domingo, 1 de agosto de 2021

Subsistemas de Segurança de Baterias: Qual é a Diferença Entre um BMS e um PCM?

As vezes a gente trata tudo o que é relativo aos subsistemas de segurança da bateria como BMS (Battery Management System), mas de fato, de um modo geral, as placas de proteção de bateria (ainda) podem ser divididas em dois tipos. o PCM (módulo de circuito de proteção) e BMS (sistema de gerenciamento de bateria) e a diferença entre ambos pode ser bem sutil para alguns.

Todavia, o PCM é mais simples do que o BMS. Quando o pacote está totalmente carregado, o PCM pode garantir que a diferença de voltagem entre as N filas de células em paralelo no pacote todo seja menor do que o valor definido para atingir tensões equilibradas entre elas (ou seja, o PCM monitora o balanceamento do pacote) por meio de comparadores de tensão (analógico). 

Ao mesmo tempo, o PCM tem também a habilidade de detectar os limiares de sobretensão e de subtensão parciais de cada uma dessas filas e, por conseguinte, ditar esses mesmos limiares para o pacote como um todo, respectivamente para o processo de carregamento, e para o de descarga, além de agregar, ainda, a função de monitoramento de temperatura em ou mais pontos do pacote, evitando o superaquecimento das células do pacote de bateria e (as vezes) também de curto circuito para proteger e estender a vida útil da bateria. 

O monitoramento da temperatura da bateria é de vital importância em baterias de VEs, pois ela pode identificar falhas, tal como a que pode ocorrer principalmente quando a bateria se encontra carregada ao extremo (ver artigo Segurança da Bateria de Íon de Lítio, Ansiedade por Autonomia e Abusos Elétricos do SoC), e alertar, com antecedência, antes que a fuga térmica ocorra.

Quando um PCM passa a agregar em si também o monitoramento de sobrecorrente, ele começa a se tornar em um BMS, que além de ter a capacidade de oferecer proteção e recursos adicionais, BMS passa a ter a habilidade de, por si só, desconectar e reconectar o acesso aos terminais de energia da bateria (coisa que o PCM, por só só, não faz), além de poder ir á complexidade de fornecer monitoramento em tempo real da bateria e transmitir dados por meio de software, de modo que o BMS inclui um sistema de gerenciamento, um módulo de controle, (as vezes) um módulo de exibição, um módulo de comunicação (as vezes sem fio) e um módulo de coleta para coletar informações do pacote de bateria e outros. 

Além do mais, alguns BMS de eletropotáteis, tais como notebooks da HP e da Dell têm a habilidade de determinar a "morte da bateria", por monitorar e gravar em si mesmo informações de tempo de uso, quantidade de ciclos de carga/descarga, e de outras anomalias como a subtenção extrema, nas quais as células até poderiam ser recuperadas para uma sobrevida, mas, ele mesmo não pode mais operar, a não ser que seja recuperado com emprego de técnica de haqueamento complexa, que pode tornar o serviço de restauração inviável em termos de custo, a menos que haja escala para se justificar a obtenção do equipamento necessário.


Como PCM e BMS são aplicáveis a pacotes de baterias de capacidades tanto pequenas (como para os eletroportáteis) como grandes (para os VEs) definir uma fronteira exata onde termina o emprego do termo PCM e começa o do BMS pode ser algo nebuloso. A placa mostrada acima, por exemplo, é atribuída como uma PCM para bateria de arranjo 4S (quatro células em série ou quatro conjunto de células em paralelo, em série) de aplicação em eletroportáteis que, neste caso, abre mão do monitoramento de temperatura das células em favor de monitorar a sobrecorrente (incluindo curto circuito) de carga / descarga.

Este circuito de proteção é especialmente projetado para a bateria de íons de lítio de 14,8 V (nominal, com arranjo 4 S a 3,7V por célula ou conjunto de células em paralelo), com taxa de descarga de 10A. Ele fornece a função de monitoramento de equilíbrio (balanceamento), que é de vital importância principalmente após a bateria estar totalmente carregada. O PCM detectará a voltagem de cada célula (ou conjunto de células em paralelo) e reduzirá a voltagem mais alta até que outras células atinjam o mesmo nível de voltagem, o que ajuda as células de íons de lítio a terem uma vida útil mais longa.

Todavia, NÃO MONITORAR A TEMPERATUA é algo que não é nada recomendável para os grandes pacotes de baterias dos VEs (onde a temperatura também deve ser sempre monitorada e, dependendo do tamanho do pacote, até mesmo em múltiplos pontos). Mesmo dispositivos de mobilidade menores, como e-bikes, scooters, mopeds, patinetes, skates, etc, o monitoramento da temperatura das células do pacote é recomendado.

