Por que e como usar CIs de gerenciamento de baterias para células empilhadas

As baterias recarregáveis estão sendo cada vez mais usadas para fornecer tensões maiores e mais energia em aplicações como veículos elétricos (EVs) e veículos elétricos híbridos (HEVs), ferramentas elétricas, equipamentos para gramados e fontes de alimentação ininterrupta. Embora seja bem conhecido que os produtos químicos de todos os tipos precisam de monitoramento e gerenciamento cuidadoso para garantir uma operação eficaz, confiável e segura, as pilhas conectadas em série de muitas dezenas de células ou mais, que são necessárias para atender às demandas de energia desses dispositivos exigem mais atenção dos projetistas, particularmente à medida que o número de células por bateria aumenta.

Monitorar e medir uma única célula ou um pequeno conjunto de pacote de baterias com apenas algumas células é um desafio modesto e é muito mais simples do que fazer o mesmo para as células de uma cadeia em série de várias células. Os projetistas de implementações empilhadas e multicelulares precisam considerar questões como a realização de medições apesar da alta tensão do modo comum, presença de tensões perigosas, implicações de falha de uma única célula, multiplexação através de um grande número de células, descasamento e balanceamento de células, e diferenciais de temperatura da pilha, para citar apenas algumas. Estes exigem CIs de gerenciamento de baterias (BMICs) avançados e sistemas de gerenciamento de baterias (BMS) para realizar medições paramétricas e controle, e algum conhecimento de engenharia para utilizá-los corretamente.

Este artigo discute o básico e os desafios do gerenciamento de baterias em geral, e de baterias multicelulares em particular. Em seguida, apresenta e mostra como aplicar BMICs da Analog Devices, Renesas Electronics Corp. e Texas Instruments, que são projetados especificamente para as questões exclusivas de gerenciamento de cadeias de células conectadas em série.

As cadeias em série de baterias apresentam desafios únicos

O monitoramento típico da bateria envolve a medição do fluxo de corrente que entra e sai da bateria (medição de combustível), monitoramento da tensão do terminal, avaliação da capacidade da bateria, monitoramento da temperatura da célula e gerenciamento dos ciclos de carga/descarga para otimizar o armazenamento de energia e maximizar o número de tais ciclos ao longo da vida útil da bateria. BMIC ou BMS amplamente utilizados fornecem estas funções para pequenos pacotes de baterias que consistem de apenas uma ou duas células com tensões de um dígito. O BMIC ou BMS atua como um front-end de aquisição de dados, com seus dados reportados a um controlador de gerenciamento de células (CMC); em sistemas mais complexos, o CMC se conecta a uma função de ordem superior chamada controlador de gerenciamento de baterias (BMC).

Para os fins deste artigo, uma "célula" é uma unidade de armazenamento de energia individual, enquanto uma "bateria" é o pacote inteiro de energia, compreendendo várias células em uma combinação série/paralela. Enquanto uma célula individual produz apenas alguns volts, um pacote de baterias pode ser construído com dezenas ou mais células e fornecer muitas dezenas de volts, e as combinações de pacotes de baterias vão ainda mais alto.

Para um gerenciamento eficaz, os parâmetros críticos da célula a serem medidos são a tensão terminal, a corrente de carga/descarga e a temperatura. O desempenho de medição necessário para os pacotes de baterias modernos é bastante alto: cada célula deve ser medida dentro de alguns milivolts (mV) e miliamperes (mA), e até cerca de um grau centígrado (°C). As razões para um monitoramento tão próximo da célula incluem:

• Determinar o estado de carga (SOC) e o estado de saúde (SOH) do pacote de baterias, a fim de fornecer previsões precisas da capacidade restante do pacote de baterias (tempo de funcionamento) e da expectativa de vida útil geral.
• Fornecer os dados necessários para implementar o balanceamento de células, que iguala a tensão das células carregadas em relação umas às outras, apesar de suas diferenças internas, assim como diferentes locais, temperaturas e envelhecimento. A falha no balanceamento das células resulta na redução do desempenho do pacote de baterias na melhor das hipóteses, e na pior das hipóteses, na falha das células. O balanceamento pode ser realizado utilizando técnicas passivas ou ativas; esta última proporciona resultados um pouco melhores, mas é mais cara e complexa.
• Evitar muitas condições que podem danificar a bateria e levar a preocupações de segurança para o usuário (tais como um veículo e seus ocupantes). Isto inclui cenários indesejáveis, como por exemplo:
• Sobretensão ou carga em correntes excessivas, o que pode levar à fuga térmica.
• Subtensão: uma única descarga excessiva não causará uma falha catastrófica, mas pode começar a dissolver o condutor do ânodo. Ciclos repetitivos de descarga excessiva podem levar ao revestimento de lítio na célula de recarga e, novamente, a uma possível fuga térmica.
• A temperatura excessiva afeta o material eletrolítico da célula, reduzindo o SOC; isto também pode aumentar a formação da interfase sólida-eletrolítica (SEI), resultando em resistividade maior e não uniforme, além de perda de energia.
• Subtemperatura também é um problema, pois pode causar deposição de lítio, o que também resulta em perda de capacidade.
• Sobrecorrente e aquecimento interno resultante devido a impedância interna desigual e eventual fuga térmica; isto pode aumentar as camadas SEI na bateria e aumentar a resistividade.

