Este artigo explica a necessidade de um sistema de gestão de baterias num veículo elétrico, descreve uma arquitetura típica e investiga os principais componentes utilizados para detetar, monitorizar e gerir a saúde geral de um conjunto de baterias de um veículo elétrico.
Anatomia da bateria de um veículo elétrico.
A principal fonte de energia de um veículo elétrico é o conjunto de baterias (Figura 1). Normalmente, o conjunto é concebido para ficar por baixo do veículo, entre as rodas dianteiras e traseiras, ocupando o espaço reservado para o túnel de transmissão, o escape e o depósito de combustível num veículo com motor de combustão interna. Manter o conjunto o mais baixo possível reduz significativamente o centro de gravidade, um fator essencial para as características de condução do veículo em estradas pavimentadas.
Figura 1: Conjunto de baterias de um veículo elétrico (fonte: Nissan).
Para a próxima geração de veículos elétricos, um consórcio de fabricantes está a estudar o desenvolvimento de uma bateria intercambiável que possa ser adaptada a diferentes plataformas de veículos e rapidamente removida e substituída por uma unidade totalmente carregada. No entanto, as considerações logísticas e técnicas são dispendiosas e o progresso tem sido lento.
Uma bateria para um veículo elétrico é constituída por vários módulos, cada um contendo múltiplas baterias de lítio cilíndricas ou do tipo bolsa. As células estão dispostas numa combinação de configurações em série e em paralelo para fornecer uma potência de saída de 400 ou 800 V. Atualmente, as baterias de 800 V são as preferidas, principalmente porque permitem um ciclo de carga mais rápido com uma determinada corrente. Cada célula opera entre 2,5 e 4,2 V (dependendo da sua composição química), e o comportamento de cada célula influencia a eficácia e a eficiência global da bateria. Assim sendo, um pré-requisito é o controlo e a gestão das células com um sistema de gestão de baterias (BMS).
Critérios Essenciais para a Gestão da Saúde da Bateria:
As células de iões de lítio são reconhecidas pelas suas excelentes características de descarga, permitindo que os veículos elétricos acelerem como carros desportivos de alto desempenho. No entanto, estas impressionantes capacidades de descarga representam um risco significativo para a segurança em situações adversas. A elevada tensão de saída da bateria também representa um risco para o condutor, passageiros e qualquer outra pessoa envolvida num acidente. O cumprimento da legislação relevante sobre segurança automóvel funcional é crucial e constitui mais uma tarefa na lista de requisitos para o sistema de gestão de baterias (BMS). A Figura 2 ilustra os principais parâmetros de saúde da bateria que o BMS monitoriza e controla.
Figura 2: O BMS monitoriza a saúde do conjunto de baterias e controla o funcionamento do equilíbrio das células e das funções de segurança de emergência (fonte: Universidade de Warwick, Centro de Propulsão Avançada).
As principais métricas de um BMS são as seguintes:
- Estado de Carga Estimado (SOC): O SOC indica a energia restante num veículo elétrico num determinado momento e é normalmente expresso em percentagem da capacidade total. O SOC é uma métrica fundamental, pois informa o condutor sobre a quantidade de carga que resta e permite estimar a autonomia potencial do veículo. Vários sensores ligados ao BMS fornecem as informações necessárias aos algoritmos executados no microcontrolador do BMS para estimar o estado de carga.
- Estado de Saúde (SOH): O SOH, também especificado em percentagem, indica a saúde e a capacidade geral da bateria do veículo em comparação com a sua capacidade original quando nova. É uma medida da capacidade da bateria de armazenar e fornecer energia ao longo do tempo, tendo em conta o envelhecimento das células devido a ciclos repetidos de carga e descarga, bem como a alterações químicas dentro da célula.
