As baterias recarregáveis são os componentes fundamentais dos Sistemas de Armazenamento de Energia de Bateria (BESS). Hoje em dia, cada vez mais sistemas químicos diferentes são combinados em conjuntos de baterias compostos por dezenas, centenas ou mesmo milhares de células, conseguindo uma operação mais eficiente em tensões mais elevadas. Para projetistas de sistemas de gerenciamento de bateria (BMS), essa estrutura de projeto enfrenta muitos desafios para alcançar desempenho, eficiência, confiabilidade e segurança ideais.
Por exemplo, projetar ou selecionar circuitos integrados (ICs) que atendam aos requisitos da aplicação requer um profundo conhecimento da química da bateria, carregamento, monitoramento, balanceamento de carga, isolamento, segurança e tecnologias de comunicação para garantir uma implementação eficiente.
Para este fim, os fornecedores integraram muitas funções necessárias em CIs dedicados que são essencialmente independentes dos processadores. Muitos modelos deste tipo de IC não apenas suportam vários sistemas químicos de bateria à base de lítio, mas também são compatíveis com células de bateria que não sejam de lítio. Este tipo de IC coleta dados das células da bateria e toma decisões e ações ideais de gerenciamento da bateria em tempo real. Além disso, esses tipos de ICs também fornecem dados ao processador do sistema em relação ao status da célula da bateria e ao status operacional.
Este artigo apresentará brevemente os requisitos técnicos exclusivos de grupos multicélulas. Em seguida, apresente os ICs avançados especializados e otimizados da Analog Devices e explique como usar esses ICs para atender aos requisitos acima.
Múltiplas células de bateria trarão mais desafios
O diagrama de circuito básico de uma bateria pode parecer simples, mas na verdade inclui múltiplas células de bateria que obtêm tensão mais alta por meio de conexão em série e corrente maior por meio de conexão paralela. Isso significa que tais configurações são apenas uma simples extensão de baterias de célula única/poucas células, exigindo quase nenhum gerenciamento adicional. Esta bateria multicelular é adequada para ferramentas elétricas que requerem 18 V ou 48 V, veículos elétricos (EVs) que requerem 400 V ou 800 V e sistemas BESS que normalmente requerem 1500 V.
A situação real dessas baterias maiores é que seus detalhes e complexidade excedem em muito o que é mostrado em seus diagramas de circuitos. À medida que o número de células e baterias aumenta, a dificuldade de enfrentar estes desafios cresce exponencialmente.
Primeiramente, é necessário monitorar a célula da bateria para rastrear sua tensão terminal, curva de descarga de carga, estado de carga (SoC), temperatura e características do precursor de falha. Além disso, é necessário gerenciar uniformemente diferentes células de bateria e registrar e considerar suas diferenças.
Se não existir um conjunto universal de regras, aumentará ainda mais a complexidade da gestão das células da bateria. Além disso, a adequação da estratégia de gestão adotada depende das características químicas das células da bateria. As estratégias de gestão adoptadas para diferentes sistemas químicos principais são diferentes (tais como baterias de iões de lítio (iões de lítio) e baterias de chumbo-ácido), e dentro do mesmo sistema químico generalizado (tais como várias formulações de baterias de iões de lítio), as estratégias de gestão utilizadas também são diferentes. Portanto, estratégias avançadas de gerenciamento de BMS devem ser personalizadas para as características químicas das células de bateria gerenciadas.
Devido ao grande número de células de bateria contidas em conjuntos de baterias de alta tensão e alta capacidade, que devem atender a vários padrões de segurança, o monitoramento e o gerenciamento de células de bateria locais são atualmente a solução de engenharia mais viável. Embora o sistema seja normalmente equipado com um processador principal, ele normalmente só pode emitir instruções regulatórias avançadas para monitoramento de células locais e avaliar o desempenho geral da bateria. O monitoramento e o gerenciamento de uma única célula de bateria são realizados por um sistema eletrônico autônomo que fornece funcionalidade em tempo real e opera principalmente sem a necessidade de intervenção do processador no nível do sistema.
