Técnicas de balanceamento celular e como usá-las

Uma célula de lítio nominal é classificada para cerca de 4,2 V apenas, mas em suas aplicações como EV, eletrônicos portáteis, laptops, bancos de energia, etc, exigimos uma tensão muito mais alta do que sua tensão nominal. Esta é a razão pela qual os projetistas combinam mais de uma célula em série para formar uma bateria com valores de tensão mais elevados. Como sabemos de nosso artigo anterior sobre baterias de veículos elétricos, quando as baterias são combinadas em série, o valor da tensão é adicionado. Por exemplo, quando quatro células de lítio de 4,2 V são conectadas em série, a tensão de saída efetiva do pacote de bateria resultante será de 16,8 V.

Mas você pode imaginar que conectar muitas células em série é como montar muitos cavalos em uma carruagem. Somente se todos os cavalos correrem na mesma velocidade, a carruagem será conduzida com a máxima eficiência. De quatro cavalos, se um cavalo correr devagar, os outros três também terão que reduzir sua velocidade, reduzindo assim a eficiência e se um cavalo correr mais rápido, ele acabará se machucando puxando a carga dos outros três cavalos. Da mesma forma, quando quatro células são conectadas em série, os valores de voltagem de todas as quatro células devem ser iguais para derivar a bateria com eficiência máxima. O método de manter todas as tensões de células iguais é chamado de balanceamento de células. Neste artigo, aprenderemos mais sobre o balanceamento de células e também brevemente sobre como usá-los no nível de hardware e software.

Por que precisamos do balanceamento celular?

O balanceamento de células é uma técnica na qual os níveis de voltagem de cada célula individual conectada em série para formar uma bateria são mantidos iguais para atingir a eficiência máxima da bateria. Quando células diferentes são combinadas para formar uma bateria, é sempre garantido que elas tenham o mesmo valor químico e de voltagem. Mas, uma vez que o pacote é instalado e sujeito a carga e descarga, os valores de tensão das células individuais tendem a variar devido a alguns motivos que discutiremos mais tarde. Esta variação nos níveis de tensão causa desequilíbrio da célula, o que levará a um dos seguintes problemas

Escapamento térmico

A pior coisa que pode acontecer é a fuga térmica. Como sabemos, as células de lítio são muito sensíveis a sobrecarga e descarga excessiva. Em um pacote de quatro células, se uma célula tiver 3,5 V enquanto a outra tiver 3,2 V, a carga carregará todas as células juntas, uma vez que estão em série e carregará a célula de 3,5 V para mais do que a voltagem recomendada, uma vez que as outras baterias ainda estão requer carregamento.

Degradação Celular

Quando uma célula de lítio é sobrecarregada, mesmo ligeiramente acima do valor recomendado, a eficiência e o ciclo de vida da célula são reduzidos. Por exemplo, um ligeiro aumento na tensão de carregamento de 4,2 V para 4,25 V degradará a bateria mais rápido em 30%. Portanto, se o balanceamento de células não for preciso, mesmo uma leve sobrecarga reduzirá a vida útil da bateria.

Carregamento incompleto do pacote

Conforme as baterias em um pacote envelhecem, poucas células podem ser mais fracas do que as células vizinhas. Esta semana, as células serão um grande problema, pois serão carregadas e descarregadas mais rapidamente do que uma célula normal e saudável. Durante o carregamento de uma bateria com células em série, o processo de carregamento deve ser interrompido mesmo se uma célula atingir a tensão máxima. Dessa forma, se duas células em uma bateria ficarem semanas, elas serão carregadas mais rápido e, portanto, as células restantes não serão carregadas até o máximo, conforme mostrado abaixo.

Uso incompleto da energia do pacote

Da mesma forma, no mesmo caso, quando a bateria está sendo descarregada, as células mais fracas irão descarregar mais rápido do que a célula saudável e atingirão a voltagem mínima mais rápido do que outras células. Como aprendemos em nosso artigo BMS, o pacote será desconectado da carga mesmo se uma célula atingir a tensão mínima. Isso leva à capacidade não utilizada da energia da embalagem, conforme mostrado abaixo.

Levando em consideração todas as possíveis desvantagens acima, podemos concluir que um balanceamento de células seria obrigatório para utilizar a bateria em sua eficiência máxima. Ainda assim, existem poucas aplicações onde o custo inicial deve ser muito baixo e a substituição da bateria não é um problema nessas aplicações, o balanceamento de células poderia ser evitado. Mas na maioria das aplicações, incluindo veículos elétricos, o balanceamento de células é obrigatório para obter o máximo de energia da bateria.

O que causa o desequilíbrio das células nas baterias?

