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.

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.

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.

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.