Os veículos elétricos (EVs) estão se tornando as novas alternativas dos motores de combustão interna (ICs). Os EVs causam menos poluição ao ambiente, têm baixo custo operacional e proporcionam uma melhor experiência de direção. Até junho de 2024, mais de 8,32 lakh veículos elétricos foram vendidos na Índia somente este ano. Um Veículo Elétrico que possui uma bateria para alimentar seu motor de direção é composto por centenas e milhares de células com base no tamanho do veículo. Portanto, uma unidade de controle chamada Sistema de Gerenciamento de Bateria (BMS) é necessária para que essas células operem em regiões seguras.
O que é um Sistema de Gerenciamento de Bateria (BMS)?
O BMS é um circuito de controle eletrônico que monitora e regula o carregamento e o descarregamento da bateria de um veículo elétrico. O BMS é composto por sensores para medir a corrente, voltagem e temperatura da bateria. Os sensores podem ser instalados em células na arquitetura centralizada (apenas um BMS para todas as células) e na arquitetura distribuída (vários BMS necessários, pois é instalado diretamente no local das células).
Para mais detalhes: Sistema de Gerenciamento de Bateria (BMS) para Veículos Elétricos
Por que o Sistema de Gerenciamento de Bateria (BMS) é necessário?
O BMS no veículo elétrico é o cérebro do pacote de bateria. Ele recebe os dados de corrente, voltagem e temperatura dos sensores (placas escravas) localizados no local da célula para monitorar e controlar a área de operação segura da célula. O BMS é necessário pelos seguintes motivos:
Estimativas de Estado
Com base nos dados do sensor recebidos, o BMS estima os estados da bateria, como Estado de Carga (SOC), Estado de Saúde (SOH), Estado de Potência (SOP). Essas estimativas de estado são necessárias para obter informações sobre quanto de carga e potência disponíveis na bateria para uso. Existem muitos métodos para estimar esses estados, mas a Contagem de Coulomb com método de Voltagem (OCV) é o mais comumente usado pelos fabricantes de EV.
Balanceamento de Células
O BMS realiza o balanceamento de células, o que significa manter todas as células dentro de certos limites de voltagem e SOC. Assim, o balanceamento de células garante o uso ótimo do pacote de bateria. Pode ser balanceamento de células ativo e balanceamento de células passivo.
O balanceamento ativo de células é baseado em um indutor ou capacitor, onde a carga é transferida das células de alta carga para as de baixa carga. Portanto, não dissipa a carga elétrica como energia térmica, o que requer menos mecanismos de resfriamento. Mas o balanceamento ativo de células é complexo e custoso de ser implementado.
O balanceamento passivo de células utiliza um resistor para descarregar a energia das células mais carregadas para trazê-las de volta a outras células menos carregadas. Portanto, a energia é dissipada como calor, o que requer um mecanismo de resfriamento complexo. Mas esse método é menos complexo e fácil de implementar.
Gerenciamento Térmico
O calor é gerado no pacote de baterias de um EV devido à resistência interna e às reações químicas envolvidas dentro da célula. O calor gerado precisa ser removido da bateria para garantir a operação segura do EV e evitar a execução térmica e a rápida degradação do pacote de baterias.
A Gestão Térmica também pode ser feita de forma ativa e passiva. Os pacotes de baterias de íon-lítio funcionam de forma ideal na faixa de temperatura de 15°C a 35°C, portanto, o BMS inicia o mecanismo de gerenciamento térmico se a temperatura exceder esse limite. Geralmente é recomendado que o gerenciamento térmico não exceda 20% do peso do pacote de bateria inteiro.
Com base na química da célula e nas complexidades do pacode de baterias, os seguintes tipos de estratégias de resfriamento são utilizados no Sistema de Gerenciamento Térmico da Bateria (BTMS): baseado em ar, baseado em líquido, baseado em nanofluido, baseado em material de mudança de fase (PCM), baseado em termoeletricidade e BTMS híbrido que integra métodos passivos e ativos para melhorar o processo de transferência de calor dos sistemas passivos e permitir que seus processos de trabalho sejam controlados ativamente.
Detecção de Falhas e Proteção:
As baterias de EVs têm uma carga elétrica muito dinâmica (motor) conectada, o que aumenta a probabilidade de ocorrência de falhas, como sobrecorrente, descarga profunda, curto-circuito, desbalanceamento de células e assim por diante. Portanto, uma área de operação segura (SOA) é definida no BMS no nível da célula e da bateria para voltagem, corrente e temperatura. Se algum desses limites for violado, o BMS desliga o contato (chave) e assim desconecta o pacote de bateria do restante dos componentes eletrônicos. Dessa forma, o BMS protege o pacote de bateria e outros componentes eletrônicos conectados.
Comunicação:
O BMS geralmente precisa se comunicar com a Unidade de Controle do Veículo (VCU) para fornecer informações de status e receber instruções e parâmetros. Com base no status de carga da bateria, a VCU determina o desempenho do motor (torque) e outros acessórios, como multimídia, controle de temperatura da cabine. Geralmente, a interface da Rede de Área do Controlador (CAN) é usada para transmitir mensagens entre VCU e BMS.
Registros de Dados e Eventos:
O BMS também registra quaisquer incidentes, como supercarregamento, descarga profunda, falha no balanceamento, valores incorretos na estimativa de estado da bateria. Isso ajuda a desenvolver algoritmos adaptáveis mais robustos no futuro. Isso também ajuda na segurança da garantia e no desenvolvimento de novos modelos de negócios.
