A segurança da bateria depende dos módulos de circuito dos sistemas de gestão

Introdução

Na sociedade moderna, as baterias tornaram-se a principal fonte de energia que alimenta vários dispositivos e sistemas, desde eletrônicos portáteis até veículos elétricos e soluções de armazenamento de energia em larga escala.No entantoPara garantir uma operação segura e fiável das baterias, maximizando o seu potencial, a utilização de baterias de alta eficiência e de alta eficiência é essencial.Os sistemas de gestão de baterias (BMS) e os módulos de circuito de protecção (PCM) surgiram como salvaguardas críticasEstes sistemas actuam como guardiões, monitorizando e protegendo continuamente as baterias para manter condições de funcionamento óptimas.

Capítulo 1: Tecnologia das baterias e desafios

1.1 Tipos e características das baterias

As baterias convertem energia química em energia elétrica e existem em vários tipos com base em seus eletrólitos:

• Baterias de chumbo-ácidoEficiente em termos de custos, mas com baixa densidade energética, grande dimensão, vida útil limitada e contém chumbo perigosos para o ambiente.
• Baterias de níquel-cádmio:Densidade energética superior à do chumbo-ácido com vida útil mais longa, mas contêm cádmio tóxico e sofrem de efeito de memória.
• Baterias de hidreto de níquel metálico:Melhoria da densidade energética sem efeito de memória e menor impacto ambiental, mas a um custo mais elevado.
• Baterias de iões de lítio:Alta densidade de energia, tamanho compacto, leveza, vida útil de ciclo longo e sem efeito de memória, atualmente o tipo de bateria mais utilizado.
• Baterias de poliéster de lítio:Variantes avançadas de íons de lítio com eletrólitos sólidos/gel que oferecem maior segurança e fatores de forma flexíveis, embora mais caros.

1.2 Problemas com a bateria

Apesar dos avanços tecnológicos, as baterias enfrentam desafios significativos:

• Riscos de segurança:Potencial de sobreaquecimento, curto-circuito ou explosão durante o carregamento/descarregamento, especialmente em baterias de alta densidade energética.
• Tempo de vida limitado:A degradação da capacidade através de ciclos de carga leva eventualmente à falha.
• Limitações de desempenho:A densidade de energia, a densidade de potência e as taxas de carga/descarga exigem melhorias para diversas aplicações.
• Custos elevados:Particularmente para as baterias de alta densidade energética, limitando a adoção em certos sectores.
• Impacto ambiental:A produção, o uso e o descarte podem causar poluição se não houver um controle adequado.

1.3 O papel crítico do BMS e do PCM

O BMS e o PCM abordam estes desafios:

• Melhorar a segurança através da monitorização em tempo real da tensão, corrente e temperatura
• Prolongar a vida útil através de estratégias de carregamento e de equilíbrio de células otimizadas
• Melhoria do desempenho através de um controlo preciso de carga/descarga
• Redução dos custos através da redução da frequência de substituição
• Proteção do ambiente através de melhores processos de reciclagem

Capítulo 2: Sistemas de gestão de baterias (BMS)

2.1 Definição e funções

O BMS é um sistema eletrônico avançado que monitora, controla e gerencia o funcionamento da bateria com estas funções principais:

• Monitorização da tensão/corrente/temperatura
• Estimativa do estado de carga (SOC) e do estado de saúde (SOH)
• Equilíbrio celular
• Proteção contra sobrevoltagem, subvoltagem, sobrecorrência e sobreaquecimento
• Comunicação e registo de dados

2.2 Arquitetura do sistema

Os componentes típicos do BMS incluem:

• Modulo de aquisição de dados front-end
• Módulo de controlo principal
• Modulo de equilíbrio
• Módulo de protecção
• Interface de comunicação

2.3 Tecnologias de equilíbrio

Dois métodos primários de equilíbrio:

• Equilíbrio passivo:Dissipa o excesso de energia através de resistores (eficaz em termos de custos, mas ineficiente)
• Equilíbrio ativo:Transfere energia entre células usando condensadores/indutores (mais eficiência, mas mais caro)

2.4 Métodos de estimativa do SOC

Técnicas-chave para o cálculo do Estado de Carga:

• Contagem de Coulomb (simples, mas propensa a erros)
• Estimativa baseada na tensão (afetada pela temperatura/resistência)
• Filtragem Kalman (precisa mas computacionalmente intensiva)

2.5 Métodos de estimativa da SOH

Os métodos de avaliação da saúde incluem:

• Medição da resistência interna
• Ensaios de capacidade
• Contagem de ciclos

2.6 BMS ativo: Melhoria do desempenho

Os sistemas BMS ativos oferecem funcionalidades plug-and-play com benefícios que incluem:

• Até 30% mais de duração da bateria
• Redução das despesas gerais de projeto
• Factores de forma compactos
• Carregamento mais rápido
• Melhoria da fiabilidade e segurança

Esses sistemas apresentam altas correntes de equilíbrio (25x sistemas tradicionais) e arquitetura modular para configurações de voltagem flexíveis.

2.7 BMS passivo: alternativa rentável

Os sistemas passivos utilizam equilíbrio resistivo:

• Menor custo com eletrônicos mais simples
• Capacidade de equilíbrio limitada
• Requer uma gestão térmica adequada

Capítulo 3: Módulos de circuito de protecção (PCM)

3.1 Definição e funções

O PCM fornece proteção básica da bateria sem recursos avançados do BMS, como equilíbrio ou comunicação.

3.2 Características de protecção do núcleo

• Limites de sobrevoltagem/baixa tensão
• Protecção contra sobrecorrência
• Proteção térmica

3.3 Arquitetura do sistema

Os componentes PCM típicos incluem:

• Circuitos de detecção de tensão/corrente/temperatura
• Lógica de controlo de protecção
• Elementos de comutação MOSFET

Capítulo 4: Comparação entre BMS e PCM

4.1 Diferenças funcionais

O BMS oferece uma gestão abrangente, enquanto o PCM concentra-se na proteção básica.

4.2 Cenários de aplicação

O BMS é adequado para aplicações de alto desempenho (VE, armazenamento em rede), enquanto o PCM serve a eletrônica de consumo.

4.3 Relação

O BMS incorpora a funcionalidade PCM, baseando-se na sua base de proteção.

Capítulo 5: Áreas de aplicação

5.1 Veículos elétricos

O BMS garante a segurança, prolonga a vida útil e otimiza o desempenho dos veículos elétricos.

5.2 Sistemas de armazenamento de energia

O BMS aumenta a eficiência e permite a integração de redes inteligentes.

5.3 Eletrónica portátil

O PCM proporciona uma protecção essencial aos dispositivos de consumo.

Capítulo 6: Tendências futuras

• Melhoria da precisão e da fiabilidade
• Funções inteligentes avançadas (auto-aprendizagem, manutenção preditiva)
• Redução dos custos e do consumo de energia
• Maior densidade de integração

Capítulo 7: Conclusão

O BMS e o PCM são fundamentais para uma operação segura e eficiente das baterias em todas as indústrias.Apoio a soluções energéticas sustentáveis.