Agora sabemos por que manter todas as células equilibradas em uma bateria é importante. Mas, para resolver o problema de maneira adequada, devemos saber por que as células ficam desequilibradas em primeira mão. Como dito anteriormente, quando uma bateria é formada colocando as células em série, é necessário garantir que todas as células estejam nos mesmos níveis de voltagem. Portanto, uma bateria nova sempre terá células equilibradas. Mas, à medida que o pack é colocado em uso, as células ficam desequilibradas pelas seguintes razões.

Desequilíbrio SOC

Medir o SOC de uma célula é complicado; portanto, é muito complexo medir o SOC de células individuais em uma bateria. Uma técnica ideal de balanceamento de células deve corresponder às células do mesmo SOC em vez dos mesmos níveis de voltagem (OCV). Mas, uma vez que não é praticamente possível que as células sejam combinadas apenas em termos de voltagem ao fazer um pacote, a variação no SOC pode levar a uma mudança no OCV no devido tempo.

Variação da resistência interna

É muito difícil encontrar células com a mesma resistência interna (IR) e conforme a idade da bateria, o IR da célula também é trocado e, portanto, em uma bateria nem todas as células terão o mesmo IR. Como sabemos, o IR contribui para a impedância interna da célula que determina a corrente que flui através de uma célula. Como o IR é variado, a corrente através da célula e sua voltagem também variam.

Temperatura

A capacidade de carga e descarga da célula também depende da temperatura ao seu redor. Em uma bateria enorme, como em EVs ou painéis solares, as células são distribuídas em áreas de resíduos e pode haver diferença de temperatura entre a bateria, fazendo com que uma célula carregue ou descarregue mais rápido do que as células restantes, causando um desequilíbrio.

Pelas razões acima, fica claro que não podemos evitar que a célula fique desequilibrada durante a operação. Portanto, a única solução é usar um sistema externo que força as células a se equilibrarem novamente após o desequilíbrio. Este sistema é denominado Sistema de Balanceamento de Bateria. Existem muitos tipos diferentes de técnicas de hardware e software usados para balanceamento de células de bateria. Vamos discutir os tipos e técnicas amplamente utilizadas.

Tipos de balanceamento de células de bateria

As técnicas de balanceamento de células podem ser amplamente classificadas nas seguintes quatro categorias listadas abaixo. Vamos discutir sobre cada categoria.

Balanceamento Passivo de Células
Balanceamento de células ativas
Balanceamento de células sem perdas
Redox Shuttle

1. Balanceamento Passivo de Células

O método de balanceamento passivo de células é o método mais simples de todos. Ele pode ser usado em locais onde o custo e o tamanho são as principais restrições. A seguir estão os dois tipos de balanceamento passivo de células.

Desvio de carga

Neste método, uma carga simulada como um resistor é usada para descarregar o excesso de tensão e equalizá-lo com outras células. Esses resistores são chamados de resistores de desvio ou resistores de sangramento. Cada célula conectada em série em um pacote terá seu próprio resistor de bypass conectado por meio de uma chave, conforme mostrado abaixo.

O circuito de amostra acima mostra quatro células, cada uma das quais conectada a dois resistores de bypass por meio de uma chave como o MOSFET. Os controladores medem a voltagem de todas as quatro células e ligam o mosfet para a célula cuja voltagem é mais alta do que as outras células. Quando o mosfet é ligado, aquela célula em particular começa a descarregar através dos resistores. Como sabemos o valor dos resistores, podemos prever quanta carga está sendo dissipada pela célula. O capacitor conectado em paralelo com a célula é usado para filtrar picos de tensão durante a comutação.

Este método não é muito eficiente porque a energia elétrica é dissipada como calor nos resistores e o circuito também contabiliza as perdas de comutação. Outra desvantagem é que toda a corrente de descarga flui através do mosfet que é principalmente embutido no controlador IC e, portanto, a corrente de descarga tem que ser limitada a valores baixos, o que aumenta o tempo de descarga. Uma maneira de superar a desvantagem é usar um interruptor externo para aumentar a corrente de descarga, conforme mostrado abaixo

O MOSFET do canal P interno será disparado pelo controlador, o que faz com que a célula descarregue (I-bias) através dos resistores R1 e R2. O valor de R2 é selecionado de forma que a queda de tensão que ocorre através dele devido ao fluxo de corrente de descarga (I-bias) seja suficiente para acionar o segundo MOSFET de canal N. Essa tensão é chamada de tensão da fonte da porta (Vgs) e a corrente necessária para polarizar o MOSFET é chamada de corrente de polarização (I-bias).

