Se você conhece baterias de lítio, sabe que elas são feitas de células. Esse conceito não é muito diferente das baterias de chumbo-ácido seladas (SLA), que também são feitas de células. Ambos os tipos de baterias exigem balanceamento de células, mas o que exatamente é balanceamento de células? Como isso acontece e como afeta o desempenho?
Antes de mergulharmos no balanceamento de células de fosfato de ferro-lítio, vamos revisar rapidamente a estrutura de uma bateria. Diferentes aplicações exigem diferentes especificações de voltagem e ampère-hora, então as baterias vêm em versões de célula única e multicélula. Por exemplo, uma bateria de 12.8 volts compreende quatro células LiFePO4, cada uma com 3.2 volts. Por outro lado, uma bateria de chumbo-ácido de 12 volts consiste em seis células de chumbo-ácido de 2 volts.
É fundamental garantir que todas as células LiFePO4 sejam compatíveis em termos de capacidade, voltagem e resistência interna antes de serem montadas e que sejam balanceadas após a produção.
O que é balanceamento de bateria?
O balanceamento de bateria é o processo de combinar células por capacidade e voltagem, e controlar sua voltagem por meio do ciclo das células para manter o equilíbrio ou voltagens quase idênticas em todos os estados de carga (SOC). É importante observar que o balanceamento da bateria ocorre antes e depois que a bateria é montada e deve continuar durante toda a sua vida útil para manter o desempenho ideal. Esse conceito é semelhante à manutenção do equilíbrio ao conectar células individuais em série.
Balanceamento de células de fosfato de ferro e lítio
Os pacotes de bateria LiFePO4 (ou qualquer pacote de bateria de lítio) são equipados com uma placa de circuito com um circuito de balanceamento, módulo de circuito de proteção (PCM) ou placa de circuito do sistema de gerenciamento de bateria (BMS) que monitora a bateria e suas células. Em baterias com circuitos de balanceamento, os circuitos equilibram a voltagem das células individuais conforme as células se aproximam de 100% — o padrão da indústria para fosfato de ferro-lítio é equilibrar a voltagem da célula acima de 3.6 volts. Em um PCM ou BMS, o hardware geralmente mantém o balanceamento com recursos adicionais de proteção ou gerenciamento além do circuito de balanceamento, como limitação de corrente de carga/descarga.
Os pacotes de baterias SLA não são monitorados como baterias de lítio e, portanto, não são balanceados da mesma forma. As baterias SLA são balanceadas carregando-as em uma voltagem um pouco mais alta do que o normal. Como não há monitoramento interno, ele deve ser monitorado externamente por meio de um hidrômetro para evitar fuga térmica. Isso não é automático, mas geralmente faz parte da manutenção de rotina.
Equilíbrio celular ativo vs. passivo
O balanceamento passivo de células descarrega corrente em uma célula por meio de um resistor. Quando uma célula está "cheia", o resistor converte energia em calor, o que reduz a corrente para células cheias até que todas as células estejam balanceadas.
O balanceamento ativo de células primeiro direciona a corrente para a célula menos carregada e usa a célula “cheia” para carregar a célula “baixa”. Durante esse processo, a corrente será focada em preencher as células menos carregadas até que elas sejam iguais às outras células. Uma vez equalizada, a corrente é distribuída igualmente até que todas as células estejam totalmente carregadas e iguais.
O balanceamento ativo e passivo realizam a mesma coisa, mas o balanceamento ativo é mais rápido e eficiente.
Por que é importante balancear as células da bateria de fosfato de ferro-lítio?
Em baterias de fosfato de ferro-lítio, quando a célula com a menor voltagem atinge o ponto de corte de descarga, o desempenho e a vida útil da célula são afetados. Portanto, manter o balanceamento das células é crucial para otimizar o funcionamento e prolongar a vida útil. Para uma análise detalhada dos diferentes tipos de baterias de lítio, consulte nosso guia completo sobre baterias AGM para desempenho ideal.
Quando comandado pelo Battery Management System (BMS) ou Protection Circuit Module (PCM), a bateria inteira é desligada. Se as células estiverem desbalanceadas durante a descarga, isso pode significar que algumas células ainda têm energia não utilizada, ou seja, elas não estão realmente "esgotadas". Da mesma forma, suponha que o conjunto de baterias esteja desbalanceado durante o carregamento. Nesse caso, o processo de carregamento será interrompido quando a célula de maior voltagem atingir a voltagem de corte, resultando em nem todas as células Li-FePO4 sendo totalmente carregadas, subcarregando assim a bateria.
Por que esse problema ocorre? Primeiro, o desequilíbrio da célula resultará em menor capacidade e maior tensão de corte das células. Além disso, carregar e descarregar continuamente uma célula desbalanceada piorará a situação ao longo do tempo. Dada a curva de descarga relativamente linear das células LiFePO4, combinar e balancear todas as células é crítico – quanto maior a diferença entre as tensões das células, menor a capacidade da célula.
Teoricamente, células balanceadas descarregarão na mesma taxa para que a corrente possa ser cortada simultaneamente na mesma voltagem todas as vezes. No entanto, isso nem sempre é o caso na prática, então o circuito de balanceamento (ou PCM/BMS) é muito importante. Ele garante que as células estejam totalmente balanceadas durante o processo de carga para que a capacidade projetada da bateria seja mantida e uma carga completa seja alcançada. A manutenção adequada é crítica para prolongar a vida útil das baterias de lítio, e o balanceamento da bateria desempenha um papel importante neste processo.
Caso você tenha alguma outra dúvida sobre balanceamento de baterias, baterias de lítio ou tópicos relacionados, sinta-se à vontade para entrar em contato conosco.