Os sistemas de armazenamento de energia a bateria estão colocados em condições de mercado cada vez mais exigentes, proporcionando uma ampla gama de aplicações.Seria uma questão digna de ser discutida que como construir um sistema de gestão de baterias (BMS) que garanta uma longa vida útil, versatilidade e disponibilidade.
Cada bateria moderna precisa de um sistema de gestão de bateria (BMS), que é uma combinação de eletrônica e software, e atua como o cérebro da bateria.Este artigo centra-se na tecnologia BMS para sistemas estacionários de armazenamento de energiaAs funções mais básicas do BMS consistem em assegurar que as células da bateria permanecem equilibradas e seguras, e informações importantes, como a energia disponível,é transmitido ao utilizador ou aos sistemas ligados.
É necessário equilibrar porque os sistemas de baterias são constituídos por centenas, às vezes milhares, de células individuais, todas com capacidades e resistências ligeiramente diferentes.Essas diferenças aumentam com o tempo à medida que as células se degradam em taxas diferentesSe as células não estiverem equilibradas, pelo menos ocasionalmente, as suas tensões vão rapidamente afastar-se de si, de tal modo que a capacidade da bateria se torna inutilizável.
A segurança é assegurada mantendo as células dentro dos limites de funcionamento seguros de tensão, corrente e temperatura, o que é particularmente importante para as baterias de íons de lítio.Carregado a temperaturas muito baixas, ou expostos a correntes ou temperaturas excessivas, podem desenvolver falhas que podem levar a incêndios ou explosões.
Informações como a energia disponível e a potência não podem ser medidas diretamente, o que significa que o BMS deve calcular Os resultados são transmitidos aos sistemas de nível superior, incluindo as interfaces de utilizador.
Antes de examinarmos as considerações de projeto do BMS em mais detalhes, vale a pena descrever os diferentes tipos de BMS e os requisitos da indústria que informam as escolhas de projeto.A abordagem de equilíbrio é tipicamente utilizada para classificar os tipos de BMS, embora outros aspectos de conceção desempenhem um papel importante, tais como diferentes abordagens para a estimativa do estado e fluxos de informação.
Construção básica do pacote
As células, ou células eletroquímicas, como as células de íons de lítio são a menor unidade de armazenamento de energia dentro de um pacote.A tensão mínima de uma célula de iões de lítio pode ser tão baixa quanto 2.5V (para células LFP) e a tensão máxima pode ser tão elevada quanto 4,3V para químicos NMC.
As células são conectadas em paralelo para aumentar a corrente máxima que pode ser extraída do pacote.
Em geral, as células dentro de uma supercélula se auto-equilibram e não há necessidade de gerenciá-las mais.As exceções podem incluir novas substâncias químicas como o enxofre de lítio e substâncias químicas com curvas de estado plano de carga versus tensão operadas em condições extremas de taxa de C, como o fosfato de ferro de lítio.
As supercélulas são conectadas em série para formar uma cadeia.que é necessário em aplicações de alta potência para evitar correntes de funcionamento de outra forma extremamente elevadas.
Quando as células são adicionadas a uma configuração de bateria, a capacidade energética aumenta.assim como conectar uma super célula adicional em série.
Tipos de BMS
Abordagem de equilíbrio
O equilíbrio passivo sincroniza as tensões da célula no final do processo de carga dissipando a energia, que teria ido para células totalmente carregadas, como calor através de resistores.A vantagem desta abordagem é o baixo custo dos componentes eletrónicos..
As desvantagens incluem que todas as células estão expostas à mesma corrente, o que significa que as células ligadas em série mais fracas limitam a energia, a potência, a vida útil e a segurança de toda a bateria.A degradação celular é acelerada, uma vez que a corrente nas células mais fracas é maior em relação à sua capacidade, o que também pode causar pontos quentes localizados que podem levar à diminuição da potência da bateria ou mesmo a problemas de segurança.O BMS passivo só pode monitorar a corrente do pacote e interrompê-lo através de um interruptor de desconexão em caso de falha.
