2 de agosto de 2021

Carrinho

Operação segura das baterias de lítio com BMS

Baterias de lítio precisam de alguns cuidados que exigem o uso de BMS para a operação segura

Autor: 28 de junho de 2021Artigos técnicos
Operação segura das baterias de lítio com BMS

Baterias de lítio são as preferidas hoje para muitas aplicações na área de energia. Grande parte do sucesso das baterias de lítio deve-se ao mercado de veículos elétricos, que nos últimos anos tem impulsionado bastante as pesquisas e os desenvolvimentos em tecnologias de baterias e também na área de eletrônica. 

As baterias de lítio apresentam características superiores às suas predecessoras de chumbo ácido, que por muito tempo dominaram o mercado de armazenamento de energia.

Algumas vantagens das baterias de lítio são a sua alta densidade de energia, sua capacidade de carga e recarga rápida, sua alta eficiência (96%, considerando um ciclo completo de carga e descarga) e sua capacidade de operar com estados parciais de carga. 

Entretanto, as vantagens da bateria de lítio são acompanhadas de alguns cuidados que exigem o uso de BMS (battery management systems – sistemas de gerenciamento de baterias) para a operação segura. 

Área de operação segura

Baterias de lítio possuem uma SOA (safety operation área) que impõe algumas restrições como:

Sobretensão: A sobretensão, que é uma situação de sobrecarga, deve ser evitada nas baterias de lítio. A sobretensão pode causar o aumento abrupto da corrente, o que faz com que os íons de lítio não consigam mais se acomodar adequadamente nas camadas de intercalação do ânodo. Isso leva à formação de lítio metálico no ânodo, o que em consequência pode acarretar perda permanente de capacidade ou curto-circuito interno.

Subtensão: Um estado de carga muito reduzido, correspondente a um nível de tensão muito baixo, pode fazer o coletor de cobre do ânodo se dissolver no eletrólito, causando curto-circuito interno. Pode ocorrer também a quebra do material do cátodo, ocasionando a perda permanente de capacidade de armazenamento.

Sobretemperatura: O aquecimento excessivo da bateria de lítio pode desintegrar a camada de passivação e provocar uma reação do eletrólito com o ânodo. Isso leva a um aumento descontrolado da temperatura interna através de uma reação exotérmica. Ainda como consequência do sobreaquecimento pode ocorrer a quebra dos solventes orgânicos internos do eletrólito, produzindo a liberação de gases inflamáveis e aumentando a pressão interna da bateria. Finalmente, pode ocorrer o derretimento do separador, provocando um curto-circuito interno.

Subtemperatura: O resfriamento excessivo da bateria também não é uma condição desejável, pois isso reduz a velocidade das reações químicas (diminuindo a capacidade de carga e tornando mais lenta a recarga) e provoca a criação de dendritos (que podem ocasionar curto-circuito interno). A subtemperatura é difícil de ocorrer no território brasileiro, sendo um problema mais comum em países de clima frio, onde as temperaturas podem ser muito baixas no inverno.

Figura 1: Área de operação segura (SOA) da bateria de lítio. Fonte: PHB Eletrônica, Tutorial do SEPOC, 2018

BMS: sistema de gerenciamento

O BMS (battery management system) é um sistema eletrônico responsável pelo monitoramento e pelo controle das baterias de lítio. O BMS monitora a tensão, a corrente, a temperatura e o estado de carga das baterias.

Além disso, o sistema é responsável por limitar essas variáveis, evitando sobrecarga, sobretensão, subtensão e sobretemperatura.

Além do monitoramento, o BMS ainda tem a importante função de realizar a equalização das células dos bancos de baterias. Baterias de lítio são sempre encontradas na forma de bancos que contêm uma certa quantidade de células ligadas em série.

Nas ligações em série não é suficiente monitorar a tensão total, sendo importante o monitoramento e o controle da tensão de cada célula individualmente. 

A Figura 2 mostra o diagrama esquemático de um sistema BMS e a Figura 3 ilustra dois possíveis esquemas utilizados para o balanceamento das células. O balanceamento passivo dissipa energia das células sobrecarregadas, trazendo-as ao mesmo estado de carga das demais.

O balanceamento ativo permite a redistribuição da energia entre as células, sendo a opção mais eficiente e preferida nos sistemas de BMS mais modernos.

Figura 2: Diagrama esquemático de um sistema BMS. Fonte: PHB Eletrônica, Tutorial do SEPOC, 2018

Figura 2: Diagrama esquemático de um sistema BMS. Fonte: PHB Eletrônica, Tutorial do SEPOC, 2018

Figura 3: Estratégias de balanceamento de células empregadas pelos sistemas de gerenciamento de baterias (BMS). Fonte: PHB Eletrônica, Tutorial do SEPOC, 2018

Figura 3: Estratégias de balanceamento de células empregadas pelos sistemas de gerenciamento de baterias (BMS). Fonte: PHB Eletrônica, Tutorial do SEPOC, 2018

O BMS, além de suas funções de monitoramento, proteção e controle (balanceamento das células) também deve possuir uma interface de comunicação para a troca de informações com equipamentos externos (inversores, controladores de carga, etc).

Exemplos de aplicações de BMS

Diferentemente das tradicionais baterias de chumbo ácido, as baterias de lítio precisam de todos os cuidados mencionados anteriormente e não podem ser simplesmente conectadas a um inversor ou um controlador de carga. 

Além disso, dificilmente as baterias de lítio são fornecidas isoladamente, sendo mais comum encontrá-las na forma de packs ou bancos de baterias com BMS incorporado. 

Normalmente os fabricantes de bancos de baterias já desenvolvem e fornecem soluções integradas, que contêm as células e toda a eletrônica necessária para a operação segura das baterias. 

A Figura 4 ilustra a placa eletrônica do sistema BMS de um veículo da Tesla Motors, EUA.

Figura 4: BMS eletrônico (acima) e bancos de baterias (abaixo) de um veículo elétrico da Tesla Motors. Fonte: PHB Eletrônica, Tutorial do SEPOC, 2018

Figura 4: BMS eletrônico (acima) e bancos de baterias (abaixo) de um veículo elétrico da Tesla Motors. Fonte: PHB Eletrônica, Tutorial do SEPOC, 2018

A Figura 5 ilustra um banco de baterias de lítio com BMS integrado desenvolvido no Brasil pela PHB Eletrônica, em parceria com o CPqD (Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Telecomunicações). 

A Figura 6 ilustra um sistema semelhante ao da Figura 5, produzido pela empresa internacional Pylontech e comercializado no Brasil pela PHB Eletrônica. Cada módulo possui tensão nominal de 48 V e capacidade nominal de 50 AH.

Figura 5: Banco de baterias com BMS desenvolvido no Brasil. Fonte: PHB Eletrônica

Figura 5: Banco de baterias com BMS desenvolvido no Brasil. Fonte: PHB Eletrônica

Figura 6: Banco de baterias com módulos de baterias de lítio. Fonte: PHB Eletrônica / Pylontech

Figura 6: Banco de baterias com módulos de baterias de lítio. Fonte: PHB Eletrônica / Pylontech

Canal Solar

Canal Solar

Redação do Canal Solar

Comentar