Há aqui um enigma, pois, por exemplo, é bastante simples medir com precisão a tensão de uma célula individual na bancada de teste ou em outro ambiente benigno. Um projetista só precisa conectar um voltímetro digital com ponto flutuante (não aterrado) ou alimentado por bateria (DVM) através da célula de interesse (Figura 1).

Figura 1: Medir a tensão através de qualquer célula de uma cadeira em série é simples no conceito, exigindo apenas um voltímetro digital com ponto flutuante. (Fonte da imagem: Bill Schweber)

Entretanto, é muito mais difícil, por muitas razões, fazê-lo com confiança e segurança em uma situação elétrica e ambientalmente hostil, como em um EV ou HEV. Isto é esclarecido por um exemplo representativo do pacote de energia EV que compreende 6720 células de Li+, gerenciadas por oito módulos de controle (Figura 2).

Figura 2: Um pacote de baterias do mundo real é uma cascata de células conectadas em série e em paralelo em módulos, com uma quantidade significativa de energia armazenada; estes são fatores que complicam muito a tarefa de medir as tensões das células. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Cada célula tem uma capacidade de 3,54 ampere-hora (Ah), resultando em um armazenamento total de energia nominal de 100 quilowatt-hora (kWh) (3,54 Ah x 4,2 volts x 6720 células). Cada uma das 96 linhas ligadas em série é composta de 70 células em paralelo, para uma tensão de bateria de 403,2 volts (96 linhas × 4,2 volts), com uma capacidade de 248 Ah (100 kWh/403,2 volts ou 3,54 Ah × 70 colunas).

Entre as questões estão:

• É um desafio fornecer a resolução e precisão necessárias ao medir uma tensão baixa de um dígito para obter uma precisão significativa em vários milivolts devido à presença de uma alta tensão de modo comum (CMV), que pode sobrecarregar o sistema de medição ou afetar a validade da leitura. Esta CMV é a soma das tensões de todas as células conectadas em série, até a que está sendo medida, com respeito ao sistema comum (também chamado de "terra", embora esse seja um termo equivocado). Observe que em um EV, pode haver até 96 ou mesmo 128 células de bateria em série, produzindo um CMV nas centenas de volts.
• Devido ao alto CMV, é necessário isolar galvanicamente as células do resto do sistema, tanto para a integridade elétrica quanto para a segurança do usuário/sistema, já que nenhum deles deve ser potencialmente exposto ao CMV completo.
• O ruído elétrico e os surtos podem facilmente corromper a leitura da faixa de milivolts.
• As várias células devem ser medidas quase simultaneamente dentro de alguns milissegundos para criar um quadro geral preciso das células e do estado do pacote de baterias. Caso contrário, a distorção de tempo entre as medições das células pode resultar em conclusões e ações resultantes enganosas.
• O grande número de células significa que é necessário algum tipo de arranjo de multiplexação entre as células e o resto do subsistema de aquisição de dados ou então o tamanho, peso e custo da fiação de interconexão torna-se proibitivo.

Finalmente, há considerações significativas e obrigatórias relacionadas à segurança, redundância e comunicação de erros que devem ser satisfeitas. Os padrões diferem de indústria para indústria; as ferramentas industriais e elétricas são muito diferentes dos automóveis, e para estes últimos são mais rigorosas. Em sistemas automotivos de missão crítica, como aqueles relacionados ao gerenciamento de baterias, a perda de funcionalidade não deve levar a uma situação perigosa. No caso de um mau funcionamento dentro do sistema, o estado "seguro" exige que a eletrônica seja desligada e o motorista do veículo deve ser alertado através de uma luz do painel de instrumentos ou outro indicador.

