As baterias de lítio são como motores que não precisam de manutenção;BMSSem uma função de balanceamento, o sistema é meramente um coletor de dados e não pode ser considerado um sistema de gerenciamento. Tanto o balanceamento ativo quanto o passivo visam eliminar inconsistências dentro de uma bateria, mas seus princípios de implementação são fundamentalmente diferentes.
Para maior clareza, este artigo define o balanceamento iniciado pelo BMS por meio de algoritmos como balanceamento ativo, enquanto o balanceamento que utiliza resistores para dissipar energia é denominado balanceamento passivo. O balanceamento ativo envolve transferência de energia, enquanto o balanceamento passivo envolve dissipação de energia.
Princípios básicos de projeto de baterias
- O carregamento deve ser interrompido quando a primeira célula estiver totalmente carregada.
- A descarga deve terminar quando a primeira célula estiver esgotada.
- Células mais fracas envelhecem mais rápido do que células mais fortes.
- A célula com a carga mais fraca acabará por limitar a capacidade da bateria.'s capacidade utilizável (o elo mais fraco).
- O gradiente de temperatura do sistema dentro do conjunto de baterias faz com que as células que operam em temperaturas médias mais altas sejam mais fracas.
- Sem balanceamento, a diferença de voltagem entre as células mais fracas e as mais fortes aumenta a cada ciclo de carga e descarga. Eventualmente, uma célula se aproximará da voltagem máxima enquanto outra se aproxima da voltagem mínima, prejudicando a capacidade de carga e descarga da bateria.
Devido à incompatibilidade das células ao longo do tempo e às variações de temperatura desde a instalação, o balanceamento das células é essencial.
As baterias de íon-lítio enfrentam principalmente dois tipos de incompatibilidade: incompatibilidade de carga e incompatibilidade de capacidade. A incompatibilidade de carga ocorre quando células com a mesma capacidade apresentam diferenças graduais na carga. A incompatibilidade de capacidade ocorre quando células com capacidades iniciais diferentes são usadas em conjunto. Embora as células geralmente sejam bem pareadas se forem produzidas aproximadamente ao mesmo tempo e com processos de fabricação semelhantes, as incompatibilidades podem surgir devido a células com origens desconhecidas ou diferenças significativas de fabricação.
Balanceamento ativo vs. balanceamento passivo
1. Objetivo
Os conjuntos de baterias são compostos por muitas células conectadas em série, que dificilmente são idênticas. O balanceamento garante que as variações de tensão entre as células sejam mantidas dentro dos limites esperados, preservando a usabilidade e a controlabilidade, evitando danos e prolongando a vida útil da bateria.
2. Comparação de Design
- Balanceamento passivo: Normalmente, descarrega células de tensão mais alta usando resistores, convertendo o excesso de energia em calor. Esse método prolonga o tempo de carregamento das outras células, mas tem menor eficiência.
- Balanceamento ativo: uma técnica complexa que redistribui a carga dentro das células durante os ciclos de carga e descarga, reduzindo o tempo de carregamento e prolongando a duração da descarga. Geralmente, emprega estratégias de balanceamento inferior durante a descarga e estratégias de balanceamento superior durante o carregamento.
- Comparação de Prós e Contras: O balanceamento passivo é mais simples e barato, porém menos eficiente, pois desperdiça energia na forma de calor e tem efeitos de balanceamento mais lentos. O balanceamento ativo é mais eficiente, transferindo energia entre as células, o que melhora a eficiência geral de utilização e permite atingir o equilíbrio mais rapidamente. No entanto, envolve estruturas complexas e custos mais elevados, com desafios na integração desses sistemas em circuitos integrados dedicados.
Conclusão
O conceito de BMS (Sistema de Gerenciamento de Bateria) foi inicialmente desenvolvido no exterior, com os primeiros projetos de circuitos integrados focados na detecção de tensão e temperatura. O conceito de balanceamento foi introduzido posteriormente, inicialmente utilizando métodos de descarga resistiva integrados aos circuitos integrados. Essa abordagem agora é amplamente difundida, com empresas como TI, MAXIM e LINEAR produzindo esses chips, algumas integrando drivers de chaveamento nos próprios chips.
Com base nos princípios e diagramas de balanceamento passivo, se compararmos um conjunto de baterias a um barril, as células seriam como as aduelas. As células com maior energia seriam as aduelas longas, e as com menor energia, as aduelas curtas. O balanceamento passivo apenas "encurta" as aduelas longas, resultando em desperdício de energia e ineficiências. Esse método apresenta limitações, incluindo dissipação de calor significativa e efeitos de balanceamento lentos em conjuntos de baterias de grande capacidade.
Em contraste, o balanceamento ativo "preenche as lacunas", transferindo energia de células de maior energia para células de menor energia, resultando em maior eficiência e alcance mais rápido do equilíbrio. No entanto, isso introduz complexidade e custos adicionais, com desafios no projeto de matrizes de comutação e no controle de acionamentos.
Considerando as vantagens e desvantagens, o balanceamento passivo pode ser adequado para células com boa consistência, enquanto o balanceamento ativo é preferível para células com maiores discrepâncias.
Data da publicação: 27/08/2024
