Balanceamento de células

O balanceamento de células corrige diferenças no nível de carga entre os grupos de células ligados em série em uma bateria de veículo elétrico. Ele ajuda a impedir que um grupo encerre o carregamento ou a descarga cedo demais, mas não consegue restaurar a capacidade perdida nem reparar uma célula degradada.

O que o balanceamento de células realmente equilibra

O nome balanceamento de células pode sugerir que o sistema de gerenciamento da bateria (BMS) mede e ajusta cada célula física separadamente. Nem sempre é assim que uma bateria de veículo elétrico é construída.

As células ligadas em paralelo compartilham a mesma tensão nos terminais e normalmente são monitoradas como um único grupo. Em uma bateria 108s4p, por exemplo, 108 grupos são ligados em série e cada grupo contém quatro células em paralelo. A bateria tem 432 células físicas, mas normalmente contará com 108 vias de monitoramento de tensão e balanceamento.

Ao longo deste artigo, grupo de células significa uma posição monitorada na cadeia em série. Pode ser uma única célula grande ou várias células em paralelo.

Todos os grupos ligados em série conduzem a mesma corrente da bateria. Se uma corrente de 50 A percorre a bateria, os mesmos 50 A passam por cada posição em série. Ainda assim, os grupos podem atingir estados de carga diferentes porque suas capacidades, resistências, temperaturas, autodescargas e níveis de envelhecimento não são perfeitamente idênticos.

O balanceamento é a função do BMS que reduz essas diferenças no nível de carga. O sistema mais amplo de monitoramento, estimativa e proteção é explicado em Sistema de gerenciamento da bateria.

Por que os grupos de células se afastam

As células são selecionadas e combinadas durante a produção da bateria, mas duas células nunca permanecem exatamente iguais durante toda a vida útil. Pequenas diferenças se acumulam ao longo de períodos repetidos de carregamento, condução e estacionamento.

As principais causas incluem:

Variações de fabricação e de capacidade inicial
Diferentes taxas de envelhecimento e perda de capacidade
Diferenças de resistência interna
Temperatura e resfriamento desiguais
Pequenas variações de autodescarga
Fugas de corrente nos componentes eletrônicos de detecção ou balanceamento
Uma célula fraca dentro de um grupo em paralelo
Diferenças em barramentos, terminais ou outras conexões elétricas
Desvio do sensor de tensão ou falha em um fio de medição

Essas causas não representam todas o mesmo problema.

Desequilíbrio do estado de carga

Um desequilíbrio do estado de carga significa que dois grupos contêm quantidades diferentes de carga em relação às respectivas capacidades utilizáveis. Se dois grupos de 100 Ah, idênticos nos demais aspectos, contiverem 80 Ah e 78 Ah, seus estados de carga serão 80% e 78%.

Esse é o tipo de diferença que o balanceamento foi projetado para corrigir.

Desequilíbrio de capacidade

Existe um desequilíbrio de capacidade quando um grupo consegue armazenar menos carga do que os outros. Um grupo degradado de 90 Ah e um grupo saudável de 100 Ah podem estar ambos com 100% de SOC, mas o grupo degradado contém menos carga e normalmente chegará primeiro ao vazio.

O balanceamento consegue alinhar os dois grupos em um ponto escolhido da faixa de operação. Ele não consegue restaurar os 10 Ah ausentes. Portanto, o grupo de menor capacidade pode continuar limitando a energia utilizável da bateria mesmo após o balanceamento.

Diferenças de resistência e temperatura

Um grupo de alta resistência apresenta uma elevação maior de tensão durante o carregamento e uma queda maior durante a aceleração. Um grupo frio também pode sofrer uma queda de tensão maior sob carga do que um grupo quente com o mesmo SOC.

Essas diferenças temporárias de tensão não representam necessariamente diferenças de carga. Fazer o balanceamento apenas com base na tensão instantânea enquanto a corrente está alta pode retirar carga do grupo errado.

Autodescarga

Um grupo com autodescarga mais elevada perde terreno gradualmente enquanto o veículo está estacionado. O balanceamento pode trazê-lo de volta ao alinhamento repetidas vezes, mas um desvio persistente pode indicar defeito em uma célula, contaminação, fuga de corrente no hardware de monitoramento ou outra falha que exige diagnóstico.

As células ligadas em série se afastam naturalmente devido a diferenças de temperatura, impedância, carga e autodescarga, enquanto o balanceamento passivo geralmente é suficiente para pequenas diferenças de SOC entre células bem combinadas. (Analog Devices)

Como um único grupo limita a bateria

Todo grupo monitorado precisa permanecer dentro de sua faixa permitida de tensão e temperatura. A média da bateria não pode se sobrepor ao limite de um grupo específico.

