BMS (Battery Management Systems) para baterias de alto desempenho

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Texto

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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

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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

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Fonte: McKinsey Quarterly: Electrifying Cars: How three industries will evolve

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Produção 2014 de LiB para VE&H (MWh)

Fonte: EV Obsession

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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.

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Células de lítio-íon - proteções

Enchimento

Cátodo Separadores

Ânodo ‘Current breaker’

Válvula de segurança Proteção nas células

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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)

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Limites operacionais

As células de lítio-íon necessitam do controle eletrônico (BMS):

• Segurança • Desempenho

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Famílias de baterias de lítio-íon (LiB)

LMO - Lítio óxido de manganês

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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

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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

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BMS – Battery Management System

Sobrecarga

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BMS – Battery Management System

Efeitos da tensão e temperatura

na capacidade e expectativa de

vida da bateria Li-íon

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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)

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BMS – Balanceamento (descarga)

Descarregando

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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

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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

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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 N om ina l c ap ac ity U sa bl e ca pac it y

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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

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BMS - Balanceamento de carga nas células

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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

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BMS – Battery Management System

Infineon - Battery Block Prototypes (with CSC 3rd Generation)

 Individual Cell Supervising

 Temperature Monitoring

 Balancing of up to 12 Cells/Block

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BMS – Battery Management System

• Infineon - Battery Block Prototypes (with CSC 3rd Generation)

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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

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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)

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Diagrama de interconexões simplificado de BESS Modular XX OHM XX OHM XX OHM PACK 2 PACK N

PACK 1 INVERSOR GRID

MCU IHM VBUS +600V VBUS 0V Pré-carga • • • Pré-carga • • • Pré-carga XX OHM PACK 3 Pré-carga

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Raul Beck

raul@cpqd.com.br (19) 3705-6421

Obrigado!

Imagem

Referências

  1. EV Obsession
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