Requisitos de Hardware no BMS
Um pacote de baterias de veículo elétrico de milhares de células conectadas em configuração série-paralela com base na necessidade de corrente, voltagem e capacidade do pacote de baterias. Se as células estiverem conectadas em série, a voltagem é adicionada, enquanto se as células estiverem conectadas em paralelo, a corrente e a capacidade do pacote de baterias.
Para usar todas essas células de forma segura e otimizada, o BMS requer os seguintes componentes de hardware:
Sensores
O BMS usa sensor de corrente, sensor de voltagem, sensor de temperatura (termistor) e sensor de pressão (Sensor Piezorresistive). Esses sensores coletam os dados no nível da célula (dados do nível do pacote de baterias no caso do sensor de corrente) e os enviam para a placa escrava (front-end analógico, AFE).
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Normalmente, um sensor de voltagem é usado para cada bloco de células (células conectadas em paralelo, o número total depende do número total de células em paralelo).
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Apenas um sensor de corrente é usado para medir a corrente total do pacote de baterias, não usado no nível da célula.
- Números aleatórios de termistores são colocados no pacote de baterias em diferentes locais.
Contator (Relé)
O Contactor é um interruptor eletromecânico de alta corrente que controla o fluxo de corrente entre o pacote de baterias e o circuito externo (carga). Geralmente, três contatos de contator são usados no BMS, Contator de Carga Negativo, Contator de Carga Positivo e Contador de Pré-Carga. O contator de pré-carga protege a carga elétrica do alto pico de corrente.
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O Contator tem a capacidade de lidar com altas correntes.
- Elimina o problema de faísca durante a chave de ligar e desligar.
Dispositivo de Monitoramento de Isolamento (IMD)
O IMD monitora continuamente a resistência de isolamento entre os terminais de alta voltagem da bateria e o terra (chassi do VE). Ele injeta uma pequena corrente alternada segura no sistema e mede a queda de voltagem resultante. Com base nessa medição, o IMD calcula a resistência de isolamento. Se a resistência de isolamento cair abaixo de um limite seguro pré-determinado, o BMS aciona alarmes e toma medidas protetoras, como desconectar a bateria.
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Detecção precoce de falhas, melhorando a segurança.
- Verifica a corrente de fuga e reduz a perda de carga.
Fusíveis
No BMS, os fusíveis desempenham um papel crítico na proteção do sistema contra danos potenciais causados por condições de sobrecorrente. Um fusível é um dispositivo sacrificial que possui uma tira fina de metal que derrete e interrompe o circuito quando a corrente excede o limite seguro.
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O fusível é simples de usar e é custo-efetivo.
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Requer manutenção mínima.
- O fusível oferece proteção confiável contra sobrecorrente.
Interface de Comunicação
CAN (Controlador de Área de Rede) e SPI (Interface Periférica Serial) são protocolos de comunicação usados dentro do BMS. O CAN é um protocolo de comunicação robusto e multi-mestre que permite a troca de dados entre várias unidades de controle eletrônico (ECUs) dentro de um sistema, incluindo o BMS. Ele inclui Transceptor CAN e Barramento CAN (fio torcido).
O SPI é um protocolo de comunicação mais simples e de baixo custo usado tipicamente para comunicação em curta distância entre o microcontrolador BMS e as placas escravas. O SPI tem hardware para Interface SPI e Barramento SPI (quatro Fios).
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CAN oferece Transmissão de Dados Confiável.
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Mensagens baseadas em Prioridades e é robusto contra ruídos.
- SPI é econômico e a transmissão de mensagens é rápida.
Placa Mestre e Escrava
As placas mestre e escrava são placas de circuito impresso eletrônicas (PCBs). A placa mestre é composta por Microcontrolador, Memória, Circuitos de Alimentação, Circuito de Controle de Segurança, Interfaces de Entrada/Saída (I/O).
As placas escravas são PCBs geralmente mais simples em comparação com a placa mestre. Elas se concentram principalmente na aquisição de dados. Elas têm principalmente Circuitos de Detecção de Voltagem e Temperatura, Interface de Comunicação (SPI) e Circuitaria de Balanceamento de Células.
Funcionamento do Sistema de Gerenciamento de Bateria
A placa escrava do BMS coleta os dados da célula (voltagem, temperatura) usando os sensores. A placa escrava possui AFE que processa os dados recebidos para a placa mestre usando o canal de comunicação SPI. Se a voltagem e a temperatura das células estiverem na área de operação segura (SOA), os contatos são ligados e a corrente começa a fluir para o motor (carga) no caso de descarregamento ou para a bateria no caso de carregamento.
Durante o carregamento, a corrente flui para dentro do pacote de bateria para armazenar a carga enquanto a voltagem e temperaturas são monitoradas continuamente. Se houver mais desvio de voltagem (40mV) entre os blocos de células (células conectadas em paralelo), o balanceamento de células é iniciado. Além disso, se a célula esquentar durante o carregamento, o fluido refrigerante começa a fluir para extrair o calor. Durante o descarregamento, a corrente flui para fora do pacote de bateria para alimentar a carga elétrica conectada a ele. Presentemente, a maioria das empresas automobilísticas utiliza o balanceamento passivo de células para que o BMS não faça balanceamento de células, mas o gerenciamento térmico é feito se a temperatura da célula ultrapassar o limite pré-definido (35℃). Além disso, se a célula atingir a voltagem mínima de corte, o contato é desligado para evitar que a célula seja profundamente descarregada. Dessa forma, o BMS monitora, controla e diagnostica o pacote de baterias do VE.
