Equilíbrio das células

O equilíbrio das células corrige diferenças no nível de carga entre os grupos de células ligados em série numa bateria de veículo elétrico. Ajuda a impedir que um grupo termine demasiado cedo o carregamento ou a descarga, mas não consegue recuperar capacidade perdida nem reparar uma célula degradada.

O que o equilíbrio das células equilibra realmente

A designação equilíbrio das células pode sugerir que o sistema de gestão da bateria (BMS) mede e ajusta separadamente cada célula física. Nem sempre é assim que uma bateria de veículo elétrico é construída.

As células ligadas em paralelo partilham a mesma tensão nos terminais e são normalmente monitorizadas como um único grupo. Numa bateria 108s4p, por exemplo, estão ligados em série 108 grupos, cada um com quatro células em paralelo. A bateria tem 432 células físicas, mas terá normalmente 108 vias de monitorização de tensão e de equilíbrio.

Ao longo deste artigo, grupo de células significa uma posição monitorizada na cadeia em série. Pode corresponder a uma única célula de grandes dimensões ou a várias células em paralelo.

Todos os grupos ligados em série transportam a mesma corrente da bateria. Se passarem 50 A pela bateria, os mesmos 50 A atravessam cada posição em série. Ainda assim, os grupos podem atingir estados de carga diferentes porque as suas capacidades, resistência, temperatura, autodescarga e envelhecimento não são perfeitamente idênticos.

O equilíbrio é a função do BMS que reduz estas diferenças no nível de carga. O sistema mais amplo de monitorização, estimativa e proteção é explicado em Sistema de gestão da bateria.

Por que motivo os grupos de células se afastam uns dos outros

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

As principais causas incluem:

Variações de fabrico e de capacidade inicial
Diferentes ritmos de envelhecimento e perda de capacidade
Diferenças de resistência interna
Temperatura e refrigeração irregulares
Pequenas variações na autodescarga
Fugas através da eletrónica de deteção ou equilíbrio
Uma célula fraca dentro de um grupo em paralelo
Diferenças nos barramentos, terminais ou outras ligações elétricas
Desvio de um sensor de tensão ou falha de um fio de deteção

Estas causas não representam todas o mesmo problema.

Desequilíbrio do estado de carga

Um desequilíbrio do estado de carga significa que dois grupos contêm quantidades de carga diferentes relativamente às respetivas capacidades úteis. Se dois grupos de 100 Ah, de resto idênticos, contiverem 80 Ah e 78 Ah, os seus estados de carga serão 80% e 78%.

É esta a diferença que o equilíbrio se destina a corrigir.

Desequilíbrio de capacidade

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

O equilíbrio consegue alinhar os dois grupos num ponto escolhido da janela de funcionamento. Não consegue recuperar os 10 Ah em falta. Por isso, o grupo com menor capacidade pode continuar a limitar a energia útil da bateria após o equilíbrio.

Diferenças de resistência e temperatura

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

Estas diferenças temporárias de tensão não correspondem necessariamente a diferenças de carga. Efetuar o equilíbrio apenas a partir da tensão instantânea quando a corrente é elevada pode retirar carga ao grupo errado.

Autodescarga

Um grupo com autodescarga mais elevada fica gradualmente para trás enquanto o veículo está estacionado. O equilíbrio pode realinhá-lo repetidamente, mas uma divergência persistente pode indicar um defeito da célula, contaminação, fuga através do equipamento de monitorização ou outra falha que necessite de diagnóstico.

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

Como um grupo limita a bateria

Cada grupo monitorizado tem de permanecer dentro do intervalo permitido de tensão e temperatura. A média da bateria não pode sobrepor-se ao limite de um grupo individual.

Durante o carregamento

O carregamento é limitado pelo grupo que atinge primeiro o seu limite superior de tensão. Imagine quatro grupos perto do fim de um carregamento:

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

Continuar com a mesma corrente sobrecarregaria o grupo A, embora os outros grupos ainda tenham margem. O BMS tem de reduzir a corrente de carregamento, equilibrar determinados grupos, interromper o carregamento ou combinar estas ações. Parte da capacidade dos grupos B e C permanece por utilizar.

