Bateria de armazenamento de energia

O que é um sistema de gestão de baterias (BMS)?

O sistema de gestão de baterias (BMS) é uma tecnologia dedicada à supervisão de um conjunto de baterias, que é um conjunto de células de baterias, organizadas eletricamente numa configuração de matriz linha x coluna para permitir o fornecimento de uma gama de tensões e correntes específicas durante um determinado período de tempo em cenários de carga previstos.

O que é um sistema de gestão da bateria?

O BMS é uma tecnologia desenvolvida para prever o estado de carregamento (SOC) e o estado de saúde (SOH) da bateria. O SOC é a energia disponível que pode ser convertida em trabalho nesse momento específico. O SOH é um fator que indica o ciclo de vida e a durabilidade da bateria.

Quando é necessária uma alta tensão, não podemos confiar numa única célula para a gerar. Apenas uma ligação em série ou em paralelo de células pode satisfazer os requisitos. Muitas células dispostas em conjunto constituem um módulo, e vários módulos e um sistema de gestão de baterias formam um conjunto de baterias. Por exemplo, um conjunto de baterias do Tesla Model S Plaid é composto por 7.920 células de iões de lítio instaladas em cinco módulos e a sua capacidade é de 99 kWh.

1. Estado de carregamento (SOC)

Um sistema BMS eficaz monitoriza o estado de carga e descarga das baterias individuais e distribui a corrente em conformidade. Garante que nenhuma célula é sobrecarregada ou descarregada abaixo do seu limite inferior e fá-la funcionar dentro da área de funcionamento seguro (SOA). Assegura que o limite de tensão nunca é excedido.

O BMS efectua alguns cálculos-chave para estimar os limites de corrente de carga e descarga da célula. Calcula o seu tempo de funcionamento, a energia descarregada no ciclo anterior e o número total de ciclos de carga e descarga. Com a ajuda destes cálculos, prevê o SOC, que é como um indicador de combustível dos veículos eléctricos.

2. Estado de saúde (SOH)

Todas as baterias recarregáveis só podem ser submetidas a um número finito de ciclos de carga e descarga, denominado ciclo de vida. O ciclo de vida pode ser optimizado através de uma monitorização eficaz da carga da bateria durante a carga e a descarga. Em circunstâncias e manutenção adequadas, uma bateria pode durar muito tempo.

3. Gestão térmica

A gestão térmica é a função mais importante efectuada pelo sistema de gestão da bateria. Este verifica sempre a temperatura e arrefece a bateria quando necessário. O arrefecimento das baterias é vital não só para evitar a fuga térmica, mas também para otimizar a eficiência. Os sistemas de gestão térmica são concebidos tendo em conta o tamanho da bateria, o valor da tensão de pico, o custo e a localização geográfica. Cada bateria tem uma temperatura de funcionamento específica à qual pode funcionar com a máxima eficiência. Um aumento da temperatura da bateria pode reduzir a sua eficiência até 50%.

Um conjunto de baterias pode utilizar ar ou líquido de arrefecimento para se manter dentro do intervalo de temperatura admissível. A eficiência do refrigerante a ar é relativamente mais baixa do que a do refrigerante líquido. Os sistemas de arrefecimento a ar são frequentemente passivos e necessitam de componentes adicionais, como um filtro de ar e uma ventoinha, o que aumenta o peso do sistema. O líquido de arrefecimento líquido tem um potencial de arrefecimento mais elevado e as baterias são imersas no líquido.

O sistema de gestão da bateria controla todos estes parâmetros através de uma monitorização eficaz. Reúne todos os dados relacionados com a temperatura da bateria, o fluxo de corrente que entra e sai da célula, o fluxo de líquido de refrigeração, a velocidade do veículo e o estado da energia. Sempre que a bateria aquece, a unidade de bombagem recebe um sinal para fornecer mais líquido de refrigeração. Da mesma forma, sempre que a exigência de tensão é aumentada, envia pedidos para baixar os limites de corrente. Assim, o sistema de gestão da bateria ajuda a garantir a segurança e a vida útil da bateria.