PCM vs BMS, um dilema para designers de produto. 

Muitos designers de produtos (bicicletas elétricas, veículos, baterias estacionárias em sistemas de GTD de energia, etc) hesitam entre um PCM (Módulo de Circuito de Proteção) e um BMS (Sistema de Gerenciamento de Bateria) para proteger a bateria de seus dispositivos. Então vamos fazer um resumo do foi explanado acima: 

O que é um PCM (Módulo de Circuito de Proteção)?

- Um PMC é um circuito de proteção autônomo;

- É puramente analógico, o que significa que não há software integrado;

- Não há possibilidade de ligar ou desligar a bateria;

- Não há possibilidade de obter uma atualização de status precisa sobre o nível de carga da bateria;

- Ele não pode dirigir uma unidade de carga ou uma unidade consumidora (motor elétrico, etc.).

- Um PCM as vezes não examina o nível de temperatura;

- Ele equaliza apenas de uma maneira muito básica os diferentes elementos de um aplicativo;

Geralmente é um produto de baixo custo.

O que é um BMS (Sistema de Gerenciamento de Bateria)?

- Um BMS é uma placa eletrônica muito mais avançada que uma PCM. Um BMS contém um microcontrolador com software inteligente integrado.

- Ele calcula e interpreta diferentes tipos de medições como o SOC (estado de carga) ou mesmo o SOH (estado de saúde).

- Ele oferece um nível de proteção diferente (por exemplo: ele pode distinguir entre um evento normal e um anormal com relação ao tempo).

- Ele contém um barramento de comunicação (I2C, CAN, MODBUS, ...), permitindo a transferência de informações.

- Tem a facilidade de ser dirigido por uma aplicação principal.

- Tem a capacidade de comunicar com outros BMS, para formar uma bateria de muito maior capacidade e para maiores tensões, pelo que se adapta melhor às diferentes necessidades.

- Ele pode entrar no modo de espera (Stand By) para otimizar o consumo de energia.

- Um BMS possui um algoritmo inteligente para equalizar os diferentes elementos de uma aplicação.

- Através de seu barramento de comunicação, um BMS pode orientar carregadores e / ou unidades consumidoras (geralmente um motor) para otimizar a utilização das baterias e o comportamento do sistema.

- Oferece a possibilidade de realizar um diagnóstico mais completo da bateria a qualquer momento.

- Ele pode manter o registro da vida útil da bateria (erros de contagem, contagem de uso e tempo de armazenamento)


 

Qual solução é melhor para o seu projeto?

Aplicações típicas que utilizam um PCM são os produtos de mais baixo custo como certas bicicletas eletricamente assistidas ou pequenas ferramentas elétricas (muito embora eu os tenha encontrado até motocicletas de porte médio, poucos anos atrás), alguns eletroportateis mais baratos, etc.

Aplicações típicas que utilizam um BMS: produtos avançados como eletropotáteis mais caros e sofisticados, robôs, drones, bicicletas elétricas, veículos elétricos em geral, etc.

O PCM (as vezes também chamado de PCB) só podem oferecer os níveis básicos de proteção e são mais baratos, enquanto o BMS inclui todas as funcionalidades de um PCM e mais (embora o preço também aumente junto). Portanto, se você está tentando decidir entre essas placas, realmente dependerá exatamente do mercado para o qual seu produto será direcionado. 

Mesmo que os PCMs possam ser suficientes para certos dispositivos pequenos, se de fato eles não medirem o nível de temperatura das células, isso pode levar a sérios problemas. Se um problema potencial não for identificado, ele pode levar ao mau funcionamento ou mesmo à explosão e incêndio de um dispositivo. O não levantamento do nível de temperatura, portanto, representa um sério problema de segurança.

Enquanto um BMS pode ser capaz de entrar no Modo Standby para não consumir energia, um PCM continua consumindo para poder funcionar, e até o próprio monitoramento de tensão que ele faz, que está ligado a todas as células (ou as filas de células associadas em paralelo) pode causar descarga completa, em longo prazo de armazenagem do produto, podendo não permitir ao sistema recarregar, ou mesmo pode destruir a bateria (ou parte dela) de forma irremediável (exigindo substituição de peças em produtos que estavam apenas parados).

Se ainda não for possível tomar uma decisão, sinta-se à vontade para entrar em contato conosco, e nós o ajudaremos. Num próximo artigo tentaremos entrar em mais detalhes de como o circuito de um BMS opera.

Veja Também:

Segurança da Baterias de Íon de Lítio, Ansiedade por Autonomia e Abusos Elétricos do SoC






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