Para alguns sistemas, entretanto, um mau funcionamento ou a perda de funcionalidade pode potencialmente levar a um evento perigoso e não pode simplesmente ser desligado, de modo que os objetivos de segurança podem incluir uma exigência definida de "disponibilidade relacionada à segurança". Nesses casos, a tolerância para alguns tipos de falhas no sistema pode ser necessária para evitar eventos perigosos.

Tal disponibilidade relacionada à segurança requer o fornecimento de funcionalidade básica ou um caminho de "saída" definido por um período de tempo especificado — apesar das condições de falha definidas — e o sistema de segurança deve tolerar uma falha por esse período de tempo. Esta tolerância a falhas permite que o sistema continue funcionando por mais tempo com um nível de segurança aceitável. As seções-chave da ISO 26262 "Segurança Funcional para Veículos Rodoviários" fornecem orientações para os desenvolvedores de sistemas com relação às exigências de disponibilidades relacionadas à segurança.

Os CIs se preparam para fornecer soluções

Os fornecedores desenvolveram CIs BMS que são projetados para resolver o problema da leitura de uma única célula em uma cadeira em série com precisão — apesar da alta CMV e do ambiente elétrico agressivo. Estes CIs não apenas fornecem as leituras básicas, mas também abordam questões técnicas de multiplexação, isolação e distorção de tempo. Eles atendem às normas de segurança relevantes e, se apropriado, são classificados para aprovação ASIL-D para aplicações automotivas, que é o nível mais alto e mais rigoroso.

O nível de integridade da segurança automotiva (ASIL) é um esquema de classificação de risco definido pela norma ISO 26262 – Segurança funcional para veículos rodoviários. Esta é uma adaptação do Nível de Integridade de Segurança (SIL) usado no IEC 61508 para a indústria automotiva.

Embora as funções generalizadas destes dispositivos BMS sejam similares, eles diferem até certo ponto em arquitetura, número de células que podem manipular, velocidade de varredura, resolução, características únicas e abordagem de interconexão:

•A arquitetura CAN isolada é baseada em uma configuração de estrela e é robusta, pois uma quebra no fio de comunicação na arquitetura CAN isolada perturba apenas um CI, enquanto o restante do pacote de baterias permanece seguro. Entretanto, a arquitetura CAN requer um microprocessador e CAN para cada CI, tornando esta abordagem mais cara, ao mesmo tempo em que proporciona velocidades de comunicação relativamente lentas.

•A arquitetura da ligação em cascata é geralmente mais econômica, pois sua cadeia universal assíncrona de receptores/transmissores (UART) pode proporcionar comunicação confiável e rápida sem a complexidade da CAN. Na maioria das vezes usa isolação capacitiva, mas também pode suportar isolação baseada em transformadores. No entanto, um rompimento do fio na arquitetura de ligação em cascata pode interromper a comunicação, de modo que alguns sistemas de ligação em cascata oferecem "soluções" e dão suporte a alguma operação durante o rompimento do fio.

Entre os CIs BMS representativos estão:

• MAX17843 BMS da Analog Devices: O MAX17843 é uma interface programável de aquisição de dados de 12 canais para monitoramento de bateria com amplas características de segurança (Figura 3). É otimizado para uso com baterias para sistemas automotivos, pacotes de baterias HEV, EVs, e qualquer sistema que empilhe longas cadeias em série de baterias secundárias de metal de até 48 volts.

Figura 3: O MAX17843 é uma interface de aquisição de dados de 12 canais para monitoramento de baterias que incorpora vários recursos de segurança, tornando-a adequada para aplicações e mandatos automotivos. (Fonte da imagem: Analog Devices)

O MAX17843 incorpora um barramento UART diferencial de alta velocidade para comunicação serial robusta com ligação em cascata, suportando até 32 CIs conectados em uma única ligação em cascata (Figura 4). O UART utiliza isolação capacitiva que não só reduz o custo da lista de materiais (BOM), como também melhora as taxas de falha no tempo (FIT).

Figura 4: O MAX17843 de 12 canais utiliza isolação galvânica capacitiva em sua configuração UART de ligação em cascata, suportando até 32 dispositivos em uma única cadeia. (Fonte da imagem: Analog Devices)

O front-end analógico combina um sistema de aquisição de dados de 12 canais para medida de tensão com uma entrada de banco de comutação de alta tensão. Todas as medições são feitas de forma diferente em cada célula. A faixa de medição da escala é de 0 a 5,0 volts, com uma faixa útil de 0,2 a 4,8 volts. Um conversor analógico-digital (ADC) de aproximação sucessiva de alta velocidade (SAR) é usado para digitalizar as tensões das células em resolução de 14 bits com sobreamostragem. Todas as doze células podem ser medidas em menos de 142 microssegundos (μs).