Durante o carregamento

O carregamento é limitado pelo grupo que atinge primeiro seu limite superior de tensão. Imagine quatro grupos próximos do fim de uma carga:

O grupo A atinge seu limite superior.
O grupo B está com 98% de SOC.
O grupo C está com 97% de SOC.
O grupo D está com 99% de SOC.

Continuar com a mesma corrente sobrecarregaria o grupo A, embora ainda haja espaço nos demais grupos. O BMS precisa reduzir a corrente de carregamento, balancear grupos selecionados, interromper o carregamento ou combinar essas medidas. Parte da capacidade dos grupos B e C permanece sem uso.

Durante a descarga

A descarga é limitada pelo grupo que atinge primeiro seu limite inferior. Os grupos mais fortes ainda podem conter energia, mas o veículo não pode continuar retirando corrente sem restrições e provocar a descarga excessiva do grupo limitante.

O BMS normalmente reduz a potência de tração disponível antes que o grupo atinja seu limite inferior absoluto. Se necessário, ele acaba impedindo que a descarga para tração prossiga.

O grupo que limita o carregamento nem sempre é o mesmo que limita a descarga. Um grupo de maior resistência pode apresentar a maior elevação de tensão durante o carregamento e a maior queda durante a aceleração, enquanto um grupo de menor capacidade pode chegar primeiro ao fim da carga utilizável. Por isso, a dispersão de tensão precisa de contexto, e não de um único valor-limite.

Tanto o balanceamento passivo quanto o ativo procuram recuperar energia utilizável que, de outra forma, ficaria inacessível devido a uma diferença de SOC. Nenhum dos métodos altera a capacidade física das células. (Analog Devices)

Como o BMS identifica um desequilíbrio

Os componentes eletrônicos de monitoramento medem a tensão de cada grupo em série. Em seguida, o BMS avalia essas leituras em conjunto com:

Corrente da bateria
Temperaturas das células e dos módulos
Resposta da tensão durante carga e descarga
Recuperação da tensão depois que a corrente cessa
SOC estimado do grupo
Capacidade e resistência aprendidas
Atividade de balanceamento anterior
Autodescarga durante o estacionamento
Diagnósticos dos sensores e da comunicação

A diferença entre as tensões medidas mais alta e mais baixa dos grupos costuma ser chamada de delta de tensão das células ou dispersão de tensão. É uma informação útil, mas não representa uma medição completa do equilíbrio.

A tensão é mais fácil de interpretar quando a corrente está baixa, as temperaturas são semelhantes e os efeitos temporários de polarização e resistência já se estabilizaram. Durante o carregamento rápido ou uma aceleração forte, a dispersão medida pode ser dominada pela resistência, e não pelo SOC.

Um grupo que aparece como o de maior tensão durante o carregamento e o de menor tensão durante a descarga pode ter resistência mais elevada, e não excesso de carga armazenada. O BMS precisa distinguir entre:

Uma diferença real de SOC
Uma diferença de capacidade
Uma diferença de tensão relacionada à resistência
Um efeito da temperatura
Autodescarga anormal
Falha em um sensor, fio de medição ou conexão

Decisões de balanceamento baseadas apenas na tensão quando a corrente está alta podem agravar o desequilíbrio. Por isso, as orientações técnicas sobre balanceamento enfatizam a corrente, os efeitos da resistência e as condições próximas do fim do carregamento, quando a corrente já diminuiu. (Texas Instruments)

Por que a LFP exige cuidado especial

As células de fosfato de ferro-lítio (LFP) têm uma curva de tensão de circuito aberto relativamente plana durante grande parte da faixa de SOC. Uma mudança significativa na carga armazenada pode produzir apenas uma pequena diferença de tensão, enquanto temperatura, histerese, erro do sensor e fluxo de corrente recente podem produzir diferenças de magnitude semelhante.

A tensão se torna mais informativa nas partes mais inclinadas da curva da LFP, mas um BMS preciso ainda precisa de integração exata da corrente, compensação de temperatura, um modelo específico para a química e condições de referência adequadas. As orientações da Analog Devices sobre estimativa de carga em LFP descrevem a curva de tensão plana e a histerese como desafios centrais da estimativa. (Analog Devices)

Isso não torna impossível balancear a LFP. Significa que uma regra simples como “dissipe a carga do grupo com maior tensão” é menos confiável na região central e plana da faixa de operação.