Balanceamento de bateria passivo e ativo
O equilíbrio celular é particularmente importante para manter a integridade de múltiplos grupos de células, garantindo que algumas células não sejam danificadas devido à sobrecarga e evitando que outras baterias fiquem ociosas devido à baixa utilização. O balanceamento de células pode evitar danos às células e às baterias, maximizando assim o desempenho. O balanceamento de células garante que todas as células da bateria atinjam sua capacidade máxima simultaneamente, evitando sobrecarga, desequilíbrio do SoC, descarga excessiva e envelhecimento prematuro, prolongando, em última análise, a vida útil da bateria.
Existem dois métodos para balanceamento celular: balanceamento ativo e passivo. A equalização ativa é mais precisa e rápida que a equalização passiva, mas é mais complexa de implementar. O balanceamento ativo utiliza tecnologia de circuito ativo para redistribuir a carga entre cada célula da bateria, garantindo que o SoC de todas as células permaneça consistente. Este circuito monitora a tensão de cada célula da bateria e ajusta as correntes de carga e descarga de acordo com os resultados do monitoramento.
Em contraste, o balanceamento passivo depende da lei de Ohm e dos resistores de balanceamento para ajustar a célula ao mesmo estado SoC. Além da baixa precisão e velocidade lenta, o balanceamento passivo também pode dissipar (desperdiçar) o excesso de energia em células de bateria altas.
Começando pelo monitoramento multicelular
Embora já exista um grande número de soluções ESS no mercado, as duas principais funções front-end do BMS ainda residem na monitorização e equilíbrio das células da bateria. O IC ADES1830CCSZ mostrado na Figura 1, como um monitor de bateria de sistema multiquímico, multicélula e de 16 canais, não apenas atinge as funções acima, mas também integra vários recursos importantes que ajudam a simplificar o projeto e a operação geral do sistema.
Monitor de células ADES1830CCSZ da Analog Devices com múltiplas células e sistemas químicos (clique para ampliar)
Figura 1: O monitor de células ADES1830CCSZ com múltiplas células e múltiplos sistemas químicos é usado como bloco de construção básico para um BMS abrangente. (Fonte da imagem: Dispositivos Analógicos)
Este monitor de grupo de células múltiplas pode medir até 16 células conectadas em série, com um erro total de medição (TME) inferior a 2 mV em toda a faixa de temperatura; enquanto o TME de outro ADES1831CCSZ com as mesmas especificações é um pouco maior, de 5 mV. A faixa de entrada de medição de -2 V a 5,5 V torna o ADES1830 e o ADES1831 adequados para a maioria dos materiais químicos de baterias.
Para manter a consistência ao monitorar conjuntos de baterias contendo um grande número de células, todas as células podem ser medidas de forma redundante e sincronizada por meio de conversores analógico-digitais (ADCs) integrados duplos. Esses conversores analógico-digital (ADCs) operam continuamente a uma alta taxa de amostragem de 4.096 megaamostras por segundo (MSPS), reduzindo assim o uso de filtros analógicos externos e obtendo resultados de medição livres de aliasing. Se necessário, uma redução adicional de ruído pode ser alcançada através de filtros de resposta de impulso infinito programáveis (IIR) a jusante. ADES1830 e ADES1831 também possuem função de balanceamento passivo - alcançada através do controle de ciclo de trabalho independente de modulação por largura de pulso (PWM) e suportam uma corrente de descarga de até 300 mA por célula.
Embora um único dispositivo ADES1830 ou ADES1831 suporte apenas 16 células em série, vários dispositivos podem ser conectados em cascata para monitorar simultaneamente as células de uma longa bateria de alta tensão. Para conseguir a interconexão entre os chips IC, cada dispositivo é equipado com uma interface de porta serial isolada (isoSPI), que é eletricamente isolada por meio de capacitores ou transformadores selecionados pelo usuário para obter comunicação de alta velocidade de longa distância que pode resistir à interferência de radiofrequência.
Através deste método, uma única conexão do processador principal pode ler dados e monitorar toda a cadeia de baterias. Este link de porta serial permite a comunicação bidirecional, garantindo a integridade dos dados mesmo em caso de falhas no caminho de comunicação.
Para otimizar a aplicabilidade desses detectores multicelulares, a Analog Devices lançou a placa de avaliação EV-ADES1830CCSZ (Figura 2, à esquerda). Para estar mais próximo da realidade, múltiplas placas de avaliação podem ser conectadas através da interface isoSPI para monitorar uma longa sequência de células na bateria (no lado direito da Figura 2).