Introdução:
Compreender o funcionamento de um Sistema de Gestão de Baterias (BMS) é essencial quando se exploram os projetos de referência de BBU da ADI. O BMS é responsável por monitorizar e regular o estado de saúde da bateria, garantindo que esta opera dentro de parâmetros seguros. Isto inclui a monitorização das tensões das células da bateria, das temperaturas e dos níveis de corrente, bem como a gestão dos ciclos de carga e descarga. A implementação de um BMS robusto permite otimizar a eficiência e a segurança em soluções de nível de sistema. Garantir uma longa vida útil da bateria é crucial para alcançar o desempenho máximo. Sobrecargas ou descargas excessivas frequentes e não intencionais podem danificar a bateria e reduzir a sua vida útil. A monitorização cuidadosa do estado de saúde (SOC) da bateria e a sua utilização adequada evitarão paragens inesperadas ou falhas e garantirão um desempenho ideal.

Além disso, a monitorização do Estado de Carga (SOC) da bateria é importante para a saúde geral do conjunto de baterias. Com o tempo, as baterias perdem capacidade e deixá-las descarregar completamente pode acelerar este processo. O ponto ideal para prolongar a vida útil da bateria é mantê-la carregada entre os 20% e os 80%. Conhecer o SOC da bateria garante que o módulo da unidade de bateria (BBU) continua a funcionar durante um período mais longo.
Para além do SOH e do SOC, é necessário compreender melhor a profundidade de descarga (DOD). A DOD é um fator importante a considerar quando se utilizam baterias recarregáveis. Refere-se à percentagem da capacidade da bateria consumida num único ciclo de descarga. Geralmente, recomenda-se evitar descarregar a bateria abaixo dos 20% de DOD para prolongar a sua vida útil. No entanto, algumas baterias podem suportar descargas mais profundas sem danos significativos. É importante consultar as diretrizes do fabricante para obter recomendações específicas de profundidade de descarga para uma determinada bateria. Garantir uma longa duração da bateria é essencial para obter o máximo desempenho. Sobrecargas ou descargas excessivas frequentes e não intencionais podem danificar a sua bateria e reduzir a sua vida útil. Monitorizar cuidadosamente o estado de carga (SOC) da sua bateria e utilizá-la corretamente evitará paragens inesperadas ou avarias e garantirá um desempenho ideal.

Além disso, a monitorização do Estado de Carga (SOC) da bateria é importante para a saúde geral do conjunto de baterias. Com o tempo, as baterias perdem capacidade e deixá-las descarregar completamente pode acelerar este processo. O ponto ideal para prolongar a vida útil da bateria é mantê-la carregada entre os 20% e os 80%. Conhecer o SOC da bateria garante que o módulo da unidade de bateria (BBU) continua a funcionar durante um período mais longo.
Para além do SOH e do SOC, é necessário compreender melhor a profundidade de descarga (DOD). A DOD é um fator importante a considerar quando se utilizam baterias recarregáveis. Refere-se à percentagem da capacidade da bateria consumida num único ciclo de descarga. Geralmente, recomenda-se evitar descarregar a bateria abaixo dos 20% de DOD para prolongar a sua vida útil. No entanto, algumas baterias podem suportar descargas mais profundas sem danos significativos. É importante consultar as diretrizes do fabricante para obter recomendações específicas de profundidade de descarga para uma determinada bateria.
Além disso, é essencial considerar cuidadosamente a composição química da bateria. No projeto do módulo BBU, a utilização de baterias de iões de lítio (Li-ion) foi uma escolha prudente.

Fatores como tolerâncias de fabrico, variações na capacidade das células e diferenças nos padrões de utilização podem causar desequilíbrios entre células. Estes desequilíbrios podem levar a uma redução da capacidade total da bateria, diminuição da eficiência e até mesmo a falha prematura da bateria. O projeto requer um balanceador passivo na BBU. O equilíbrio passivo envolve a utilização de resistências para purgar ou dissipar o excesso de energia das células com níveis de tensão mais elevados. Este método é relativamente simples e económico, mas pode resultar em perdas de energia e geração de calor. Ao garantir que cada célula de um conjunto de baterias opera a níveis ideais, o equilíbrio das células melhora a eficiência e a eficácia global dos sistemas de armazenamento de energia, contribuindo para uma operação mais sustentável e fiável do sistema do módulo BBU. O microcontrolador BMS utilizado na BBU é o MAX32625. O microcontrolador BMS é responsável por dois processos importantes. Veja a Figura 1.

Figura 1. Microcontrolador BMS. Um microcontrolador BMS (MAX32625) ligado a um circuito integrado BMS (ADBMS6948).