Balanceamento passivo

O balanceamento passivo retira uma pequena quantidade de carga de grupos selecionados com SOC mais alto. Um transistor conecta um resistor em paralelo ao grupo, e a energia elétrica desviada se transforma em calor.

Durante o carregamento, dissipar carga de um grupo mais alto permite que os grupos mais baixos o alcancem enquanto a bateria continua recebendo energia. Alguns sistemas também conseguem descarregar grupos selecionados enquanto o veículo está estacionado ou depois que o carregamento foi interrompido.

O balanceamento passivo é comum porque o circuito é compacto, relativamente barato e fácil de integrar ao hardware de monitoramento das células. Suas principais limitações são:

A energia retirada é descartada na forma de calor.
A corrente de balanceamento é pequena em comparação com a corrente de carregamento ou tração.
Grandes diferenças podem exigir muitas horas.
A temperatura dos resistores pode limitar quantos canais funcionam ao mesmo tempo.
Ele não consegue transferir energia para um grupo mais baixo durante a descarga.

Corrente e tempo de balanceamento

O hardware automotivo de balanceamento geralmente opera na faixa de miliampères. O controlador automotivo de células MC33775A da NXP, por exemplo, permite balanceamento passivo de até 300 mA por canal e inclui controles de tempo, tensão e temperatura. Essa é uma capacidade do componente, não um valor aplicável a todos os veículos elétricos. (NXP)

Uma estimativa simples do tempo é:

Tempo de balanceamento = diferença de carga ÷ corrente de balanceamento

Uma diferença de SOC de 1% em um grupo de 100 Ah representa 1 Ah. Com uma corrente de balanceamento contínua de 0.1 A, retirar essa diferença levaria cerca de 10 horas.

Na prática, o balanceamento pode demorar mais porque o BMS pode pausá-lo para medir a tensão, restringir canais adjacentes, reduzir o ciclo de trabalho conforme os componentes aquecem, interrompê-lo fora da faixa de temperatura permitida ou deixar o veículo entrar em um estado de menor consumo. Os projetos atuais de monitores automotivos incluem esses controles térmicos e de temporização porque os resistores de dissipação e os dispositivos de comutação precisam de proteção. (Texas Instruments)

Portanto, o balanceamento passivo é adequado para corrigir o desvio gradual entre grupos que, nos demais aspectos, são semelhantes. Ele não é um processo de reparo rápido para uma bateria com desequilíbrio grave.

Balanceamento ativo

O balanceamento ativo transfere carga por circuitos eletrônicos de potência, em vez de dissipá-la intencionalmente em resistores. Dependendo da topologia, a energia pode se deslocar:

De um grupo mais alto para um mais baixo
Entre um grupo e uma seção maior da bateria
Entre módulos ou seções da bateria
Da bateria para um grupo com pouca carga

O circuito de transferência pode usar capacitores, indutores, transformadores, matrizes de comutação ou conversores CC-CC bidirecionais.

O balanceamento ativo pode operar com corrente mais alta e redistribuir energia durante o carregamento, a descarga ou o repouso. Durante a descarga, por exemplo, ele pode transferir energia de grupos mais fortes para um grupo que se aproxima do limite inferior, adiando o momento em que esse grupo encerra a descarga utilizável da bateria.

O método não é isento de perdas. Condutores, interruptores, componentes magnéticos e eletrônica de controle consomem energia e geram calor. Ele também acrescenta:

Custo e quantidade de componentes
Espaço e peso
Complexidade de controle
Considerações sobre interferência eletromagnética
Mais requisitos de diagnóstico e segurança funcional
Outros possíveis modos de falha

O balanceamento ativo pode tornar utilizável uma parcela maior da energia existente quando as capacidades dos grupos se afastaram, mas não restaura a capacidade original de um grupo fraco. O mesmo grupo pode voltar a ser o limitante no ciclo seguinte. A Analog Devices descreve claramente a diferença central: o balanceamento passivo dissipa o excesso de carga, enquanto o balanceamento ativo o redistribui. (Analog Devices)

O balanceamento ativo não é automaticamente o melhor projeto para todo veículo elétrico. O balanceamento passivo pode ser suficiente quando as células são bem combinadas e o BMS corrige regularmente pequenos desvios. O balanceamento ativo se torna mais atraente quando o benefício em energia utilizável justifica o hardware adicional e o esforço de validação. As análises das arquiteturas de balanceamento para veículos elétricos chegam ao mesmo compromisso geral: os sistemas ativos oferecem uma transferência de energia mais flexível, enquanto os passivos mantêm vantagens de custo e simplicidade. (Energies)