Qual é a função de um sistema de gestão da bateria?

A principal função do BMS é proteger as células da bateria contra danos causados por sobrecarga ou descarga excessiva. Além disso, o BMS calcula a carga restante, monitoriza a temperatura da bateria, monitoriza a saúde e a segurança da bateria, verificando se existem ligações soltas e curtos-circuitos internos. O BMS também equilibra a carga entre as células para manter cada célula a funcionar na sua capacidade máxima.

Se detetar quaisquer condições inseguras, o BMS desliga a bateria para proteger as células de iões de lítio e o utilizador.

Porque é que os sistemas de gestão de baterias (BMS) são necessários e como funcionam?

Os sistemas de gestão de baterias (BMS) são circuitos de controlo eletrónico que monitorizam e regulam a carga e descarga das baterias. As características da bateria a monitorizar incluem a deteção do tipo de bateria, tensões, temperatura, capacidade, estado de carga, consumo de energia, tempo de funcionamento restante, ciclos de carga e outras características.

Porque é que um BMS é importante

Os sistemas de gestão de baterias são fundamentais para proteger a saúde e a longevidade da bateria, mas são ainda mais importantes do ponto de vista da segurança. O eletrólito líquido das baterias de iões de lítio é altamente inflamável.

Assim, estas baterias têm de estar sempre a funcionar de forma óptima e dentro dos limites de segurança para evitar um incêndio.

Protecções oferecidas por um sistema de gestão da bateria

Vamos rever as protecções de um sistema de gestão da bateria:

Subtensão e sobretensão

Ocorrem danos quando se sobrecarrega (a tensão da célula fica demasiado alta) ou se descarrega demasiado (a tensão da célula fica demasiado baixa) uma célula de bateria de iões de lítio. O BMS ajuda a proteger contra situações de sub e sobretensão para que não ocorram danos nas células da bateria.

Extremos de temperatura

A segurança e a estabilidade das células das baterias de iões de lítio dependem da manutenção da temperatura dentro de determinados limites. Se a temperatura exceder o nível crítico em qualquer uma das extremidades, pode ocorrer uma fuga térmica. Consequentemente, isto pode levar a um incêndio inextinguível.

O BMS monitoriza a temperatura e, por vezes, controla as ventoinhas de arrefecimento (no caso de um veículo elétrico) para ajudar a manter as condições adequadas. Se necessário, pode mesmo desligar as células para proteger a bateria.

Proteção contra os calções

Os curto-circuitos internos e externos também podem levar a uma fuga térmica. Por este motivo, a proteção contra curto-circuitos é outro componente crítico de um sistema de gestão de baterias.

Tipos de sistemas de gestão de baterias

Os sistemas de gestão de baterias variam entre o simples e o complexo e podem abranger uma vasta gama de tecnologias diferentes para alcançar a sua diretiva principal de "tomar conta da bateria". No entanto, estes sistemas podem ser categorizados com base na sua topologia, que se relaciona com a forma como são instalados e funcionam nas células ou módulos do conjunto de baterias.

Arquitetura BMS centralizada

Tem um BMS central no conjunto de baterias. Todos os conjuntos de baterias estão ligados diretamente ao BMS central. A estrutura de um BMS centralizado é apresentada na Figura 6. O BMS centralizado tem algumas vantagens. É mais compacto e tende a ser o mais económico, uma vez que existe apenas um BMS. No entanto, existem desvantagens de um BMS centralizado. Uma vez que todas as baterias estão ligadas diretamente ao BMS, este necessita de muitas portas para se ligar a todos os pacotes de baterias. Isto traduz-se em muitos fios, cablagem, conectores, etc. em grandes conjuntos de baterias, o que complica a resolução de problemas e a manutenção.

