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Workshop IEE/USP - Inversores híbridos com Sistemas de Armazenamento de Energia - 19/11/15
Raul Fernando Beck
CPqD
BMS
(Battery Management Systems)
para baterias de alto desempenho
Visão de futuro no presente – Smart Grid
Controle
Dinâmico de
Sistemas
Equipamentos
(eletrodomésticos)
inteligentes Armazenamento
(Energia – geração distribuída)
VE ou VEHP
Edifício com
Entrada EMS
Gerenciamento
de Dados
Comunicações
Rede Elétrica
Operação
Distribuição
Medição
Avançada Interface
de Controle
Internet
Renováveis
Painéis
Fotovoltáicos
LiB comerciais para sistemas FV conectados à rede
Fonte: McKinsey Quarterly: Electrifying Cars: How three industries will evolve
Custo da LiB – grau automotivo
Produção 2014 de LiB para VE&H (MWh)
Fonte: EV Obsession
Produção mundial de LiB para VE&H em 2014 (Top 10): 6.861 MWh
Produção Japão & EUA Panasonic / Tesla (18650)
Operação da bateria de Lítio-íon
• Nos primeiros ciclos de carga/descarga ocorre uma decomposição do eletrólito resultando na formação de um filme protetor da placa negativa (SEI - Solid Electrolyte Interphase). Este filme protege a ocorrência da decomposição desta placa devido aos ciclos de carga/descarga.
• A ação do eletrólito na placa positiva é mais perigosa, desta forma a bateria tem que operar abaixo da tensão limite de oxidação do eletrólito.
• Em caso de sobrecarga, o eletrólito é oxidado provocando a aceleração de falha da bateria.
• A decomposição das placas positivas e negativas implica em consumo da massa ativa e do eletrólito, acompanhado de evolução de gases, provocando a diminuição da capacidade da bateria e riscos de segurança.
Células de lítio-íon
Células de lítio-íon - proteções
Enchimento
Cátodo
Separadores
Ânodo ‘Current breaker’
Válvula de segurança
Proteção nas células
Células de lítio-íon - proteções
Funcionamento normal
‘Current breaker’
Em operação
(sem escape de gases)
Válvula mecânica (12 bars)
• Permite a liberação da pressão interna
(p.ex. quando exposta ao fogo)
Válvula de segurança
Materiais utilizados no ânodo e cátodo
Limites operacionais
As células de lítio-íon necessitam
do controle eletrônico (BMS):
• Segurança
• Desempenho
Famílias de baterias de lítio-íon (LiB)
LMO - Lítio óxido de manganês
NCM - Lítio níquel-cobalto e manganês
BMS – Battery Management System
• Objetivo – segurança, desempenho e vida útil da bateria
Funcionalidades mínimas (em ordem de importância)
• Evitar que qualquer célula Li-íon exceda o limite da tensão de recarga ou de
descarga, interrompendo a corrente
• Evitar que qualquer célula Li-íon exceda o limite da temperatura de operação,
interrompendo a circulação de corrente ou ativando resfriamento
• Evitar que a corrente de recarga ou de descarga exceda os limites das células
(em função da tensão e temperatura das células), interrompendo ou reduzindo a
corrente
• Realizar o balanceamento de carga das células, na recarga e na descarga
BMS – Battery Management System
• Objetivo – segurança, desempenho e vida útil da bateria
Outras Funcionalidades
• Manter a bateria em condição de atender qualquer demanda (descarga/recarga...)
• Determinar e informar o Estado de Carga (SOC) da bateria a qualquer instante
• Determinar e informar o Estado de Saúde (SOH) da bateria a qualquer instante
• Manter histórico de operação da bateria
• Implementar algoritmos otimizados de recarga das células
• Implementar algoritmos de operação da bateria prevendo envelhecimento das
células
• Possibilitar a comunicação da bateria com o MCU (Master Control Unit)
IMPORTANTE: O BMS deve ser customizado e parametrizado conforme a eletroquímica da célula e as condições operacionais da bateria
BMS – Battery Management System
Sobrecarga
Sobredescarga
BMS – Battery Management System
Efeitos da tensão e temperatura
na capacidade e expectativa de
vida da bateria Li-íon
BMS – Balanceamento (recarga)
Recarregando
• Recarga interrompida quando uma célula atinge a tensão limite superior de carga (b)
• Recarga reinicia após a tensão da célula ser ligeiramente reduzida por balanceamento (c)
• O processo se repete até que todas as células estejam equalizadas (e) e (f)
BMS – Balanceamento (descarga)
Descarregando
• Descarga interrompida quando uma célula atinge a tensão limite inferior (c)
3.9V
4.2V
Recarga
4.0V
4.1V
Li-ion muito sensível
a excesso de recarga
Descarga excessiva
destroi a célula
Desempenho
Vida útil
Cálculo do SoC
3.0V
3.1V
Descarga
2.9V
2.8V
Operação
Balanceada