Durante a descarga

A descarga é limitada pelo grupo que atinge primeiro o seu limite inferior. Os grupos mais fortes ainda podem conter energia, mas o veículo não pode continuar a consumir corrente sem restrições sem descarregar excessivamente o grupo limitador.

O BMS reduz normalmente a potência de propulsão disponível antes de o grupo atingir o seu limite inferior absoluto. Se necessário, acaba por impedir qualquer descarga adicional para tração.

O grupo que limita o carregamento nem sempre é o grupo que limita a descarga. Um grupo de resistência superior pode apresentar o maior aumento durante o carregamento e a maior queda durante a aceleração, enquanto um grupo de menor capacidade pode atingir primeiro o fim da carga útil. É por este motivo que uma dispersão de tensão precisa de contexto, e não apenas de um limiar único.

Tanto o equilíbrio passivo como o ativo procuram recuperar energia útil que, de outro modo, 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

A eletrónica de monitorização das células mede a tensão de cada grupo em série. O BMS avalia depois essas leituras juntamente com:

Corrente da bateria
Temperaturas das células e dos módulos
Resposta da tensão durante o carregamento e a descarga
Recuperação da tensão após a interrupção da corrente
SOC estimado do grupo
Capacidade e resistência aprendidas
Atividade de equilíbrio anterior
Autodescarga durante o estacionamento
Diagnóstico dos sensores e das comunicações

A diferença entre a maior e a menor tensão de grupo medida é frequentemente designada por delta de tensão das células ou dispersão de tensão. É útil, mas não constitui uma medida completa do equilíbrio.

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

Um grupo que pareça apresentar a tensão mais elevada durante o carregamento e a mais baixa durante a descarga pode ter uma resistência superior, não um excesso de carga armazenada. O BMS tem de distinguir entre:

Uma diferença real de SOC
Uma diferença de capacidade
Uma diferença de tensão relacionada com a resistência
Um efeito da temperatura
Uma autodescarga anormal
Uma falha de sensor, fio de deteção ou ligação

Decisões de equilíbrio tomadas apenas a partir da tensão com uma corrente elevada podem agravar a diferença. As orientações técnicas sobre equilíbrio dão, por isso, especial atenção à corrente, aos efeitos da resistência e às condições próximas do fim do carregamento, quando a corrente já diminuiu. (Texas Instruments)

Por que motivo o LFP exige cuidados especiais

As células de fosfato de ferro e lítio (LFP) têm uma curva de tensão em circuito aberto comparativamente plana em grande parte do seu intervalo de SOC. Uma alteração significativa da carga armazenada pode produzir apenas uma pequena diferença de tensão, enquanto a temperatura, a histerese, o erro dos sensores e o fluxo de corrente recente podem produzir diferenças de dimensão semelhante.

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

Isto não torna impossível equilibrar uma bateria LFP. Significa que uma regra simples como «dissipar a tensão mais elevada» é menos fiável na zona intermédia plana do intervalo de funcionamento.

Equilíbrio passivo

O equilíbrio passivo retira uma pequena quantidade de carga aos grupos selecionados com SOC superior. Um transístor liga uma resistência em paralelo com o grupo e a energia elétrica desviada transforma-se em calor.

Durante o carregamento, a dissipação de carga de um grupo mais elevado permite que os grupos mais baixos recuperem enquanto a bateria continua a receber energia. Alguns sistemas também conseguem descarregar determinados grupos enquanto o veículo está estacionado ou depois de o carregamento terminar.

O equilíbrio passivo é comum porque o circuito é compacto, relativamente económico e fácil de integrar no equipamento de monitorização das células. As suas principais limitações são:

A energia retirada é desperdiçada sob a forma de calor.
A corrente de equilíbrio é pequena em comparação com a corrente de carregamento ou tração.
As diferenças grandes podem exigir muitas horas.
A temperatura das resistências pode limitar o número de canais que funcionam em simultâneo.
Não consegue transferir energia para um grupo mais baixo durante a descarga.