Quando ocorre o balanceamento

Não existe uma programação universal de balanceamento. Dependendo da bateria e da estratégia do BMS, ele pode ocorrer:

Durante o carregamento em CA
Perto do fim do carregamento
Depois que o carregamento termina
Enquanto o veículo permanece conectado
Durante condições específicas de estacionamento ou condução
Sempre que tensão, corrente e temperatura atendem aos critérios programados

Muitos sistemas realizam grande parte do balanceamento próximo de um SOC elevado. A corrente de carregamento está mais baixa, o BMS consegue identificar qual grupo atinge primeiro o limite superior e o veículo conectado pode dispor de tempo suficiente para fazer uma correção lenta.

Isso costuma ser chamado de balanceamento pelo topo, mas outras estratégias podem alinhar os grupos perto do limite inferior ou usar um balanceamento baseado em modelos em uma faixa de operação mais ampla. O método escolhido depende da química das células, do projeto da bateria, da faixa de operação e das prioridades do fabricante.

Carregar até 100% exibidos não comprova que houve balanceamento. O BMS também pode exigir uma temperatura adequada, uma diferença mínima de tensão ou SOC estimado, corrente baixa, tempo adicional conectado ou outra condição específica do fabricante.

Balanceamento e calibração do SOC são processos diferentes

O balanceamento altera a distribuição de carga entre os grupos ligados em série. A calibração do SOC altera a estimativa do BMS sobre quanto a bateria está carregada.

Um ponto de referência alto ou baixo pode ajudar o BMS a recalibrar o SOC, e um carregamento prolongado também pode dar tempo para o balanceamento, mas os dois processos continuam distintos. Um veículo pode atualizar a porcentagem exibida sem movimentar uma quantidade significativa de carga entre os grupos. Também pode balancear os grupos sem produzir uma mudança visível no painel.

Portanto, os motoristas devem seguir as orientações de carregamento do veículo específico, e não uma regra genérica de “carregar até 100% para balancear”. A química, a estratégia do BMS, o software, o tempo de armazenamento e a necessidade diária de autonomia afetam a rotina adequada. O desempenho de carregamento e a redução de potência com SOC elevado são abordados separadamente em Carregamento da bateria e desempenho de carregamento.

O que o balanceamento não consegue corrigir

O balanceamento de células não consegue:

Restaurar a capacidade perdida por degradação
Reverter o aumento permanente da resistência
Reparar um curto-circuito interno
Interromper uma autodescarga anormal
Reparar um barramento, terminal ou fio de medição danificado
Corrigir um resfriamento inadequado
Consertar um sensor de tensão ou temperatura impreciso
Fazer todos os grupos envelhecerem no mesmo ritmo
Recuperar o lítio ou o material ativo já perdido dentro de uma célula

Se um grupo se desequilibrar repetidamente pouco depois do balanceamento, a bateria pode ter um problema subjacente de capacidade, resistência, autodescarga, temperatura, conexão ou medição. O balanceamento consegue alinhar temporariamente o grupo, mas um desequilíbrio persistente exige diagnóstico.

A maioria dos veículos elétricos não exibe diretamente a atividade de balanceamento. Os possíveis sintomas indiretos incluem:

Redução ou interrupção do carregamento antes do esperado
Menor energia utilizável
Correção súbita no SOC exibido
Queda mais rápida do SOC perto do vazio
Menor potência de tração com SOC baixo
Grande dispersão de tensão informada
O veículo permanecer ativo depois do carregamento
Um aviso da bateria ou do sistema de propulsão

Nenhum desses sintomas comprova um desequilíbrio. A temperatura, a redução normal da potência de carregamento, o erro de estimativa do SOC, os limites do carregador, a degradação geral, as falhas de resfriamento e a estratégia do software podem produzir um comportamento semelhante.

Um diagnóstico confiável compara a tensão, a temperatura, a resistência, a autodescarga e o histórico dos grupos em condições controladas. Uma única captura da diferença de tensão ou uma única sessão de carregamento não são suficientes. A perda permanente de capacidade e os testes do estado da bateria são explicados em Degradação da bateria.

O balanceamento de células é mais eficaz quando corrige silenciosamente pequenas diferenças antes que o motorista as perceba. Quando um grupo se torna fraco a ponto de limitar repetidamente a bateria, o balanceamento consegue controlar a consequência, mas não eliminar a causa.