Topologia BMS modular

Semelhante a uma implementação centralizada, o BMS é dividido em vários módulos duplicados, cada um com um feixe dedicado de fios e ligações a uma parte adjacente atribuída de uma pilha de baterias. Ver Figura 7. Em alguns casos, estes submódulos BMS podem residir sob uma supervisão do módulo BMS principal, cuja função é monitorizar o estado dos submódulos e comunicar com o equipamento periférico. Graças à modularidade duplicada, a resolução de problemas e a manutenção são mais fáceis e a extensão a conjuntos de baterias maiores é simples. A desvantagem é que os custos globais são ligeiramente mais elevados e pode haver duplicação de funcionalidades não utilizadas, dependendo da aplicação.

BMS primário/subordinado

Conceptualmente semelhante à topologia modular, no entanto, neste caso, os escravos estão mais limitados à transmissão de informações de medição e o mestre dedica-se à computação e ao controlo, bem como à comunicação externa. Assim, à semelhança dos tipos modulares, os custos podem ser mais baixos, uma vez que a funcionalidade dos escravos tende a ser mais simples, com provavelmente menos despesas gerais e menos características não utilizadas.

Arquitetura BMS distribuída

É consideravelmente diferente das outras topologias, em que o hardware e o software electrónicos são encapsulados em módulos que fazem a interface com as células através de feixes de cabos ligados. Um BMS distribuído incorpora todo o hardware eletrónico numa placa de controlo colocada diretamente na célula ou módulo que está a ser monitorizado. Isto reduz a maior parte da cablagem a alguns fios de sensores e fios de comunicação entre módulos BMS adjacentes. Consequentemente, cada BMS é mais autónomo e gere os cálculos e as comunicações conforme necessário. No entanto, apesar desta aparente simplicidade, esta forma integrada torna a resolução de problemas e a manutenção potencialmente problemáticas, uma vez que se encontra no interior de um conjunto de módulos de proteção. Os custos também tendem a ser mais elevados, uma vez que há mais BMSs na estrutura geral do conjunto de baterias.

As vantagens dos sistemas de gestão de baterias

Um sistema completo de armazenamento de energia por bateria, frequentemente designados por BESS, podem ser constituídos por dezenas, centenas ou mesmo milhares de células de iões de lítio estrategicamente agrupadas, dependendo da aplicação. Estes sistemas podem ter uma tensão nominal inferior a 100 V, mas podem chegar aos 800 V, com correntes de alimentação do conjunto que podem atingir 300 A ou mais. Qualquer gestão incorrecta de um pacote de alta tensão pode desencadear um desastre catastrófico com risco de vida. Por conseguinte, os BMS são absolutamente essenciais para garantir um funcionamento seguro. Os benefícios dos BMSs podem ser resumidos da seguinte forma.

Segurança funcional. Sem dúvida, para as baterias de iões de lítio de grande formato, isto é particularmente prudente e essencial. Mas mesmo os formatos mais pequenos utilizados, por exemplo, em computadores portáteis, são conhecidos por se incendiarem e causarem enormes danos. A segurança pessoal dos utilizadores de produtos que incorporam sistemas alimentados por iões de lítio deixa pouca margem para erros de gestão da bateria.

Vida útil e fiabilidade. A gestão da proteção do conjunto de baterias, eléctrica e térmica, garante que todas as células são utilizadas de acordo com os requisitos SOA declarados. Esta supervisão delicada garante que as células são protegidas contra uma utilização agressiva e ciclos de carga e descarga rápidos, resultando inevitavelmente num sistema estável que proporcionará potencialmente muitos anos de serviço fiável.

Desempenho e alcance. A gestão da capacidade do conjunto de baterias BMS, em que o equilíbrio célula a célula é empregue para igualar o SOC das células adjacentes em todo o conjunto de baterias, permite a obtenção de uma capacidade óptima da bateria. Sem esta funcionalidade BMS para ter em conta as variações na auto-descarga, ciclos de carga/descarga, efeitos da temperatura e envelhecimento geral, um conjunto de baterias poderia eventualmente tornar-se inútil.