Corrente e tempo de equilíbrio

O equipamento de equilíbrio automóvel funciona habitualmente no intervalo dos miliamperes. O controlador de células automóvel MC33775A da NXP, por exemplo, suporta equilíbrio passivo até 300 mA por canal e inclui controlos de tempo, tensão e temperatura. Esta é uma capacidade do componente, não um valor aplicável a todos os veículos elétricos. (NXP)

Uma estimativa simples do tempo é:

Tempo de equilíbrio = diferença de carga ÷ corrente de equilíbrio

Uma diferença de 1% de SOC num grupo de 100 Ah representa 1 Ah. Com uma corrente de equilíbrio contínua de 0.1 A, a remoção dessa diferença demoraria cerca de 10 horas.

O equilíbrio real pode demorar mais porque o BMS pode interrompê-lo para efetuar medições de tensão, restringir canais adjacentes, reduzir o ciclo de funcionamento à medida que os componentes aquecem, parar fora de um intervalo de temperatura permitido ou deixar o veículo entrar num estado de menor consumo. As atuais conceções de monitores automóveis incluem estes controlos térmicos e temporizadores porque as resistências de dissipação e os dispositivos de comutação precisam de proteção. (Texas Instruments)

O equilíbrio passivo é, portanto, adequado para corrigir a divergência gradual entre grupos de resto semelhantes. Não é um processo de reparação rápida para uma bateria com grandes diferenças.

Equilíbrio ativo

O equilíbrio ativo transfere carga através de circuitos de eletrónica de potência, em vez de dissipar deliberadamente toda a carga em excesso em resistências. Consoante a topologia, a energia pode deslocar-se:

De um grupo mais elevado para um grupo mais baixo
Entre um grupo e uma secção maior da bateria
Entre módulos ou secções da bateria
Da bateria para um grupo com carga baixa

O circuito de transferência pode utilizar condensadores, indutores, transformadores, matrizes de comutação ou conversores DC-DC bidirecionais.

O equilíbrio ativo pode funcionar com uma corrente mais elevada e redistribuir energia durante o carregamento, a descarga ou o repouso. Durante a descarga, por exemplo, pode fornecer energia dos grupos mais fortes a um grupo que se aproxima do limite inferior, adiando o momento em que esse grupo termina a descarga útil da bateria.

O método não é isento de perdas. Os condutores, interruptores, componentes magnéticos e eletrónica de controlo consomem energia e geram calor. Também acrescenta:

Custo e número de componentes
Espaço e peso
Complexidade de controlo
Considerações de interferência eletromagnética
Mais requisitos de diagnóstico e segurança funcional
Outros possíveis modos de falha

O equilíbrio ativo pode tornar utilizável uma parcela maior da energia existente na bateria quando as capacidades dos grupos divergiram, mas não recupera a capacidade original de um grupo fraco. O mesmo grupo pode voltar a ser o limitador durante o ciclo seguinte. A Analog Devices descreve claramente a distinção central: o equilíbrio passivo dissipa a carga em excesso, enquanto o equilíbrio ativo a redistribui. (Analog Devices)

O equilíbrio ativo não é automaticamente a melhor solução para todos os veículos elétricos. O equilíbrio passivo pode ser suficiente quando as células estão bem emparelhadas e o BMS corrige regularmente pequenas divergências. O equilíbrio ativo torna-se mais atrativo quando o benefício em energia útil justifica o equipamento adicional e o esforço de validação. As análises das arquiteturas de equilíbrio para veículos elétricos chegam ao mesmo compromisso geral: os sistemas ativos proporcionam uma transferência de energia mais flexível, enquanto os passivos mantêm vantagens de custo e simplicidade. (Energies)