1.Comunicar com o CI BMS (ADBMS6948) para obter dados de telemetria referentes às tensões das células, temperatura das células, subtensão, sobretensão e nível geral de corrente da pilha de baterias.

2.º Transmita todos os dados de telemetria recolhidos do dispositivo para o microcontrolador principal através de comunicação I2C.
O microcontrolador BMS comunica com o ADBMS6948 utilizando o protocolo SPI. Ao enviar os códigos de comando adequados, o microcontrolador BMS permite que o dispositivo recolha dados de telemetria e execute a sua operação em simultâneo. Ver Figura 2. Todos os dados recolhidos do CI BMS serão enviados e processados ​​pelo MCU BMS.

Figura 2. Processo do Microcontrolador BMS O processo do microcontrolador BMS envolve o comando e armazenamento de dados do chip BMS.

Outra tarefa importante do microcontrolador BMS é enviar os dados recolhidos para o microcontrolador principal para utilização nos algoritmos de carga e descarga, bem como no controlo da velocidade do ventilador. Isto é feito através da comunicação I2C com o BMS, que utiliza registos para serem lidos pelo microcontrolador principal. O mapa de registos do microcontrolador BMS é apresentado na Tabela 1.

Tabela 1. Mapa de Registos do Microcontrolador BMS

Note que todos os registos do microcontrolador BMS são atualmente de leitura apenas. A data de fabrico e o número de série são captados apenas uma vez e armazenados numa EEPROM externa do microcontrolador principal.

Operação de deteção e balanceamento de células.
Técnicas de carregamento de células:
A tensão constante (CV) e a corrente constante (CC) são duas técnicas de carregamento distintas utilizadas nos sistemas de carregamento de baterias para otimizar o processo de carregamento e melhorar a vida útil da bateria.

Carregamento CV
: O carregamento CV é um método de carregamento no qual é aplicada uma tensão fixa à célula da bateria durante a fase inicial de carregamento. Quando o processo de carregamento começa, o módulo BBU opera no modo de carregamento e mantém um nível de tensão constante de 44 V, permitindo que a corrente de carregamento de 5 A diminua gradualmente à medida que o Estado de Carga (SOC) da bateria aumenta. Esta abordagem é particularmente eficaz na prevenção de sobrecarga, uma vez que a tensão permanece constante e não excede o limite de tensão segura da bateria. Assim que a tensão da célula da bateria atinge 37 V a 40 V ou um limite predefinido, o carregador pode mudar para uma fase de carregamento diferente, como a redução da corrente de carregamento de 5 A para 0,5 A.

Carregamento CC:
O carregamento CC, por outro lado, implica a aplicação de uma corrente de carga constante aos terminais da bateria. Durante esta fase, a corrente de carga permanece constante em 5 A, enquanto a tensão da bateria aumenta gradualmente à medida que carrega.
Este método é especialmente útil para carregar rapidamente uma bateria com baixos níveis de carga inicial. Garante um fluxo controlado de corrente para a bateria até que um nível de tensão específico seja atingido. Assim que a tensão da bateria atinge um ponto pré-determinado, o processo de carregamento pode transitar para uma fase diferente, como por exemplo, reduzir a corrente constante de 5 A para 2 A ou entrar numa fase de tensão constante.
Os métodos de carregamento CV e CC são frequentemente combinados no modo de carregamento da bateria do módulo BBU para obter um perfil de carregamento ideal. A primeira fase CC ajuda a fornecer energia rapidamente à bateria, enquanto a segunda fase CV evita a sobrecarga, restringindo a tensão. Esta técnica combinada proporciona um carregamento eficiente, prolonga a vida útil da bateria e mantém a segurança e o desempenho do conjunto de baterias. A correta implementação dos mecanismos de carregamento CV e CC é fundamental para a operação de carregamento do módulo BBU.

Método de deteção de células:
O método de deteção de células é um aspeto fundamental dos sistemas de gestão de baterias. Esta técnica foi concebida para determinar com precisão a tensão e a condição de cada célula individual num conjunto de baterias. Ao empregar circuitos de deteção sofisticados e algoritmos de medição, o método de deteção de células permite que o sistema recolha dados em tempo real sobre a tensão, a temperatura e a condição geral de cada célula. Esta informação é então utilizada para tomar decisões informadas sobre as operações de carga, descarga e equilíbrio, garantindo assim o desempenho, a segurança e a longevidade ideais da bateria. A deteção eficaz de células é crucial para manter a eficiência e a fiabilidade geral dos modernos sistemas de armazenamento de energia.
Os 11 conversores analógico-digitais (ADCs) do ADBMS6948 estão dedicados à deteção das 11 entradas diferenciais das células do conjunto de baterias. O conjunto de baterias tem uma configuração de 11 células em série e 6 células em paralelo e está ligado aos pinos C0 a C10, que são os ADCs do BMS. Possuem uma gama de entrada de -2,5 V a +5,5 V e uma frequência de amostragem de aproximadamente 4 MHz, produzindo resultados de 16 bits a cada 1 ms com um LSB de 150 μV. Onze ADC adicionais são dedicados à medição simultânea das 11 entradas diferenciais utilizando pinos S, com uma gama de entrada de 0 V a 5,5 V e uma frequência de amostragem de aproximadamente 4 MHz, produzindo resultados de 13 bits com um LSB de 1,6 mV a cada 8 ms. Estes ADCs-S permitem a medição redundante da tensão da célula utilizando uma abordagem de medição completamente independente dos ADCs-C.