- Estado de Funcionamento (SOF): O SOF tem em conta o Estado de Saúde, mas proporciona uma compreensão mais realista da capacidade da bateria para fornecer energia numa variedade de condições de funcionamento. Os fatores que influenciam o SOF incluem as resistências internas das células, o comportamento térmico da bateria e as tensões das células. O SOF ajuda a determinar como otimizar a célula e a bateria, e se é necessária manutenção ou substituição da bateria.
Uma técnica importante de otimização de baterias é o balanceamento de células. Devido à composição química das células, pequenas diferenças no seu desempenho e envelhecimento criam um desequilíbrio na tensão e capacidade de saída durante a descarga. O balanceamento de células baseia-se na equalização da carga em todas as células para otimizar o desempenho global e prolongar a vida útil da bateria. O controlo de tensão e corrente pelo Sistema de Gestão de Baterias (BMS) visa alcançar um Estado de Carga (SOC) uniforme e evitar a sobrecarga ou subcarga de células individuais.
Outras funções do BMS incluem a gestão térmica, a proteção contra sobrecorrente e características adicionais de segurança funcional (por exemplo, de acordo com a norma ISO 26262) e de integridade de segurança (por exemplo, de acordo com a norma ASIL-D).
Outro aspeto importante dos conjuntos de baterias de veículos elétricos é a gestão térmica. A monitorização da temperatura das células envolve cada vez mais a colocação de sensores em vários locais dentro da célula, em vez de simplesmente na caixa exterior ou num local central dentro de um módulo de células. Os pontos quentes localizados podem indicar uma falha iminente da célula que se pode espalhar para as células vizinhas, levando potencialmente a uma fuga térmica e a um incêndio. Em ambientes frios, o desempenho da bateria é comprometido, pelo que o BMS necessita de regular ativamente a carga para evitar danos permanentes nas células. Podem ser necessárias técnicas ativas de aquecimento e arrefecimento térmico para veículos elétricos concebidos para operação contínua em ambientes extremos.
Se uma célula não conseguir reter a carga ou apresentar um baixo desempenho, o BMS (Sistema de Gestão da Bateria) pode isolá-la para evitar danos maiores ou impacto no desempenho global do módulo e da bateria.
Arquitetura típica de um Sistema de Gestão de Baterias:
A Figura 3 ilustra a arquitetura de alto nível de um BMS para um veículo elétrico comum. As funções de hardware integradas dividem-se em quatro categorias: sensores, circuitos integrados de gestão de células e microcontroladores, redes de bordo e segurança e isolamento. Em termos de software, os algoritmos de gestão de baterias estimam um estado de carga realista.
Figura 3: Arquitetura de um sistema típico de gestão de baterias utilizado num veículo elétrico (fonte: Mouser Electronics).
Sensores (controlo de tensão e corrente): O método exato de controlo de tensão varia, mas o sistema com a lista de materiais mais eficiente utiliza apenas uma cadeia de sinal de sensor, que emprega um amplificador operacional e um conversor analógico-digital (ADC). Cada célula e módulo alimenta fios individuais de sensores de tensão, e um circuito multiplexador direciona o valor de entrada da célula para a cadeia de sinal. Um método semelhante é utilizado para a deteção de corrente, no qual é lida a queda de tensão medida num resistor shunt de valor extremamente baixo dentro do módulo da bateria. Este sistema, apresentado na Figura 3, executa a tarefa de controlo necessária sem adicionar complexidade ao circuito de cada célula e módulo.
Sensores (temperatura): Para aplicações de controlo de células, estão disponíveis termistores simples com sensores de temperatura de saída digital. Os termistores são uma opção económica e ocupam muito pouco espaço dentro de um módulo de bateria. Como referido anteriormente, a investigação sobre técnicas mais sofisticadas de controlo celular, utilizando múltiplos sensores de temperatura e de campo magnético posicionados no interior de cada célula, possibilita uma gestão mais detalhada das células.