O MAX17843 utiliza uma abordagem de duas varreduras para coletar as medições das células e corrigi-las para erros, o que rende excelente precisão sobre a faixa de temperatura de operação. A exatidão da medição diferencial da célula é especificada em ±2 milivolts (mV) a +25 °C e 3,6 volts. Para facilitar o projeto com este CI, a Analog Devices oferece o kit de avaliação MAX17843EVKIT# com uma interface gráfica de usuário (GUI) baseada em PC para definições, configuração e avaliação.

• ISL78714ANZ-T da Renesas: O CI ISL78714 BMS de íon Li supervisiona até 14 células conectadas em série e fornece monitoramento preciso da tensão e temperatura das células, balanceamento de células e diagnóstico extensivo do sistema. Em uma configuração típica, um ISL78714 mestre se comunica com um microcontrolador host através de uma porta de interface periférica serial (SPI), e até 29 dispositivos ISL78714 adicionais conectados por uma ligação em cascata de dois fios robusta e proprietária (Figura 5). Este sistema de comunicação é altamente flexível e pode utilizar isolação de capacitores, isolação de transformadores ou uma combinação de ambos em até 1 megabits por segundo (Mbits/s).

Figura 5: O ISL78714 usa uma porta SPI para ligar vários dispositivos em cascata de dois fios que pode usar tanto a isolação capacitiva quanto a isolação baseada em transformador. (Fonte da imagem: Renesas Electronics Corp.)

A precisão da medição da tensão inicial é de ±2 mV com resolução de 14 bits em uma faixa de 1,65 a 4,28 volts de 20 °C a +85 °C; a precisão do dispositivo de montagem pós-placa é de ±2,5 mV em uma faixa de entrada de células de ±5,0 volts (a faixa de tensão negativa é frequentemente necessária para barramentos).

Este BMS inclui três modos de balanceamento de células: modo de balanceamento manual, modo de balanceamento cronometrado e modo de balanceamento automático. O modo de balanceamento automático termina o balanceamento após uma quantidade de carga especificada pelo host ter sido removida de cada célula. Entre os diagnósticos de sistema integrados para todas as funções-chave está um dispositivo watchdog de desligamento se a comunicação for perdida.

• BQ76PL455APFCR (e BQ79616PAPRQ1) da Texas Instruments: O bq76PL455A é um dispositivo integrado de monitoramento e proteção de baterias de 16 células, projetado para aplicações industriais de alta confiabilidade e alta tensão. A interface integrada de alta velocidade, diferencial, isolada por capacitor, suporta até dezesseis dispositivos bq76PL455A, comunicando-se com um host através de uma única interface UART de alta velocidade por meio de uma ligação em cascata com cabeamento de par trançado de até 1 Mbits/s (Figura 6).

Figura 6: O CI de gerenciamento de baterias bq76PL455A de 16 células é destinado a aplicações industriais, usando isolação capacitiva para conectar até 16 dispositivos com cabeamento de par trançado comunicando-se a até 1 Mbits/s através de um arranjo de ligação em cascata. (Fonte da imagem: Texas Instruments)

O ADC de 14 bits usa uma referência interna com todas as saídas de células convertidas em 2,4 milissegundos (ms). O bq76PL455A monitora e detecta várias condições diferentes de falha, incluindo sobretensão, subtensão, sobretemperatura e falhas de comunicação. Ele suporta o balanceamento passivo de células com n-FETs externos, bem como o balanceamento ativo através de acionadores de porta externos com matriz comutadora.

Este BMS manipula facilmente cadeias com menos do que o máximo de 16 células. A única restrição ao fazer isso é que as entradas devem ser utilizadas em ordem crescente, com todas as entradas não utilizadas conectadas juntas com a entrada para a entrada VSENSE_ mais alta utilizada. Por exemplo, em um projeto de 13 células, as entradas VSENSE14, VSENSE15 e VSENSE16 não são utilizadas (Figura 7).

Figura 7: O bq76PL455A pode ser usado com menos de 16 células; nestes casos, as entradas de células não utilizadas devem ser as mais altas da cadeia. (Fonte da imagem: Texas Instruments)

Outros CIs, como o Texas Instruments bq79616PAPRQ1, incluem suporte para configuração de anéis e comunicação bidirecional, permitindo que o sistema continue monitorando o estado de saúde e segurança do pacote de baterias (Figura 8).

