Isto pode ser conseguido utilizando sistemas de armazenamento de energia em baterias (BESS) ligados à rede elétrica. Este artigo analisa as soluções de controladores de gestão de baterias e a sua eficácia tanto no desenvolvimento como na implementação de sistemas de armazenamento de energia.

Desafios das Baterias de Iões-Lítio:
É necessário um sistema de gestão de baterias (BMS) para a utilização de células de iões-lítio. O BMS é essencial porque as células de iões-lítio podem ser perigosas. Se sobrecarregadas, podem sobreaquecer e explodir. Se forem descarregadas em excesso, ocorrem reações químicas no interior da célula que afetam permanentemente a sua capacidade de reter carga. Ambos os cenários resultam na perda perigosa e dispendiosa das células da bateria. Além disso, é necessário um BMS porque as células de iões-lítio são frequentemente empilhadas para formar um conjunto de baterias. O carregamento das células empilhadas é geralmente feito em série, aplicando uma fonte de corrente constante em paralelo com a pilha. No entanto, isto apresenta o desafio do balanceamento, que é o ato de manter todas as células no mesmo estado de carga (SOC). Como podemos carregar ou descarregar completamente todas as células sem sobrecarregar ou descarregar em excesso qualquer célula individual no conjunto de baterias? O equilíbrio é um dos muitos benefícios críticos de um bom BMS. As principais funções de um BMS incluem:
- Monitorizar os parâmetros da célula, como a tensão, a temperatura e a corrente de entrada e saída.
- Cálculo do Estado de Carga (SOC) através da medição dos parâmetros acima referidos, bem como da corrente de carga e descarga em ampere-segundos (As) com recurso a um contador de Coulomb.
- Balanceamento passivo das células para garantir que todas estão no mesmo SOC.

A Analog Devices oferece uma vasta gama de (ADBMSxxxx). O ADBMS 1818 , por exemplo, é ideal para aplicações industriais e de armazenamento de energia em baterias (BESS) e pode medir uma pilha de baterias de 18 células. É necessário um microcontrolador para operar qualquer circuito integrado ADBMS. A unidade de microcontrolador (MCU) comunica com o BMS, recebe os dados de medição e realiza cálculos para determinar o Estado de Carga (SOC) e outros parâmetros. Embora a maioria dos microcontroladores possa comunicar com um BMS, nem todos são adequados. Um microcontrolador com elevada capacidade de processamento é preferível. Os dados devolvidos pelo BMS podem ser volumosos, especialmente quando se trata de uma grande pilha de células (algumas pilhas podem atingir 1500 V e consistir em até 32 ADBMS1818 ligados em série). Neste caso, o microcontrolador deve ter largura de banda suficiente para comunicar com os vários circuitos integrados BMS do sistema enquanto processa os resultados. Como parte da solução da plataforma BMS, o microcontrolador MAX32626 possui duas fontes de alimentação geridas por um controlador PowerPath™. O controlador PowerPath prioriza a fonte de alimentação com base nas exigências de energia da placa (periféricos ligados, carga de processamento, etc.).
soluções de sistemas de gestão de baterias (BMS)
A maioria dos circuitos integrados de monitorização da ADI possui uma arquitetura empilhável para sistemas de alta tensão, o que significa que vários front-ends analógicos (AFEs) podem ser ligados em cadeia. Assim sendo, uma das principais características da placa controladora BMS, denominada Unidade Controladora de Armazenamento de Energia (ESCU), é a sua capacidade de operar vários AFE simultaneamente.

A Figura 1 ilustra um diagrama de blocos típico de um BMS, em que a ESCU está destacada a azul. Embora a ESCU não esteja otimizada para aplicações de segurança funcional, o utilizador pode implementar circuitos de proteção e/ou redundâncias para satisfazer determinados requisitos de Nível de Integridade de Segurança (SIL).

Figura 1. Diagrama de blocos simplificado de um BMS compatível com as soluções ADI BMS.