BMS – Battery Management System
• Balanceamento
Fonte: Infineon Technologies
BMS - Balanceamento de carga nas células
BMS – Battery Management System
CARACTERÍSTICAS
MÉTODO
PASSIVO
(Resistivo)
ATIVO
Capacitivo Indutivo
Balanceamento “Top” (Recarga) ok ok ok
Balanceamento “Botton” (Descarga) -- ok ok
Medição de Resistência Interna -- -- ok
Correntes típicas de balanceamento 300 mA 0,5 A - 1,5 A 2 A - 10 A
Balanceamento entre Módulos -- -- ok
Consumo de energia Médio Médio Baixo
• Balanceamento
BMS – Battery Management System
• Balanceamento Passivo resistivo
• perdas de energia
• corrente de balanceamento limitada
• Balanceamento Ativo capacitivo
• permite balanceamento “top” e “bottom”
• correntes médias - até 1,5A
• Balanceamento Ativo indutivo
• permite balanceamento “top” e “bottom”, e
entre módulos do pack
• correntes altas - até 10A
• custo elevado
• maior peso / volume
• Balanceamento Passivo resistivo
• perdas de energia
• corrente de balanceamento limitada
• Balanceamento Ativo capacitivo
• permite balanceamento “top” e “bottom”
• correntes médias - até 1,5A
• Balanceamento Ativo indutivo
• permite balanceamento “top” e “bottom”, e
entre módulos do pack
• correntes altas - até 10A
• custo elevado
• maior peso / volume
Balanceamento de células Li-ion
Charge
when first
Cell is full
Discharge
when first
Cell is empty
Nom
inal capacity
Usab
le c
ap
acit
y
Fonte: Infineon Technologies
BMS – Battery Management System
Infineon has developed CSC “Cell Supervision Circuit”
doing active cell balancing and monitoring.
The active cell balancing system is especially well suited
for high performance batteries e.g. Electric Vehicle
and P-HEV
CSC allows to use 15% more battery capacity
compared to passive balancing
CSC performs Top Balancing, Bottom Balancing and
Inter-Block Balancing
CSC balances up to 12 cells
One CSC is used per block
A battery has 10 – 20 Blocks
Infineon has developed CSC “Cell Supervision Circuit”
doing active cell balancing and monitoring.
The active cell balancing system is especially well suited
for high performance batteries e.g. Electric Vehicle
and P-HEV
CSC allows to use 15% more battery capacity
compared to passive balancing
CSC performs Top Balancing, Bottom Balancing and
Inter-Block Balancing
CSC balances up to 12 cells
One CSC is used per block
A battery has 10 – 20 Blocks
CSC: Cell Supervision Circuit
Block -
Block +
S2
SP1
Stack +
Stack -
SP2
Block -
Block +
S3
SP1
SP2
TOP Balancing Inter Block
• Balanceamento Ativo com transformador (Infineon)
BMS – Battery Management System
BMS - Balanceamento de carga nas células
Fonte: Infineon Technologies
Analog Devices AD7280
Atmel ATA6870; ATA6871
Elithion EL01; EL02
Infineon Technologies XC886CM / TC26x / TLE8000
Intersil SL9208; ISL9216/17; ISL94200/201
Freescale MC33771; MC33772
Linear Technology LTC6801; LTC6802
Maxim DS2726; MAX1894; MAX1924; MAX11068; MAX11080/81
O2Micro OZ890
Texas Instruments bq series bq20z90; bq29330; bq76PL102/536/537; bq77PL900; bq78PL114
BMS - Battery Management System
• CIs dedicados para BMS de baterias Li-ion de alta capacidade
BMS – Battery Management System
Infineon - Battery Block Prototypes
(with CSC 3rd Generation)
Individual Cell Supervising
Temperature Monitoring
Balancing of up to 12 Cells/Block
Communication to ECUs
BMS – Battery Management System
• Infineon - Battery Block Prototypes (with CSC 3rd Generation)
Fonte: Infineon Technologies
BMS – Battery Management System
• Arquitetura em Estrela (Master / Slaves)
Organizada em blocos (p.ex. Módulos de 16 x 3,2V = 51,2V)
Vantagens:
• Poucas PCBs
• Fácil implementação dos Slaves em
tensões elevadas
Desvantagens:
• Comunicação analógica entre os
módulos, sujeita a ruídos
• Fiação excessiva
• Necessita isolação óptica entre os
Slaves e o Master
BMS – Battery Management System
• Arquitetura em Anel (Daisy Chain)
Vantagens:
• Construção simples e robusta
• Pouca fiação
• Confiabilidade
Desvantagens:
• Grande quantidade de mini-PCBs
e conversores A/D (um por célula)
• Processador muito demandado
BMS – Topologias de balanceamento de carga
Baterias – Pack TESLA Model S
“Battery Pack”
Baterias - Pack
Custo da bateria Li-íon
Diagrama de interconexões simplificado de BESS Modular
XX OHM
XX OHM
XX OHM
PACK 2
PACK N
PACK 1 GRID INVERSOR
MCU IHM
VBUS
+600V
VBUS
0V
Pré-carga
•
•
•
Pré-carga
•
•
•
Pré-carga
XX OHM
PACK 3
Pré-carga
BYD ESS Demo2 – 240 kW, 4 horas de descarga
CPqD - Laboratório de Baterias Industriais
CPqD - Laboratório de Baterias Portáteis
