Diferentes tipos de BMS

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hmgp
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Diferentes tipos de BMS

Mensagem por hmgp » sexta out 16, 2009 11:21 am

primeiro aviso, este post será longo!!!

ora bem. criei este tópico para tentar esclarecer algumas duvidas que têm surgido sobre os vários bms que existem no mercado, e que muita gente diz que "há e tal... isso são treta, vocês não percebem nada disto", mas também ninguém "se quer chegar à frente" para explicar ao leigos, sendo eu incluído neste ultimo grupo.

e então parti para a aventura (leia-se internet/google) e lá tentei descobrir o que seria estas variantes de bms que existem. e lá descobri algumas coisas.

como não sou nem de perto nem de longe "expert" na matéria, levem isso em consideração por favor quando lerem algumas das coisas que vou escrever. obviamente a minha intenção é que alguém que tenha verdadeiros conhecimentos possa validar (ou não) estas minhas descobertas.

mais uns pormenores, eu descobri literatura em inglês e o método será o seguinte, eu vou usar do inglês que sei para traduzir para português, mas o original em inglês será sempre apresentado, entre parêntesis, para confirmação e correcção da tradução por quem entenda mais disto do que eu (que não será difícil visto eu ser um leigo ).

basta de conversas! vamos ao que interessa!

então descobri que, actualmente, existem 4 grandes métodos, poderá haver mais, lá está a minha ignorância..., de fazer um bms para as baterias de lítio. são eles o "balanceamento activo" (active balancing), "balanceamento passivo" (passive balancing), "carregamento por shunt?" (charge shunting) e o "carregamento por limite" (charge limiting).

a bms faz a gestão das células que constituem o bloco de baterias. existirão 3 fases que tem de ser previstas para cada célula: (i) a fase do carregamento (ii) a fase da utilização (iii) a fase do corte. respectivamente, teremos que na fase i será evitada a sobrecarga da célula, na fase ii far-se-á a distribuição de carga ou balanceamento (igualização) e na fase iii far-se-á o corte para se evitar a descarga lesiva da célula para lá do seu ponto de sub-carga.

dos 4 métodos cobertos só o método 4 não prevê a fase ii, todos os restantes cobrem as fases i, ii e iii. então poderemos dizer que são eficazes e aconselháveis os métodos 1, 2 e 3 e devemos evitar o método 4 porque este não prevê o balanceamento das células. como são eficazes, estes 3 métodos executam a tarefa que é suposto fazerem, logo qualquer um destes métodos prolongam a vida das células e o numero de ciclos (recargas) disponível para cada uma delas. no que toca ao capitulo eficiência ou preservação energética da carga o método 1 destinge-se dos restantes.


passamos então à descrição dos métodos:

1 - "balanceamento activo" (active balancing) [1. bms activa de transferência]
o método de "balanceamento activo" (active balancing) tira carga de uma ou mais células com carga mais alta e entrega a carga a uma ou mais células de carga mais baixa. como é impraticável dar carga independente a todas as células individuais ao mesmo tempo, a carga de balanceamento deve ser aplicada sequencialmente. tomando em conta o tempo de carga de cada célula, o processo de igualização leva bastante tempo sendo medido em termos de horas. alguns esquemas de "balanceamento activo" (active balancing) de células estão construídos para parar o carregamento total de cada célula e continuar a carregar as células mais fracas ainda sem a carga até todas atingirem carga máxima, maximizando assim a capacidade total da bateria.

(active cell balancing methods remove charge from one or more high cells and deliver the charge to one or more low cells. since it is impractical to provide independent charging for all the individual cells simultaneously, the balancing charge must be applied sequentially. taking into account the charging times for each cell, the equalisation process is also very time consuming with charging times measured in hours. some active cell balancing schemes are designed to halt the charging of the fully charged cells and continue charging the weaker cells till they reach full charge thus maximising the battery's charge capacity.)

este é o mais complexo na minha opinião e divide-se em duas hipóteses ou aproximações.
são elas, e sou sincero o meu inglês não me permite traduzir bem os seus nomes por isso neste caso vai-se manter o termo técnico em inglês, o "charge shuttle (flying capacitor) charge distribution" e o "inductive shuttle charge distribution". passemos à descrição dos mesmo:

1.1 - "charge shuttle (flying capacitor) charge distribution" [1.1 bms activa de transferênçia capacitiva]
com este método faz-se uma comutação sequencial de uma ligação a um condensador às várias células em série. o condensador nivela pela carga média tirando das células com voltagem superior à média e passa a carga para células com voltagens inferiores à média. como alternativa, o processo pode ser acelerado programando o condensador para repetidamente ir transferindo carga da célula com maior voltagem para a célula com menor voltagem. a eficiência deste método vai decaindo com a redução das diferenças de carga entre as células. este método é muito complexo e exige electrónica dispendiosa.