Informação sobre o hardware
e software da placa controladora BMS:
O ESCU da ADI interage com diversos dispositivos BMS (AFE, medidor de combustível, transceptor isoSPI). Os principais componentes e especificações de hardware da placa controladora BMS incluem:
- MCU integrado: O Arm® Cortex®-M4 MAX32626 é ideal para aplicações de armazenamento de energia. Opera com baixo consumo de energia e destaca-se pela sua velocidade, apresentando um oscilador interno que opera a frequências até 96 MHz. No modo de baixo consumo, pode operar a velocidades tão baixas como 4 MHz para poupar energia. Possui excelentes capacidades de gestão de energia, incluindo uma corrente de 600 nA no modo de baixo consumo e um relógio de tempo real (RTC) ativado. O MAX32626 suporta também uma vasta gama de periféricos, incluindo SPI, UART, I2C, interface 1-Wire®, USB 2.0, motores PWM, um ADC de 10 bits e muitos outros. Este microcontrolador incorpora uma Unidade de Proteção Fiável (TPU) com características de segurança avançadas.
- Interfaces: A ESCU alberga múltiplas interfaces:
■ SPI, I2C e CAN.
■ isoSPI para uma transferência de dados robusta e segura através de uma barreira de alta tensão.
■ USB-C para alimentação da placa e gravação do microcontrolador.
■ JTAG para programação e depuração do microcontrolador.
■ Conector Arduino (permitindo uma maior flexibilidade na adição de placas compatíveis com Arduino, como um shield Ethernet, placas de sensores ou até mesmo um shield Proto).
- Transceptores isoSPI: Contém dois transceptores LTC 6820 para realizar a comunicação isoSPI com circuitos integrados BMS em cadeia, utilizando um único transformador. Isto garante que esta placa está completamente isolada dos circuitos integrados BMS ligados a redes maiores
. A presença de um transceptor isoSPI duplo proporciona uma comunicação isolada redundante e reversível, onde o microcontrolador host alterna as portas de comunicação para monitorizar a integridade do sinal (um desenvolvimento futuro desta placa incluirá o ADBMS6822 (transceptor isoSPI duplo) para taxas de dados mais elevadas e suporte da função de Monitorização de Célula de Baixa Potência (LPCM) que se encontra nos mais recentes circuitos integrados BMS da ADI).
- Gestão de Energia:
■ A alimentação pode ser fornecida através de um conector CC ou de uma ligação USB ao PC através de uma interface USB 2.0 (está disponível um conector USB-C).
■ Um circuito de priorização, utilizando o LTC4415 , gere e seleciona a fonte de alimentação. Escolhe entre o conector CC ou a entrada USB-C com base na carga do controlador e dos periféricos. Por exemplo, se um shield Arduino estiver ligado e em funcionamento, o consumo de energia da placa aumentará para além do que o USB-C pode fornecer. A arquitetura ideal de díodo-OR do LTC4415 irá então mudar para selecionar o conector CC como fonte de alimentação.
■ A cadeia de alimentação fornece diferentes tensões (3,3 V, 2,5 V e 5 V), que podem ser configuradas através de jumpers.
- Segurança e proteção: O MAX32626 gere um driver de gate isolado integrado, o ADuM4120, que controla um MOSFET de canal N ligado a um contactor externo (localizado na placa da bateria, por exemplo). Este tem uma função de proteção, uma vez que o MCU liga e desliga o MOSFET através do ADuM4120 para abrir os contactores e desligar as baterias em caso de emergência ou falha.
A Figura 2 ilustra um diagrama de blocos de alto nível com destaque para os principais elementos da ESCU.

Figura 2. Diagrama de blocos detalhado do hardware da ESCU.

A placa de circuito impresso (PCB) tem dimensões reduzidas de 10 cm × 9 cm. As principais interfaces são apresentadas na Figura 3.

Figura 3. A parte superior da ESCU.

