9 de março de 2021
solar
No Brasil Hoje

Potencia GC SolarGC 3,28 GW

No Brasil Hoje

Potencia GD SolarGD 4,97 GW

Sistemas BMS para baterias de lítio

Baterias de lítio precisam de sistemas eletrônicos de controle e monitoramento para operar de forma segura

Autor: 18 de fevereiro de 2021fevereiro 22nd, 2021Artigos técnicos
Sistemas BMS para baterias de lítio

Baterias de lítio com eletrólito líquido são comercialmente disponíveis em células, blocos (packs) e bancos.

As células são as unidades básicas, que tipicamente possuem capacidades de armazenamento da ordem 1 a 5 Ah, com tensão de saída nominal de 3,7 V.

Para aplicações práticas essas células precisam ser organizadas em blocos ou packs, onde são conectadas em série. 

Os blocos ou packs de baterias devem ser associados a módulos eletrônicos de BMS (battery management system) para o funcionamento seguro.

Isto é extremamente necessário para as baterias de lítio, pois as células não são idênticas e podem trabalhar em condições diferentes de carga, com diferentes tensões elétricas em seus terminais.

Figura 1: Pack de baterias de íons de lítio formado pela associação de células em série. Fonte: Energus Power/Divulgação

Figura 1: Pack de baterias de íons de lítio formado pela associação de células em série. Fonte: Energus Power/Divulgação

As células de íons de lítio são extremamente delicadas. Cada célula dentro de um bloco é única e deve ser cuidadosamente balanceada e monitorada para evitar sobrecarga e sobreaquecimento.

As células de lítio têm sua tensão aumentada repentinamente quando sofrem sobrecarga. Se uma sobrecarga ocorrer em apenas uma célula de um pack, essa célula pode atingir tensões perigosas antes que a tensão total do bloco atinja o nível correspondente à carga máxima (que seria detectado por um controlador de carga mais simples).

Desta forma, controlar e monitorar a tensão total de um bloco de células não é suficiente para as baterias de lítio, diferentemente do que ocorre com as baterias de chumbo ácido, por exemplo, com as quais nenhum tipo de cuidado especial é necessário durante o processo de carregamento de um banco. 

Os fabricantes de packs e bancos de baterias (que podem reunir um ou mais packs) classificam e selecionam cuidadosamente as células de acordo com sua capacidade, resistência interna e data de fabricação, buscando a máxima uniformidade das células quando agrupadas. Mesmo assim, circuitos de BMS são necessários nos blocos e bancos de baterias comerciais.

Figura 2: Células de íons de lítio no banco de baterias de um veículo Tesla. Fonte: Motortrend/Divulgação

Figura 2: Células de íons de lítio no banco de baterias de um veículo Tesla. Fonte: Motortrend/Divulgação

A função mais importante de um sistema de BMS é garantir que as células permaneçam dentro dos limites operacionais seguros e agir assim que qualquer uma das células individuais começar a sair dos limites. A ação realizada depende da complexidade do BMS.

Normalmente o BMS vai desconectar o circuito para evitar a sobrecarga da bateria (se a tensão estiver muito alta) ou a sua descarga excessiva (se a tensão estiver muito baixa). 

Ele também vai verificar se as células do pack têm a mesma tensão, atuando ativamente sobre algumas células para que sua tensão seja equalizada com as demais. Esse controle individual das células evita sobretensão e incêndio. 

Alguns sistemas de BMS também podem monitorar a temperatura e desconectar o circuito se as células atingirem condições perigosas.

Em resumo, podemos listar estas funções principais para um sistema de BMS (battery management system):

  • Monitorar a tensão do banco de baterias e das células individualmente, protegendo as células e o conjunto contra sobretensão;
  • Equalizar a tensão de cada célula, agindo ativamente sobre as células que apresentarem desequilíbrio;
  • Monitorar a temperatura das células e controlar o sistema de resfriamento, quando existente;
  • Monitorar a corrente de carga e descarga do banco de baterias, protegendo contra sobrecorrente;
  • Estimar o estado de carga (SOC = state of charge) das baterias;
  • Monitorar a profundidade de descarga das baterias (DOD = depth of discharge), protegendo contra descarga excessiva;
  • Monitorar o número de ciclos de carga e descarga e indicar o final da vida útil das baterias.

O sistema de BMS de um pack de baterias pode ser de dois tipos: centralizado ou descentralizado. Um sistema centralizado é constituído de uma única placa eletrônica que possui terminais de conexão para as células individuais do banco.

Um sistema descentralizado emprega placas eletrônicas para um número determinado de células, que se comunicam com uma placa central de controle.

Figura 3: Esquema de organização de um BMS centralizado

Figura 3: Esquema de organização de um BMS centralizado

Figura 4: Esquema de organização de um BMS descentralizado

Figura 4: Esquema de organização de um BMS descentralizado

Figura 5: À esquerda: BMS centralizado de 24 canais, para uso com até 24 células em série. À direita: BMS descentralizado, no qual cada placa controladora pode ser usada com até 32 unidades de monitoramento, cada qual com 12 canais de tensão. Fonte: Lithium Balance/Divulgação

Figura 5: À esquerda: BMS centralizado de 24 canais, para uso com até 24 células em série. À direita: BMS descentralizado, no qual cada placa controladora pode ser usada com até 32 unidades de monitoramento, cada qual com 12 canais de tensão. Fonte: Lithium Balance/Divulgação.

A estratégia empregada, centralizada ou descentralizada, depende de decisões de projeto. Normalmente o BMS centralizado é para bancos de baterias de pequena tensão, tipicamente até 100 V.

Os sistemas de BMS descentralizados aplicam-se a bancos de maior tensão, podendo chegar a 1000 V ou mais, nos quais um menor número de células é monitorado por uma unidade de monitoramento, enquanto a placa de controle central se comunica com diversas unidades. 

Marcelo Villalva

Marcelo Villalva

Especialista em sistemas fotovoltaicos. Doutor (PhD), Mestre e Graduado em Engenharia Elétrica. Docente e pesquisador da Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação (FEEC) da UNICAMP. Diretor do LESF - Laboratório de Energia e Sistemas Fotovoltaicos da UNICAMP. Autor do livro "Energia Solar Fotovoltaica - Conceitos e Aplicações".

Comentar