Depois que o MOSFET do canal N é ligado, a corrente agora flui através do resistor de balanceamento R-Bal . O valor desse resistor pode ser baixo, permitindo que mais corrente passe por ele e, assim, descarregando a bateria mais rapidamente. Essa corrente é chamada de corrente de dreno (I-dreno). Neste circuito, a corrente de descarga total é a soma da corrente de dreno e da corrente de polarização. Quando o MOSFET do canal P é desligado pelo controlador, a corrente de polarização é zero e, portanto, a tensão Vgs também é zero. Isso desliga o MOSFET do canal N, deixando a bateria ideal novamente.

ICs de balanceamento de célula passiva

Embora a técnica de balanceamento passivo não seja eficiente, ela é mais comumente utilizada devido a sua simplicidade e baixo custo. Em vez de projetar o hardware, você também pode usar alguns ICs prontamente disponíveis, como LTC6804 e BQ77PL900, de fabricantes renomados como instrumentos Linear e Texas, respectivamente. Esses ICs podem ser colocados em cascata para monitorar várias células e economiza tempo e custo de desenvolvimento.

Limitação de carga

O método de limitação de carga é o método mais ineficiente de todos. Aqui, apenas a segurança e o tempo de vida da bateria são considerados e, ao mesmo tempo, desiste da eficiência. Neste método, as tensões das células individuais são monitoradas continuamente.

Durante o processo de carregamento, mesmo se uma célula atingir a tensão de carga total, o carregamento é interrompido, deixando as outras células na metade do caminho. Da mesma forma, durante a descarga, mesmo que uma célula atinja a tensão mínima de corte, a bateria é desconectada da carga até que a bateria seja carregada novamente.

Embora este método seja ineficiente, ele reduz os requisitos de custo e tamanho. Por isso, é usado em uma aplicação em que as baterias podem ser carregadas com frequência.

2. Balanceamento ativo de células

No balanceamento passivo de células, o excesso de carga não foi usado, portanto, é considerado ineficiente. Enquanto, no equilíbrio ativo, o excesso de carga forma uma célula é transferida para outra célula de baixa carga para equalizá-los. Isso é obtido através da utilização de elementos de armazenamento de carga, como capacitores e indutores. Existem muitos métodos para realizar o balanceamento ativo de células, vamos discutir os mais usados.

Carregar ônibus (capacitores voadores)

Este método utiliza capacitores para transferir carga da célula de alta tensão para a célula de baixa tensão. O capacitor é conectado através de interruptores SPDT inicialmente o interruptor conecta o capacitor à célula de alta tensão e uma vez que o capacitor é carregado, o interruptor o conecta à célula de baixa tensão onde a carga do capacitor flui para a célula. Uma vez que a carga está se movendo entre as células, esse método é chamado de ônibus de carga. A figura abaixo deve ajudá-lo a entender melhor.

Esses capacitores são chamados de capacitores voadores, uma vez que voam entre as células de baixa e alta voltagem carregando carregadores. A desvantagem desse método é que a carga pode ser transferida apenas entre células adjacentes. Além disso, leva mais tempo, uma vez que o capacitor deve ser carregado e, em seguida, descarregado para transferir as cargas. Também é muito menos eficiente, uma vez que haverá perda de energia durante o carregamento e a descarga do capacitor e as perdas de comutação também devem ser contabilizadas. A imagem abaixo mostra como o capacitor voador será conectado em uma bateria

Conversor indutivo (método Buck Boost)

Outro método de balanceamento de células ativas é usando indutores e circuitos de comutação. Neste método, o circuito de comutação consiste em um conversor buck boost . A carga da célula de alta tensão é bombeada no indutor e então descarregada na célula de baixa tensão usando o conversor buck boost. A figura abaixo representa um conversor indutivo com apenas duas células e um conversor buck boost único.

No circuito acima, a carga pode ser transferida da célula 1 para a célula 2, mudando os MOSFETS sw1 e sw2 da seguinte maneira. Primeiro, a chave SW1 é fechada, isso fará com que a carga da célula 1 flua para o indutor com a carga I atual. Assim que o indutor estiver totalmente carregado, o interruptor SW1 é aberto e o interruptor sw2 é fechado.

Agora, o indutor que está totalmente carregado inverterá sua polaridade e começará a descarregar. Desta vez, a carga do indutor flui para a célula2 com a descarga I da corrente. Uma vez que o indutor está totalmente descarregado, o interruptor sw2 é aberto e o interruptor sw1 é fechado para repetir o processo. As formas de onda abaixo o ajudarão a obter uma imagem clara.

Durante o tempo t0, a chave sw1 é fechada (ligada), o que leva ao aumento da corrente I carregada e ao aumento da tensão no indutor (VL). Então, uma vez que o indutor está totalmente carregado no tempo t1, a chave sw1 é aberta (desligada), o que faz com que o indutor descarregue a carga que acumulou na etapa anterior. Quando um indutor descarrega, ele muda sua polaridade, portanto, a tensão VL é mostrada em negativo. Ao descarregar a corrente de descarga (eu descarrego) diminua de seu valor máximo. Toda essa corrente entra na célula 2 para carregá-la. Um pequeno intervalo é permitido do tempo t2 a t3 e então em t3 todo o ciclo se repete novamente.