Operação de balanceamento passivo
: O balanceamento passivo é uma técnica normalmente utilizada na gestão de sistemas de baterias, na qual a utilização de componentes passivos, especialmente resistências, é combinada com a integração de MOSFETs dispostos em paralelo com as células individuais. Estes componentes integrados atuam como purificadores de tensão ou dissipadores de energia, facilitando a dissipação controlada do excesso de energia das células que apresentam uma tensão elevada ou estados de energia elevados.

A harmonização gradual resultante dos potenciais de tensão ou estados de energia das células da bateria promove o equilíbrio de tensão e energia durante um período prolongado.
Se as células de um conjunto de baterias ficarem desequilibradas, o BMS deverá reequilibrá-las descarregando as células com a tensão mais elevada. Os pinos S-ADC do ADBMS6948 podem ser utilizados para descarregar células individuais. Os MOSFET integrados nos pinos S-ADC podem ser utilizados para esta finalidade. Cada pino S-ADC pode ser controlado individualmente ou continuamente utilizando PWM. Configurando os registos PWMA, PWMB e CFGB, é também possível equilibrar as células enquanto o microcontrolador do BMS está em modo de repouso.

Carregamento de Células com Contador de Coulomb:
O principal objetivo de um contador de Coulomb é medir com precisão a quantidade de carga elétrica (medida em coulombs) que entra e sai de uma bateria ou circuito. Esta medição permite um melhor controlo do carregamento e descarregamento do banco de baterias, garantindo uma maior vida útil, maior eficiência e uma monitorização mais precisa da capacidade.
O ADBMS6948 possui um contador de Coulomb integrado. Isto permite a monitorização da quantidade de carga que flui através da bateria durante o processo de carregamento. O contador de Coulomb, também conhecido como sensor de corrente integrado ou monitor de carga, mede a quantidade total de carga elétrica (em coulombs) transferida para ou da bateria.

Ao carregar uma bateria com um contador de Coulomb, o contador monitoriza a quantidade de carga fornecida à bateria. Isto é feito medindo a corrente que flui através da bateria e integrando-a ao longo do tempo para calcular a carga total. Assim, estimando o Estado de Carga (SOC) da bateria e implementando algoritmos de carregamento, o processo de carregamento pode ser otimizado.
O funcionamento básico de um contador de Coulomb ADBMS6948 envolve a integração da corrente que entra ou sai da célula da bateria ao longo do tempo para calcular a carga total transferida. Eis como funciona:
► Medição de Corrente: O dispositivo mede a corrente que entra ou sai da célula da bateria. Isto é normalmente feito utilizando um sensor de corrente, como um resistor shunt ligado ao lado negativo da célula da bateria.
Integração: A corrente medida é integrada ao longo do tempo utilizando o ADBMS6948. A integração envolve a soma dos valores de corrente em intervalos regulares para calcular a carga acumulada.
► Cálculo da Capacidade: A carga acumulada é convertida em ampere-hora (Ah) ou coulombs. Isto fornece informações sobre a capacidade restante do banco de baterias.
► Monitorização e visualização: A capacidade calculada é processada, transferida para o microcontrolador principal e apresentada na interface gráfica do utilizador para processamento posterior. Esta informação é valiosa para a gestão da bateria, determinando o Estado de Carga (SOC) e prevenindo a sobrecarga ou descarga excessiva.