Figura 8: O bq79616PAPRQ1 suporta uma topologia de anel bidirecional para um caminho de conectividade de ligação adicional em caso de rompimento do fio ou falha do nó. (Fonte da imagem: Texas Instruments)

Se houver uma falha, abertura ou curto-circuito entre dois ASICs de monitoramento de bateria nesta configuração, o processador de controle será capaz de continuar comunicando-se com todos os ASICs de monitoramento de bateria, alternando o sentido do envio de mensagens para trás e para frente. Assim, se a comunicação normal encontrar uma falha, o sistema pode manter a disponibilidade usando a tolerância a falhas do recurso de comunicação em anel, e fazê-lo sem perda de informações de tensão e temperatura dos módulos da bateria. Para os projetistas que procuram experimentar o bq79616PAPRQ1, a Texas Instruments fornece a placa de avaliação BQ79616EVM.

• LTC6813-1 da Analog Devices, Inc.: O LTC6813-1 é um monitor de bateria multicelular qualificado para automóveis que mede até 18 células de bateria conectadas em série, com um erro total de medição inferior a 2,2 mV através de seu ADC delta-sigma de 16 bits com filtro de ruído programável (Figura 9). Note que este é um número maior de células do que alguns dos outros CIs podem suportar diretamente. Todas as 18 células podem ser medidas em menos de 290 microssegundos (μs), e podem ser selecionadas menores taxas de aquisição de dados para maior redução de ruído.

Figura 9: O LTC6813-1 suporta o maior número de células (18) e usa um ADC de 16 bits para alcançar uma precisão de 2,2 mV e uma varredura de células de alta velocidade. (Fonte da imagem: Analog Devices, Inc.)

Vários dispositivos LTC6813-1 podem ser conectados em série, permitindo assim o monitoramento simultâneo de cadeias longas de baterias de alta tensão. O LTC6813-1 suporta dois tipos de portas seriais: um SPI padrão de quatro fios e uma interface isolada de dois fios (isoSPI). A porta não-isolada de quatro fios é adequada para ligações de menor distância e algumas aplicações não-automotivas (Figura 10).

Figura 10: O LTC6813-1 suporta uma interconexão SPI padrão de quatro fios para ligações de menor distância e algumas aplicações não-automotivas. (Fonte da imagem: Analog Devices, Inc.)

A porta de comunicação serial isolada de 1 Mbit/s usa um único par trançado para distâncias de até 100 metros (m) com baixa suscetibilidade e emissões de interferência eletromagnética (EMI), uma vez que a interface foi projetada para baixas taxas de erro de pacotes, mesmo quando o cabeamento está sujeito a campos intensos de RF. A capacidade bidirecional da ligação em cascata garante a integridade da comunicação mesmo em caso de falha, como um fio quebrado ao longo do caminho de comunicação.

Em seu modo de configuração de dois fios, a isolação é obtida através de um transformador externo, com sinais SPI padrão codificados em pulsos diferenciais. A força do pulso de transmissão e o nível limite do receptor são definidos por dois resistores externos, R_B1 e R_B2 (Figura 11). Os valores dos resistores são escolhidos pelo projetista para permitir um compromisso entre dissipação de energia e imunidade a ruídos.

Figura 11: O LTC6813-1 também oferece uma porta de comunicação serial de 2 fios a 1 Mbit/s, isolada por transformador, através de um único par trançado para distâncias de até 100 m, com baixas suscetibilidades e emissões EMI. (Fonte da imagem: Analog Devices, Inc.)

O LTC6813-1 pode ser alimentado diretamente da pilha de bateria que está monitorando ou de uma fonte isolada separada. Também inclui o balanceamento passivo para cada célula, junto com o controle individual do ciclo de trabalho usando a modulação por largura de pulso (PWM).

Conclusão

A medição precisa da tensão, corrente e temperatura de uma única célula ou de um pequeno pacote de baterias com apenas algumas poucas células é um desafio técnico modesto. Entretanto, medir com precisão esses mesmos parâmetros em células individuais em uma cadeia em série — e fazê-lo em ambientes automotivos e industriais severos com uma distorção insignificante de tempo entre células — é um desafio devido ao grande número de células, CMV elevado, ruído elétrico, mandatos regulatórios e outras questões.

Como mostrado, os projetistas podem recorrer a CIs especificamente projetados para estas aplicações. Eles dão suporte a isolação galvânica, precisão e tempo de varredura rápido necessários para resolver os problemas. Como resultado, eles fornecem resultados precisos e capacidade de ações que permitem decisões críticas e de alto nível no gerenciamento de baterias.