Um sistema de gerenciamento de bateria (BMS) é um sistema ou circuito eletrônico que monitora o carregamento, descarregamento, temperatura e outros fatores que influenciam o estado de uma bateria ou conjunto de baterias, com o objetivo geral de indicar com precisão o tempo restante disponível para uso. Ele é usado para monitorar e manter a saúde e a capacidade de uma bateria.
Os dispositivos BMS atuais são avançados e geralmente fornecem notificações pop-up, como você provavelmente já viu em um laptop ou smartphone. No mínimo, estes sistemas devem fornecer:
- Monitoramento de tensão (estado de carga)
- Vida útil da bateria e saúde geral (estado de saúde)
- Monitoramento de temperatura e condição (área de operação segura)
- O tempo de carga
Um sistema de gerenciamento de bateria também pode oferecer recursos adicionais, dependendo da aplicação. Por exemplo, um display BTS em veículos elétricos pode informar quantas milhas ou quilômetros o veículo pode percorrer com segurança antes da próxima carga.
Neste artigo, aprenderemos como funciona um sistema de gerenciamento de bateria, incluindo como ele calcula e monitora a vida útil da bateria.
Compreendendo um BMS
Normalmente, um BMS recebe informações da bateria que está monitorando, processa-as em um algoritmo e então gera a saída. Os dados de saída incluem o estado de alteração (SOC), o estado de saúde (SOH), bem como um sinal de falha e de status.
Um BMS pode ser usado para uma bateria de célula única ou múltipla. O circuito abaixo mostra três células conectadas em série, onde o BMS mede a tensão geral, bem como a tensão de cada célula. Ele também monitora a corrente através de um sensor de corrente shunt ou de efeito Hall.
Também há transistores de efeito de campo semicondutores de óxido metálico (MOSFETs) disponíveis, como transmissores de efeito de campo de controle de carga ou descarga (CFETs e DFETs), que fornecem capacidades integradas de carga e descarga. Esses MOSFETs fornecem uma vantagem de segurança adicional, terminando uma carga ou cargas durante uma condição de falha. Nesse caso, o carregador e a carga são conectados para “comunicar”.
Área de operação segura
Um BMS fornece uso seguro e confiável da bateria. Por exemplo, ele pode proteger uma bateria contra condições de temperatura excessiva ou insuficiente e sobrecarga ou descarga excessiva.
A temperatura e a voltagem de operação devem estar sempre em uma área de operação segura (SOA), que é indicada no gráfico de voltagem versus temperatura abaixo. O valor no gráfico como este deve sempre seguir a folha de dados do fabricante do BMS, pois diferentes sistemas estão disponíveis.
Esta é uma condição de superaquecimento se a temperatura da bateria exceder o SOA devido a condições excessivamente quentes ou quentes. É considerada perigosa, pois pode derreter as células e os circuitos. Uma caixa de bateria de plástico normalmente amolece em torno de 200 F e derrete acima de 300 F. Em casos extremos, a bateria também pode derreter ou explodir.
Assim como o calor acelera as reações químicas, temperaturas frias as desaceleram. Uma condição de baixa temperatura pode ser causada por temperaturas frias ou congelantes, o que também pode afetar a bateria e sua capacidade de fornecer energia.
Uma tensão que exceda seus limites de estado ideal e ultrapasse o SOA é uma sobrecarga, danificando a bateria e deixando-a sem funcionamento. Quando a tensão cai abaixo do seu limite de estado, é considerada uma carga insuficiente. Todas as quatro condições podem danificar a bateria ou ser perigosas.
Um BMS confiável monitora cada célula no circuito e oferece proteção ao encerrar a carga da bateria se ela ultrapassar qualquer um dos estados ideais.
Estado de saúde
O estado de saúde (SOH) refere-se à capacidade ou condição atual de uma bateria em comparação com seu estado ideal. O SOH ajuda a determinar a porcentagem de vida útil da bateria disponível ou restante.
No gráfico abaixo, a capacidade da bateria diminui durante o ciclo de carga ou descarga.
Como o SOH é determinado?
Os parâmetros que mudam com a idade de uma bateria — como impedância ou condutância — podem ser usados para determinar o SOH de uma célula. Quando tais parâmetros aumentam, o desempenho da bateria diminui enquanto sua temperatura aumenta. IA mpedância mede a oposição de um circuito a uma corrente quando uma tensão é aplicada. Condutância é o grau em que um objeto conduz eletricidade, calculado como a relação de corrente.