Durante o carregamento, o contador de Coulomb mede continuamente a corrente que circula através da célula e integra-a ao longo do tempo. Conhecendo o Estado de Carga (SOC) inicial da bateria, o SOC durante o carregamento pode ser estimado adicionando a carga integrada ao valor inicial. Esta estimativa ajuda a evitar sobrecargas e permite a implementação de algoritmos de carregamento que otimizam o processo considerando fatores como a temperatura, a idade da bateria e a composição química.
Consulte os artigos anteriores da ADI para obter dicas sobre o equilíbrio e a otimização da vida útil da bateria. Estes recursos são altamente recomendados para quem procura mais detalhes sobre o assunto. Kevin Scott e Sam Nork escreveram dois artigos sobre os tipos de equilíbrio celular: “Balanceamento Passivo de Células de Bateria” e “Balanceamento Ativo de Células de Bateria”. Para mais detalhes sobre a caracterização das células, consulte “Caracterizar uma Célula de Li+ para Utilização com um Medidor de Carga”

Em síntese
, a integração do BMS ADBMS6948 da ADI com uma BBU é de primordial importância. Um BMS oferece inúmeros benefícios que melhoram o desempenho, a segurança, a fiabilidade e a longevidade do sistema de baterias. Ao otimizar o desempenho da bateria, um bom BMS ajuda a maximizar a sua vida útil e capacidade, garantindo a utilização eficiente da sua capacidade de armazenamento de energia. Gere ativamente os processos de carga e descarga, prevenindo a sobrecarga, a descarga excessiva e o sobreaquecimento que podem danificar a bateria.
A segurança é um aspeto crítico, especialmente nos sistemas de baterias. Um sistema de gestão de baterias incorpora características de segurança e mecanismos de monitorização para prevenir a fuga térmica e minimizar os riscos potenciais. Protege contra sobrecorrente, sobretensão e condições anormais de temperatura, protegendo o sistema de baterias e o ambiente circundante. A eficiência energética é outra grande vantagem de um BMS. A otimização dos processos de carga e descarga minimiza as perdas de energia e melhora a eficiência global da BBU. Isto traduz-se em poupança de custos, menor impacto ambiental e maior aproveitamento dos recursos energéticos disponíveis.

O BMS também monitoriza e calcula com precisão o Estado de Carga (SOC) e o Estado de Saúde (SOH) da bateria. Esta informação é crucial para a gestão adequada do uso da bateria, o cálculo do tempo de funcionamento restante e o planeamento de manutenção ou substituição. A inclusão de um contador de Coulomb é importante para medições e controlo precisos. Esta informação é essencial para a gestão eficiente da bateria e para prolongar a sua vida útil em diversas aplicações, melhorando a fiabilidade do sistema e reduzindo a possibilidade de falhas inesperadas.
No geral, a inclusão do BMS ADBMS6948 da ADI na BBU desempenha um papel significativo para garantir o desempenho, a segurança e a fiabilidade ideais do data center. Fornece informações críticas que todo o utilizador precisa de saber para prolongar a sua operação.
A quarta parte desta série, "Backup de Bateria Inteligente para Sistema de Alimentação Ininterrupta - Parte 4: Como Funciona o Compartimento da BBU", analisará a forma como a ADI concebe e fornece uma interface gráfica do utilizador, permitindo ao utilizador comunicar e recolher dados dos seis módulos da BBU no Compartimento da BBU. Analisará também o funcionamento do MAX32625, que serve como o MCU dedicado para o Compartimento da BBU.
A primeira parte, já publicada, analisa as considerações de projeto elétrico e mecânico da BBU. A segunda parte, também publicada, aprofunda o software do microcontrolador principal.

Referências
1 David Sun. "Open Rack/SpecsAndDesigns". Open Compute Project.

Sobre o autor:
Christian Cruz é engenheiro de desenvolvimento de aplicações na Analog Devices Filipinas. É licenciado em engenharia eletrónica pela Universidade de Oriente, em Manila, Filipinas. Tem mais de 12 anos de experiência em engenharia de projetos analógicos e digitais, projetos de firmware e eletrónica de potência, incluindo o desenvolvimento de circuitos integrados para gestão de energia, bem como conversão de energia CA-CC e CC-CC. Ingressou na ADI em 2020 e atualmente suporta os requisitos de gestão de energia para aplicações de computação em nuvem e comunicação de sistemas.

Sobre o autor:
Marvin Neil Solis Cabueñas licenciou-se em Engenharia Eletrónica pela Universidade De La Salle, em Manila, Filipinas. Antes de se juntar à Analog Devices em 2021, Marvin trabalhou como Engenheiro de Sistemas na Azeus Systems Philippines, Inc. De 2014 a 2017, desempenhou funções de Engenheiro de Redes na Technistock Philippines, Inc., e de 2017 a 2020, como Engenheiro de Investigação e Desenvolvimento no Nokia Technology Center Filipinas. Tem mais de 10 anos de experiência em diversas áreas, incluindo programação de sistemas embebidos, processamento digital de sinal, modelação de simulação, entre outras. Atualmente trabalha como Engenheiro de Sistemas de Software Sénior em vários projetos de tecnologia relacionados com a energia. Está a frequentar o mestrado em Engenharia Elétrica na Universidade das Filipinas.