Informação sobre o software:
Relativamente ao software, a ADI oferece uma solução completa que inclui uma interface gráfica de utilizador (GUI) de código aberto para comunicação com a placa controladora. A GUI suporta até três dispositivos ADBMS ligados em cadeia.
A GUI comunica com o MCU através de um protocolo de comunicação de código aberto, bem definido e facilmente extensível. Este protocolo define as mensagens enviadas para o MCU através da porta série. Estas mensagens são protegidas por verificações de redundância cíclica (CRC) para permitir a deteção de erros. Estas mensagens permitem ao utilizador ligar-se e desligar-se do MCU de forma ordenada, definir parâmetros do sistema, realizar medições, ativar e verificar falhas e escrever os comandos necessários para o ADBMS. O código da aplicação MCU utiliza threads RTOS livres para realizar operações paralelas. Isto é útil porque um thread de medição pode ser executado em paralelo com um thread de verificação de falhas, permitindo a implementação de um intervalo de tempo de falha.
Uma interface de software é fornecida com a placa controladora BMS e está escrita em Python. As principais secções do utilizador são as seguintes:
1. Separador Sistema: Esta é a página principal da aplicação (Figura 4). Permite ao utilizador estabelecer comunicação série com o PC, selecionar o número de placas AFE ligadas e determinar o intervalo de medição e os limites a utilizar para verificações de sobretensão e subtensão. Após clicar em "Ligar", o utilizador está pronto para iniciar as medições. Se ambas as luzes de estado do sistema acenderem a verde (como na Figura 4), serão apresentadas guias de medição, dependendo do número de placas ligadas pelo utilizador.

Figura 4. Separador Sistema da aplicação do utilizador.

2. Os separadores do BMS, conforme ilustrado na Figura 5, exibem as medições processadas pela ESCU para cada AFE ligado. As patilhas do BMS contêm leituras de tensão das células e dos GPIOs, o estado da placa AFE e falhas. A medição da tensão da célula é também representada graficamente e traçada em tempo real.

Figura 5. Separadores de medição do BMS.

3.º Separador Referência: A interface gráfica do utilizador inclui um separador de referência que apresenta um diagrama de blocos de alto nível
da placa e os esquemas elétricos.
Os esquemas elétricos e os ficheiros Gerber, juntamente com o firmware de avaliação, a interface gráfica do utilizador e o guia do utilizador, são de código aberto e fornecidos pela ADI.

Conclusão:
No mercado energético em rápida evolução, existe uma necessidade premente de sistemas de armazenamento de energia em baterias (BESS). Existe uma procura urgente por uma solução completa e pronta para implementação. É também necessário apoio para acelerar o lançamento no mercado e evitar atrasos imprevistos. A ADI está pronta para satisfazer plenamente esta procura com a sua ESCU. Esta placa fornece as principais características necessárias para o BESS e oferece uma base abrangente com a flexibilidade para o desenvolvimento futuro.
Com a solução de controlador BMS da ADI, os utilizadores poderão:
- Avaliar vários AFEs em simultâneo, uma vez que esta solução foi concebida para arquiteturas empilháveis ​​e escaláveis. Não é necessária nenhuma placa transceptora isoSPI adicional.
- Depurar o sistema BMS sem problemas graças ao JTAG integrado, LEDs de estado e vários conectores e interfaces.
- Reduzir o tempo de lançamento no mercado aproveitando o hardware e o software de código aberto.
A placa controladora BMS da ADI está equipada com as principais características necessárias para o BESS e fornece a base flexível necessária para o desenvolvimento futuro.

Referências
«Soluções de armazenamento de energia com baterias de iões de lítio». Analog Devices, Inc., 2022. «Soluções de armazenamento de energia». Analog Devices, Inc.
Amina Bahri. «AN-2093: Solução de módulo escravo ADBMS1818». Analog Devices, Inc., 2021.

Sobre os autores:
Paulo Roque é engenheiro de aplicações de sistemas no Grupo de Sistemas de Armazenamento de Energia, sediado em Limerick, Irlanda. Trabalha na Analog Devices desde 2013, tendo desempenhado diversas funções e em diferentes produtos, mais recentemente na área da magnetização. Paulo é licenciado em robótica pela Universidade de Limerick.
Amina Joerg é engenheira de aplicações de campo na equipa industrial, com sede na Alemanha. Trabalha na Analog Devices desde 2018, tendo desempenhado diversas funções, mais recentemente no Grupo de Energia como engenheira de aplicações de sistemas. Amina é mestre em engenharia elétrica.

Autores:

Amina Joerg, engenheira de aplicações de campo, e Paulo Roque, engenheiro de aplicações de sistemas da ADI