Este método também sofre de uma grande desvantagem, pois a carga só poderia ser transferida da célula superior para a inferior. Além disso, a perda na comutação e a queda de tensão do diodo devem ser consideradas. Mas é mais rápido e eficiente do que o método do capacitor.

Conversor indutivo (baseado em Fly back)

Como discutimos, o método do conversor buck boost só poderia transferir cargas da célula superior para a célula inferior. Este problema pode ser evitado usando um conversor Fly back e um transformador. Em um conversor do tipo flyback, o lado primário do enrolamento é conectado ao pacote de bateria e o lado secundário é conectado a cada célula individual do pacote de bateria, conforme mostrado abaixo

Como sabemos, a bateria opera com DC e o transformador não terá efeito até que a tensão seja trocada. Portanto, para iniciar o processo de carregamento, o interruptor no lado da bobina primária Sp é alterado. Isso converte CC em CC pulsado e o lado primário do transformador é ativado.

Agora, no lado secundário, cada célula tem sua própria chave e a bobina secundária. Ao mudar o mosfet da célula de baixa tensão, podemos fazer com que essa bobina em particular atue como um secundário para o transformador. Desta forma, a carga da bobina primária é transferida para a bobina secundária. Isso faz com que a tensão geral da bateria seja descarregada na célula fraca.

A maior vantagem deste método é que qualquer célula fraca no pacote pode ser facilmente carregada com a tensão do pacote e nenhuma célula em particular é descargas. Mas como envolve um transformador, ele ocupa um grande espaço e a complexidade do circuito é alta.

3. Balanceamento sem perdas

O balanceamento sem perdas é um método desenvolvido recentemente que reduz as perdas reduzindo os componentes de hardware e fornecendo mais controle de software. Isso também torna o sistema mais simples e mais fácil de projetar. Este método usa um circuito de comutação de matriz que fornece a capacidade de adicionar ou remover uma célula de um pacote durante o carregamento e o descarregamento. Um circuito de comutação de matriz simples para oito células é mostrado abaixo.

Durante o processo de carregamento, a célula de alta tensão será removida da embalagem usando os arranjos de interruptor. Na figura acima, a célula 5 é removida da embalagem usando os interruptores. Considere os círculos da linha vermelha como interruptores abertos e o círculo da linha azul como interruptores fechados. Assim, o tempo de descanso das células mais fracas é aumentado durante o processo de carregamento para equilibrá-las durante o carregamento. Mas a tensão de carregamento deve ser ajustada de acordo. A mesma técnica pode ser seguida durante a descarga também.

4. Redox Shuttle

O método final não é para designers de hardware, mas para engenheiros químicos. Em baterias de chumbo-ácido, não temos o problema de balanceamento celular, porque quando uma bateria de chumbo-ácido é sobrecarregada, causa gaseificação, o que evita que fique sobrecarregada. A ideia por trás do ônibus espacial Redox é tentar obter o mesmo efeito nas células de lítio, alterando a química do eletrólito da célula de lítio. Este eletrólito modificado deve evitar que a célula fique sobrecarregada.

Algoritmos de balanceamento de células

Uma técnica eficaz de balanceamento de células deve combinar o hardware com um algoritmo adequado. Existem muitos algoritmos para balanceamento de células e isso depende do projeto do hardware. Mas os tipos podem ser resumidos em duas seções diferentes.

Medindo a tensão de circuito aberto (OCV)

Este é o método fácil e mais comumente seguido. Aqui, as tensões de célula aberta são medidas para cada célula e o circuito de balanceamento de célula funciona para equalizar os valores de tensão de todas as células conectadas em série. É simples medir OCV (tensão de circuito aberto) e, portanto, a complexidade deste algoritmo é menor.

Estado de medição de carga (SOC)

Neste método, o SOC das células é equilibrado. Como já sabemos, medir o SOC de uma célula é uma tarefa complexa, pois temos que levar em consideração o valor da tensão e da corrente da célula durante um período de tempo para calcular o valor do SOC. Esse algoritmo é complexo e usado em locais onde alta eficiência e segurança são necessárias, como na indústria aeroespacial e espacial.

Isso conclui o artigo aqui. Espero que agora você tenha uma breve ideia de como o balanceamento de células é implementado em nível de hardware e software. Se você tiver ideias ou técnicas, compartilhe-as na seção de comentários ou use os fóruns para obter ajuda técnica.