Para medir o SOH, é necessário registrar a impedância ou condutância inicial, que normalmente é fornecida na folha de dados do fabricante. Para testar a impedância ou condutância de uma bateria, aplique uma pequena tensão CA de frequência e amplitude conhecidas “E” através da célula e meça a corrente CA em fase “I” que flui em resposta a ela.
Onde…
A impedância é Z = E/I (“E” é a tensão CA através da célula e “I” é a corrente CA que flui através da bateria)
Condutância é C = I/E
Por exemplo…
E = 0,0024 V e I = 0,0033 A Z = 0,0024 / 0,0033 = 0,072 ohms
A impedância e a condutância são inversas entre si, onde a impedância aumenta e a condutância diminui.
Agora, vamos supor que recebemos uma impedância medindo 70 miliohms, mas, a princípio, era de 50 miliohms.
Porcentagem de impedância =(impedância atual / impedância inicial) X 100
= (70/50) x 100
= 140%
Porcentagem de aumento da impedância = porcentagem de impedância – 100
= 140 – 100 = 40%
A impedância aumentou em 40 por cento. Agora, vamos calcular o SOH.
A bateria tem uma capacidade inicial de 1000mAh, e a impedância aumentou em 40 por cento. Como resultado…
Capacidade perdida = (impedância por cento /100) x Capacidade inicial total
= (40/100) x 1000 = 400mAh
SOH = Capacidade inicial total – capacidade perdida
= 600mAh
A porcentagem de impedância também pode medir a temperatura. Digamos que a porcentagem inicial seja 40 C.
Temperatura atual = (porcentagem de impedância /100) x temperatura inicial + temperatura inicial
= (40/100) x 40 + 40
= 56ºC
Neste caso, à medida que a impedância aumenta, a temperatura da bateria aumenta, conforme mostrado no gráfico abaixo.
Estado de carga
O estado de carga (SOC) indica quanta energia resta na bateria e é calculado usando a capacidade restante da bateria em relação à capacidade total da bateria. O estado da carga pode ser indicado em percentagem da seguinte forma;
Porcentagem SOC = (SOH / capacidade total) X 100
Embora essa fórmula forneça o SOC como uma porcentagem, ela não é totalmente precisa porque falha em levar em consideração o fato de que a capacidade total da bateria diminui ao longo do tempo. Eventualmente, a bateria não atingirá uma carga completa de 100%. A capacidade total na fórmula, portanto, é o valor SOH.
Esta equação oferece um resultado mais preciso:
SOC porcentagem = (SOC/SOH) X 100
Se a capacidade inicial da bateria for 1000mAh, mas o SOH agora for 500mAh e a capacidade restante for 300mAh, então:
SOC porcentagem = (300/500) X 100 = 60%
Como o SOC é determinado?
A maneira mais fácil de determinar o estado da carga é medir a tensão de carga e descarga da bateria. Porém, esta não é a forma ideal de medir a capacidade porque a bateria não possui uma curva linear de carga ou descarga. Portanto, nem todas as leituras seriam representadas com precisão.
Considere, por exemplo, a curva de carga e descarga de uma bateria de íons de lítio nos gráficos abaixo. A voltagem de carga e descarga muda gradualmente o estado da bateria até que a descarga final permaneça estável.
O método ideal para medir a capacidade da bateria é via Coulomb Counting, que mede as correntes de entrada e saída ao longo do tempo. Ele considera a corrente de descarga ao longo do tempo e a subtrai dos valores se a corrente de carga for a mesma.
SOC = Capacidade total – (Corrente de descarga – Corrente carregada)
Vários métodos estão disponíveis para medir a descarga ou carga em corrente, dependendo do sistema de medição da bateria. Aqui estão alguns:
Derivação de corrente: Um shunt é um resistor de baixo ohm usado para medir corrente e, normalmente, quando a corrente excede a faixa do dispositivo de medição. Toda a corrente flui pelo shunt e gera uma queda de tensão, que é medida. Este método apresenta uma ligeira perda de energia no resistor e aquece a bateria.
Efeito Hall: Este sensor mede a mudança de tensão quando o dispositivo é colocado em um campo magnético. Elimina o problema de perda de potência típico do shunt de corrente, mas é caro e incapaz de tolerar altas correntes.
Magnetorresistência gigante (GMR): Esses sensores são usados como detectores de campo magnético que são mais sensíveis (e mais caros) do que sensores de efeito Hall. Eles são incrivelmente precisos.
Contagem de Coulomb: Coulomb envolve medir a quantidade de corrente que flui para dentro ou para fora da bateria. Abaixo está um gráfico representando uma corrente medida em diferentes momentos para determinar a corrente de descarga total em relação ao tempo.
A medição de Coulomb é bastante complicada, mas pode ser feita por um microcontrolador.
