Um pack de bateria pode parecer normal por fora enquanto uma célula no seu interior já se aproxima de um problema. A tensão total do pack pode ainda parecer aceitável, mas uma célula pode estar mais próxima do seu limite superior de tensão ou a operar mais quente do que as células vizinhas. É a esse nível que um battery management system, ou BMS, se torna essencial. A sua função não é simplesmente ligar e desligar a bateria, e chamá-lo o “cérebro” de todo um sistema de armazenamento dá-lhe crédito a mais. Um BMS monitoriza a bateria de perto, estima estados da bateria que os sensores não conseguem reportar diretamente e comunica ou impõe os limites dentro dos quais a bateria deve funcionar.

Num sistema de armazenamento de alta tensão, essas tarefas podem ser distribuídas por vários componentes de hardware. O design de referência BESS 1500 V da NXP, por exemplo, usa unidades de monitorização de células para medir tensões de células individuais e temperaturas ambientais, enquanto a unidade de gestão da bateria processa dados e controla ações de nível superior. O mesmo design inclui também deteção ao nível do pack e interfaces de contactores. A razão para olhar abaixo do valor total do pack é simples: o pack é composto por muitas células, e uma célula que se aproxima de um limite elétrico ou térmico pode importar antes de a leitura geral do pack parecer invulgar. (nxp.com)

Das leituras das células aos limites de operação

O BMS faz mais do que recolher medições. Tensão, corrente e temperatura são entradas de sensores; state of charge e state of health são estados calculados ou estimados a partir das medições da bateria e dos algoritmos do BMS. A Infineon lista a estimativa SOC/SOH juntamente com deteção de falhas, balancing e comunicação como funções centrais do BMS para armazenamento de energia em baterias. Para um não especialista, a distinção útil é que um estado de bateria apresentado não é outro canal bruto de sensor. É a estimativa operacional do BMS sobre uma condição que não pode ser medida com um único sensor. (infineon.com)

Essas medições e estimativas tornam-se úteis quando o BMS as transforma em limites de operação. Uma bateria que está a aquecer ou a aproximar-se de um limite de tensão de célula nem sempre passa diretamente da operação normal para um encerramento completo. Em sistemas geridos, o BMS pode indicar ao equipamento ligado que reduza o que está a pedir à bateria. A Victron dá um exemplo concreto: um BMS inteligente CAN-bus pode enviar um limite de tensão de carga, um limite de corrente de carga e um limite de corrente de descarga ao controlador do sistema, que depois transmite essas restrições aos inversores/carregadores e carregadores ligados. Esses limites também podem mudar dinamicamente à medida que a tensão da célula, o state of charge ou a temperatura se alteram, pelo que a ligação entre BMS e controlador importa tanto durante a operação normal como durante uma falha. Se uma célula se aproxima de um limite superior durante o carregamento, reduzir a carga permitida pode manter a bateria afastada desse limite antes de uma desconexão rígida se tornar necessária. (victronenergy.com)

A proteção também pode tornar-se física. Em sistemas de baterias de alta tensão, os contactores ligam e desligam a bateria do circuito principal de potência. A unidade de gestão de bateria BESS da NXP inclui monitorização de interbloqueio e controlo de contactores, dando à arquitetura BMS uma forma de isolar a bateria quando a proteção exige mais do que um limite comunicado. Esta é uma ação diferente da regulação normal de potência: uma gere quão intensamente a bateria está a ser utilizada, enquanto a outra pode interromper totalmente a ligação elétrica. (nxp.com)

Porque uma célula pode limitar todo o pack

O balancing faz mais sentido quando o pack é visto célula a célula. As células no mesmo pack são semelhantes, mas pequenas diferenças de capacidade e condições térmicas podem levá-las a divergir ao longo do tempo. A Texas Instruments observa num artigo de design BESS que inconsistências entre células e diferentes condições de arrefecimento podem criar desequilíbrio, enquanto o desequilíbrio entre packs pode reduzir a energia máxima utilizável do ESS. Ao nível da célula, a consequência prática é que uma célula pode atingir um limite mais cedo do que as vizinhas, deixando parte da energia potencial do pack por utilizar, mesmo que outras células pudessem continuar. (ti.com)

Balancing é a função do BMS que tenta impedir que essas diferenças cresçam demasiado. Não torna todas as células idênticas e não consegue restaurar capacidade perdida numa célula envelhecida ou danificada. O que pode fazer é reduzir o desajuste para que uma célula tenha menor probabilidade de se tornar repetidamente o limitador precoce do pack. A orientação de balancing de células da Texas Instruments ilustra o mesmo princípio: quando o desequilíbrio é elevado, a célula de tensão mais alta pode terminar o carregamento cedo ou a célula de tensão mais baixa pode terminar a descarga cedo, deixando capacidade não utilizada noutras células. É por isso que balancing pertence junto da medição e proteção: o BMS não está apenas a observar o momento em que um limite é ultrapassado, mas também a gerir condições que afetam quão uniformemente as células se aproximam desse limite. (ti.com)

A comunicação completa o quadro. Um BMS pode expor estado da bateria, alarmes e limites de operação a equipamento externo, e o BESS BMU da NXP inclui interfaces Ethernet, CAN FD e RS485 para ligação a um energy management system. Mas o BMS não executa a conversão de potência AC/DC do PCS, nem precisa de tomar todas as decisões ao nível do local. Um controlador de nível superior pode decidir quando o sistema deve carregar ou descarregar; o BMS fornece a informação e os limites do lado da bateria que tornam essas decisões seguras para o pack. (nxp.com)

Uma forma útil de compreender um BMS é, portanto, seguir a cadeia da observação à ação. Ele observa células e condições do pack, transforma medições em estimativas de estado da bateria, compara essas condições com limites de operação, equilibra células que estão a divergir e comunica ou impõe restrições quando necessário. Não consegue impedir o envelhecimento das baterias, reparar uma célula fraca nem substituir os outros controladores de um sistema de armazenamento de energia. O que fornece é a fronteira operacional da bateria: a informação e a proteção que permitem ao resto do sistema usar o pack sem o tratar como uma simples caixa com tensão nos terminais. É uma descrição menos dramática do que “o cérebro”, mas está muito mais próxima do que um BMS realmente faz.