Circuitos integrados (CIs) e microcontroladores para gestão de células: os CIs de gestão e controlo de células altamente integrados estão disponíveis para aplicações em veículos elétricos e oferecem uma alternativa económica e com um desempenho otimizado em comparação com os microcontroladores de uso geral. A maioria fornece todas as funções necessárias da cadeia de sinal analógico para monitorização de tensão, corrente e temperatura. Alguns estão também equipados com controladores de equilíbrio de células MOSFET para realizar o equilíbrio ativo das células durante o carregamento e a descarga. Outras características integradas incluem a conectividade de rede para interfaces Ethernet e CAN com outros sistemas do veículo. Os algoritmos de gestão da bateria proporcionam uma abordagem mais informada e adaptativa para otimizar o desempenho da bateria sob carga e em condições gerais de saúde.
Isolamento e segurança: As características de segurança variam desde a função "leva-me para casa", que proporciona uma capacidade limitada da bateria para o sistema de transmissão, até ao isolamento galvânico completo da bateria de todas as funções do veículo elétrico. Este último utiliza disjuntores pirotécnicos descartáveis que empregam uma pequena carga explosiva, denominada detonador, para interromper instantaneamente a saída de alta tensão da bateria. O detonador interrompe o circuito muito mais rapidamente do que o tempo de rutura típico de um fusível convencional.
Visor de Componentes BMS:
Um exemplo de um circuito integrado (CI) para controlo e equilíbrio de baterias multicélulas é o L9963E da STMicroelectronics. O CI L9963E, com certificação AEC-Q100 para o setor automóvel, pode monitorizar a tensão e a contagem de Coulomb de até 14 células de bateria empilhadas em série, sem dessincronização entre amostras. A Figura 4 mostra a arquitetura funcional principal do L9963E, que pode controlar até sete termistores NTC e comunica com o microcontrolador BMS host através de SPI ou de uma interface opticamente isolada.
Figura 4: Diagrama de blocos funcionais do circuito integrado (CI) L9963E da STMicro para monitorização e equilíbrio de baterias multicélulas, qualificado para uso automóvel (fonte: ST).
Até 31 dispositivos L9963E podem ser ligados em estrela para monitorizar 434 células ligadas em série. Um ADC de 16 bits oferece um erro máximo de ±2 mV em toda a gama de medição de 0,5 a 4,3 V. O L9963E também oferece uma função passiva de equilíbrio de células de 200 mA para descarga através de um caminho interno ou de uma corrente mais elevada através de MOSFETs ligados externamente.
Outro exemplo de um CI de controlo e equilíbrio de baterias automóveis (AEC-Q100, ISO26262 e ASIL-D) é o TLE9012DQU da Infineon Technologies (Figura 5).
Figura 5: O circuito integrado TLE9012DQU da Infineon fornece controlo multicanal e equilíbrio de baterias de iões de lítio (fonte: Infineon Technologies).
O TLE9012DQU pode monitorizar a tensão de 12 células de iões de lítio ligadas em série e possui um ADC sigma-delta independente de 16 bits para cada célula. O dispositivo integra também cinco canais de medição de temperatura para utilização com termistores NTC externos. O balanceamento passivo das células atinge até 200 mA por célula. Está disponível
Os componentes da série BQ769xc da Texas Instruments são também circuitos integrados de controlo de baterias automóveis. Concebida para utilização com células de iões de lítio e fosfato de lítio, a série BQ769x permite a ligação em série de até 16 células. O BQ769x incorpora um painel frontal totalmente analógico com um ADC de 14 bits.
O BMS: Vital para Otimizar o Desempenho da Bateria de Veículos Elétricos.
Os sistemas de gestão de baterias de veículos elétricos desempenham um papel essencial: monitorizam, controlam e otimizam o conjunto de baterias do veículo para alcançar o melhor equilíbrio entre a potência de saída e a autonomia, além de cumprirem uma função vital de segurança. Para mais informações sobre técnicas de gestão de baterias, os leitores podem considerar útil estewhite paper da Synopsys.