Diagnóstico, Recolha de dados e comunicação externa. As tarefas de supervisão incluem a monitorização contínua de todas as células da bateria, em que o registo de dados pode ser utilizado por si só para diagnósticos, mas é muitas vezes utilizado para calcular o SOC de todas as células do conjunto. Esta informação é aproveitada para algoritmos de equilíbrio, mas pode ser transmitida coletivamente a dispositivos externos e ecrãs para indicar a energia residente disponível, estimar a autonomia esperada ou a autonomia/vida útil com base na utilização atual e fornecer o estado de saúde do conjunto de baterias.

Redução de custos e de garantias. A introdução de um BMS num BESS aumenta os custos, e as baterias são caras e potencialmente perigosas. Quanto mais complicado for o sistema, mais elevados são os requisitos de segurança, o que resulta na necessidade de uma maior presença de supervisão do BMS. Mas a proteção e a manutenção preventiva de um BMS no que respeita à segurança funcional, ao tempo de vida e à fiabilidade, ao desempenho e à autonomia, aos diagnósticos, etc. garantem a redução dos custos globais, incluindo os relacionados com a garantia.

Tarefas dos sistemas inteligentes de gestão de baterias (BMS)

A tarefa dos sistemas de gestão de baterias é garantir a utilização óptima da energia residual presente numa bateria. Para evitar o carregamento das baterias, os sistemas BMS protegem as baterias contra descargas profundas e sobretensões, que são o resultado de uma carga extremamente rápida e de uma corrente de descarga extremamente elevada. No caso de baterias multicelulares, o sistema de gestão de baterias também fornece uma função de equilíbrio de células, para gerir que diferentes células da bateria tenham os mesmos requisitos de carga e descarga.

Perguntas mais frequentes

Quais são os diferentes tipos de sistemas de gestão de baterias?

Existem dois tipos principais de BMSs. O primeiro é um BMS centralizado, que utiliza uma unidade de controlo para gerir todas as células da bateria no sistema. O segundo tipo de BMS é um BMS distribuído, que utiliza várias unidades de controlo para gerir as células da bateria no sistema.

Todas as baterias LiFePO4 têm BMS?

O BMS, sistema de gestão da bateria, é um componente obrigatório para as baterias LiFePO4.

Qual é a tensão máxima para o BMS LiFePO4?

No caso da química LiFePO4, o máximo absoluto é de 4,2 V por célula, embora se recomende que carregue a 3,5-3,6 V por célula, há menos de 1% de capacidade extra entre 3,5 V e 4,2 V. O carregamento excessivo provoca o aquecimento da pilha e um carregamento excessivo prolongado ou extremo pode provocar um incêndio.

Qual é o papel do BMS no carregamento da bateria?

A tarefa dos sistemas de gestão de baterias é garantir a utilização óptima da energia residual presente numa bateria. Para evitar o carregamento das baterias, os sistemas BMS protegem as baterias contra descargas profundas e sobretensões, que são o resultado de uma carga extremamente rápida e de uma corrente de descarga extremamente elevada.

A minha bateria precisa de um BMS?

Os sistemas de gestão de baterias (BMS) são cruciais para o funcionamento seguro e fiável dos sistemas de armazenamento de energia das baterias. Uma das vantagens mais significativas de um BMS é o facto de garantir a segurança funcional, especialmente para baterias de iões de lítio de grande formato.

Como é que o BMS protege a bateria?

Um BMS pode proteger a sua bateria impedindo-a de funcionar fora da sua área de funcionamento seguro, como por exemplo: Sobrecarga. Sobrecarga. Sobrecorrente durante o carregamento.

O BMS limita a tensão?

Este valor é a tensão máxima da célula que o BMS está a utilizar para limitar as tensões individuais das células. Isto pode ser útil para comunicar com carregadores ou estações de carregamento que esperam um valor máximo de tensão de célula até ao qual podem carregar.

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