Quando ocorre o equilíbrio

Não existe um programa de equilíbrio universal. Consoante a bateria e a estratégia do BMS, o equilíbrio pode ocorrer:

Durante o carregamento em corrente alternada
Perto do fim do carregamento
Depois de o carregamento terminar
Enquanto o veículo permanece ligado
Durante determinadas condições de estacionamento ou condução
Sempre que a tensão, a corrente e a temperatura cumprem os critérios programados

Muitos sistemas efetuam grande parte do equilíbrio perto de um SOC elevado. A corrente de carregamento é menor, o BMS consegue identificar o grupo que atinge primeiro o limite superior e o veículo ligado pode dispor de tempo suficiente para realizar uma correção lenta.

Este processo é frequentemente designado por equilíbrio superior, mas outras estratégias podem alinhar os grupos perto do limite inferior ou utilizar um equilíbrio baseado em modelos num intervalo de funcionamento mais amplo. O método escolhido depende da química das células, da conceção da bateria, da janela de funcionamento e das prioridades do fabricante.

Carregar até aos 100% apresentados não prova que tenha ocorrido equilíbrio. O BMS também pode exigir uma temperatura adequada, uma diferença mínima de tensão ou de SOC estimado, uma corrente baixa, tempo adicional ligado ou outra condição específica do fabricante.

O equilíbrio e a calibração do SOC são diferentes

O equilíbrio altera a distribuição da carga entre os grupos ligados em série. A calibração do SOC altera a estimativa do BMS sobre o nível de carga da bateria.

Um ponto de referência alto ou baixo pode ajudar o BMS a recalibrar o SOC, e um carregamento prolongado também pode proporcionar tempo para o equilíbrio, mas os dois processos permanecem separados. Um veículo pode atualizar a percentagem apresentada sem transferir uma quantidade significativa de carga entre grupos. Também pode equilibrar os grupos sem produzir uma alteração visível no painel de instrumentos.

Os condutores devem, por isso, seguir as orientações de carregamento do seu veículo exato, em vez de aplicarem uma regra genérica de «carregar até aos 100% para equilibrar». A química, a estratégia do BMS, o software, o tempo de armazenamento e as necessidades diárias de autonomia influenciam 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 equilíbrio não consegue corrigir

O equilíbrio das células não consegue:

Recuperar a capacidade perdida por degradação
Reverter um aumento permanente da resistência
Reparar um curto-circuito interno
Impedir uma autodescarga anormal
Reparar um barramento, terminal ou fio de deteção danificado
Corrigir uma refrigeração inadequada
Corrigir um sensor de tensão ou temperatura impreciso
Fazer com que todos os grupos envelheçam ao mesmo ritmo
Recuperar lítio ou material ativo já perdido no interior de uma célula

Se um grupo se desequilibrar repetidamente pouco depois de ser equilibrado, a bateria pode ter um problema subjacente de capacidade, resistência, autodescarga, temperatura, ligação ou deteção. O equilíbrio consegue alinhar temporariamente o grupo, mas um desequilíbrio persistente exige diagnóstico.

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

Redução ou interrupção do carregamento mais cedo do que o esperado
Menor energia útil
Uma correção súbita do SOC apresentado
Uma descida mais rápida do SOC perto do vazio
Redução da potência de propulsão com SOC baixo
Uma grande dispersão de tensão comunicada
O veículo permanecer ativo após o carregamento
Um aviso da bateria ou da cadeia cinemática

Nenhum destes sintomas prova a existência de um desequilíbrio. A temperatura, a redução normal da potência de carregamento, um erro de estimativa do SOC, os limites do carregador, a degradação geral, falhas de refrigeração e a estratégia de software podem provocar um comportamento semelhante.

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

O equilíbrio das células é mais eficaz quando corrige discretamente pequenas diferenças antes de o condutor reparar nelas. Quando um grupo se torna suficientemente fraco para limitar repetidamente a bateria, o equilíbrio consegue gerir a consequência, mas não eliminar a causa.