Se for implementado um fluxo de informação bidirecional, os parâmetros a nível do sistema, tais como as definições de funcionamento, podem ser alterados para dar prioridade à duração da bateria ou ao desempenho.A vida útil é priorizada reduzindo a janela operacional em detrimento da energia ou potência disponíveis, enquanto o desempenho é priorizado através do alargamento da janela operacional, às custas da duração da bateria.
O equilíbrio ativo é tipicamente implementado por meio de circuitos de desvio de baixa corrente, que direcionam baixas correntes de carga para células que ainda não estão carregadas, em vez de dissipar a energia como calor.O principal benefício desta abordagem é melhorar a eficiência da carga, que pode ser importante se a energia de carregamento disponível for utilizada da forma mais eficiente possível.O equilíbrio ativo não justifica o custo acrescentado dos componentes para os benefícios que produzemTal como acontece com o equilíbrio passivo, a degradação celular é acelerada por correntes relativas mais elevadas em células mais fracas e podem formar-se pontos quentes.
Estimação do Estado
A estimativa do estado de carga (SoC) e do estado de saúde (SoH) baseia-se numa combinação de modelos de bateria e algoritmos de estimativa.O nível de sofisticação e precisão que é possível para a estimativa de estado e modelos de bateria subjacentes depende fortemente do hardware, que usamos aqui para diferenciar diferentes abordagens.
Os circuitos integrados (IC) são usados na maioria dos BMSs convencionais para estimativa de estado, que são frequentemente referidos como "indicador de combustível".Os ICs são "hardwired" com modelos de bateria específicos da química e algoritmos de estimativa de estadoA vantagem dos ICs é que são de baixo custo. As desvantagens incluem flexibilidade e precisão limitada do projeto do sistema. Este último tende a piorar com o tempo.A flexibilidade do projeto é limitada porque os ICs são tipicamente criados para uma química particular da bateria com especificações específicas.
Se a composição química ou as especificações da bateria mudarem, o IC também deverá ser alterado e o projeto adaptado. The reasons for the limited and deteriorating accuracy are (i) state estimation on ICs is based on generalised representations of the battery chemistry and doesn’t capture the nuanced thermodynamic and dynamic properties of cells, que podem variar de acordo com os fabricantes, formatos e lotes,Mesmo para a mesma química (ii) poder de computação limitado em ICs restringe a complexidade e fidelidade dos algoritmos de estimativa de estado e modelos de bateria subjacentes, e (iii) as características das células mudam ao longo do tempo, o que não pode ser capturado por algoritmos de IC com fio rígido, levando a uma inexactitude crescente ao longo do tempo.
Os microprocessadores podem ser programados com modelos de baterias mais complexos e de maior fidelidade e algoritmos de estimativa de estado,que podem ser ajustados para ter em conta características e especificações específicas das célulasA alteração das características da célula pode ser acomodada através da actualização dos parâmetros dos algoritmos de estimativa de estado e dos modelos de bateria, o que mantém as saídas mais precisas ao longo do tempo.O mesmo hardware pode ser usado para qualquer tipo de bateria química ou fabricanteA desvantagem pode ser o custo dos componentes mais elevado, dependendo da funcionalidade e do poder computacional necessários.
Fluxo de informação
O fluxo de informação unidirecional é comum na maioria dos sistemas de baterias: os fluxos de informação do BMS para sistemas de nível superior e interfaces de utilizador.Informações de baixo nível tendem a ser menos disponíveisAs informações mais importantes são as relacionadas com a segurança e o desempenho e incluem métricas como SoC e SoH.
O fluxo de informação bidirecional é possível se o BMS puder processar entradas, tais como alterações nas configurações operacionais (por exemplo, tensão máxima e mínima admissível da célula ou SoC),ou até atualizações de modelos de bateria ou algoritmos de estimativa de estado para manter a sua precisão, se forem utilizados microcontroladores.
