O valor não revela se foram cumpridas as condições necessárias para equilibrar nem durante quanto tempo a equilibragem funcionou. Siga as orientações de carregamento 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 carregamento e a sua redução progressiva.

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