BMS (Battery Management Systems) para baterias de alto desempenho

Transcrição

1 BMS (Battery Management Systems) para baterias de alto desempenho Raul Fernando Beck CPqD Workshop IEE/USP - Inversores híbridos com Sistemas de Armazenamento de Energia - 19/11/15

2 Visão de futuro no presente Smart Grid Renováveis Comunicações Rede Elétrica Internet Edifício com Entrada EMS Painéis Fotovoltáicos Controle Dinâmico de Sistemas Operação Distribuição Medição Avançada VE ou VEHP Interface de Controle Gerenciamento de Dados Armazenamento (Energia geração distribuída) Equipamentos (eletrodomésticos) inteligentes

3 LiB comerciais para sistemas FV conectados à rede

4 Custo da LiB grau automotivo Fonte: McKinsey Quarterly: Electrifying Cars: How three industries will evolve

5 Produção 2014 de LiB para VE&H (MWh) Produção mundial de LiB para VE&H em 2014 (Top 10): MWh Fonte: EV Obsession

6 Produção Japão & EUA Panasonic / Tesla (18650)

7 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.

8 Células de lítio-íon

9 Células de lítio-íon - proteções Proteção nas células Enchimento Ânodo Separadores Current breaker Válvula de segurança Cátodo

10 Células de lítio-íon - proteções Current breaker Válvula de segurança Permite a liberação da pressão interna (p.ex. quando exposta ao fogo) Funcionamento normal Válvula mecânica (12 bars) Em operação (sem escape de gases)

11 Materiais utilizados no ânodo e cátodo

12 Limites operacionais As células de lítio-íon necessitam do controle eletrônico (BMS): Segurança Desempenho

13 Famílias de baterias de lítio-íon (LiB) LMO - Lítio óxido de manganês NCM - Lítio níquel-cobalto e manganês

14 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 Realizar o balanceamento de carga das células, na recarga e na descarga

15 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

16 BMS Battery Management System Sobrecarga Sobredescarga

17 BMS Battery Management System Efeitos da tensão e temperatura na capacidade e expectativa de vida da bateria Li-íon

18 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)

19 BMS Balanceamento (descarga) Descarregando Descarga interrompida quando uma célula atinge a tensão limite inferior (c)

20 BMS Battery Management System Balanceamento Li-ion muito sensível a excesso de recarga Recarga Descarga Operação Balanceada Descarga excessiva destroi a célula Desempenho 3.9V 3.0V Vida útil Cálculo do SoC 4.0V 2.9V 4.2V 3.1V 4.1V 2.8V Fonte: Infineon Technologies

21 BMS - Balanceamento de carga nas células

22 BMS Battery Management System Balanceamento MÉTODO CARACTERÍSTICAS PASSIVO (Resistivo) Capacitivo ATIVO 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

23 Nominal capacity Usable capacity BMS Battery Management System Balanceamento de células Li-ion Charge when first Cell is full Discharge 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 when first Cell is empty Fonte: Infineon Technologies

24 BMS Battery Management System Balanceamento Ativo com transformador (Infineon) TOP Balancing Inter Block Stack + CSC: Cell Supervision Circuit S P2 Block + Infineon has developed CSC Cell Supervision Circuit doing active cell balancing and monitoring. S 3 The active cell balancing system is especially well suited for high performance batteries e.g. Electric Vehicle and P-HEV S P1 Block - CSC allows to use 15% more battery capacity compared to passive balancing S P2 Block + CSC performs Top Balancing, Bottom Balancing and Inter-Block Balancing S 2 CSC balances up to 12 cells One CSC is used per block A battery has Blocks S P1 Block - Stack -

25 BMS Battery Management System

26 BMS - Balanceamento de carga nas células Fonte: Infineon Technologies

27 BMS - Battery Management System CIs dedicados para BMS de baterias Li-ion de alta capacidade Analog Devices Atmel Elithion AD7280 ATA6870; ATA6871 EL01; EL02 Infineon Technologies XC886CM / TC26x / TLE8000 Intersil Freescale Linear Technology Maxim O2Micro Texas Instruments SL9208; ISL9216/17; ISL94200/201 MC33771; MC33772 LTC6801; LTC6802 DS2726; MAX1894; MAX1924; MAX11068; MAX11080/81 OZ890 bq series bq20z90; bq29330; bq76pl102/536/537; bq77pl900; bq78pl114

28 BMS Battery Management System Infineon - Battery Block Prototypes (with CSC 3 rd Generation) Individual Cell Supervising Temperature Monitoring Balancing of up to 12 Cells/Block Communication to ECUs

29 BMS Battery Management System Infineon - Battery Block Prototypes (with CSC 3 rd Generation) Fonte: Infineon Technologies

30 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 Slaves e o Master

31 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) Processador muito demandado

32 BMS Topologias de balanceamento de carga

33 Baterias Pack TESLA Model S

34 Battery Pack

35 Baterias - Pack

36 Custo da bateria Li-íon

37 Diagrama de interconexões simplificado de BESS Modular Pré-carga XX OHM VBUS +600V PACK 1 INVERSOR GRID Pré-carga XX OHM PACK 2 Pré-carga XX OHM PACK 3 Pré-carga XX OHM PACK N VBUS 0V MCU IHM

38 BYD ESS Demo2 240 kw, 4 horas de descarga

39 CPqD - Laboratório de Baterias Industriais

40 CPqD - Laboratório de Baterias Portáteis

41 Obrigado! Raul Beck (19)