(with this method a capacitor is switched sequentially across each cell in the series chain. the capacitor averages the charge level on the cells by picking up charge from the cells with higher than average voltage and dumping the charge into cells with lower than average voltage. alternatively the process can be speeded up by programming the capacitor to repeatedly transfer charge from the highest voltage cell to the lowest voltage cell. efficiency is reduced as the cell voltage differences are reduced. the method is fairly complex with expensive electronics.)


1.2 - "inductive shuttle charge distribution" [1.2 bms activa de transferência indutiva]
este método usa um transformador com seu enrolamento primário ligado através da bateria completa e um enrolamento secundário que pode ser comutado pelas células individuais. são utilizados impulsos de energia da bateria completa, em vez de pequenas diferenças de cargas entre células isoladas, de modo a nivelar as células restantes. balanceia pela média carga como o método anterior, mas evita o problema das pequenas diferenças nas voltagens entre células e consequentemente é um processo mais rápido. este sistema tem obviamente de ter os enrolamentos secundários do transformador bem balanceado caso contrário irá contribuir para a falta de balanço entre células.

(this method uses a transformer with its primary winding connected across the battery and a secondary winding which can be switched across individual cells. it is used to take pulses of energy as required from the full battery, rather than small charge differences from a single cell, to top up the remaining cells. it averages the charge level as with the flying capacitor but avoids the problem of small voltage differences in cell voltage and is consequently much faster. this system obviously needs well balanced secondary transformer windings otherwise it will contribute to the problem.)

2 - "balanceamento passivo" (passive balancing) [2. bms passiva por dissipação]
este método usa técnicas de dissipação onde encontra as células com maior carga do pack de baterias, indicado pela célula com maior voltagem, removendo a energia em excesso através de uma resistência até que a voltagem ou carga seja igual à das células mais baixas. alguns esquemas passivos param completamente de carregar quando a primeira célula está completamente carregada, depois descarregam essas células até ao nível das células mais baixas. outros esquemas são feitos para continuar a carregar até as células estarem totalmente carregadas, mas limitando a voltagem que pode ser aplicada a cada célula fazendo um bypass quando a célula atingem o seu limite de voltagem. este método nivela por abaixamento e porque usa correntes de bypass baixas os tempos de egualização são prolongados. a performance da bateria é determinada pela célula mais fraca e faz muito desperdício de energia pelas resistências de passagem, podendo desgastar as baterias se for usada continuamente. é no entanto o método mais barato.

(dissipative techniques find the cells with the highest charge in the pack, indicated by the higher cell voltage, and remove excess energy through a bypass resistor until the voltage or charge matches the voltage on the weaker cells. some passive balancing schemes stop charging altogether when the first cell is fully charged, then discharge the fully charged cells into a load until they reach the same charge level as the weaker cells. other schemes are designed continue charging till all the cells are fully charged but to limit the voltage which can be applied to individual cells and to bypass the cells when this voltage has been reached.
this method levels downwards and because it uses low bypass currents, equalisation times are very long. pack performance determined by the weakest cell and is lossy due to wasted energy in the bypass resistors which could drain the battery if operated continuously. it is however the lowest cost option.)

3 - "carregamento por shunt" (charge shunting) [3. bms passiva por corte individual]
este método nivela a voltagem por cima até atingir a voltagem de uma célula em bom estado. assim que a voltagem requerida numa célula for atingida, a totalidade da corrente passa pelas células carregadas indo para as células mais fracas até estas atingirem a voltagem total. é um método rápido e permite fazer uso da capacidade máxima, no entanto precisa de caros comutadores de altas correntes e resistências dissipadoras de alta potência.

(the voltage on all cells levelled upwards to the rated voltage of a good cell. once the rated voltage on a cell has been reached, the full current bypasses fully charged cells until the weaker cells reach full voltage. this is fast and allows maximum energy storage however it needs expensive high current switches and high power dissipating resistors.)

4 - "carregamento por limite" (charge limiting) [4. bms passiva por corte global]
uma maneira rude de proteger a bateria dos efeitos de desbalanciamento é simplesmente desligar o carregador quando a primeira célula atinge a voltagem que representa o seu estado de carga completa (4,2 volts para a generalidade das células de lítio) e desligar a bateria quando uma célula atingir o limite mínimo de descarga de 2 volts. isto vai infelizmente terminar o carregamento antes de todas as células atingirem a sua carga máxima e reduzir a capacidade efectiva da bateria pois pode desligar a bateria quando pode ainda haver carga não usada nas células boas. sem os beneficios do balanceamento de células, também o numero de ciclos de vida podem ser reduzidos, no entanto para células idênticas e a operar numa temperatura ambiente idêntica, o efeito deste compromisso pode ser aceitável.

(a crude way of protecting the battery from the effects of cell imbalances is to simply switch off the charger when the first cell reaches the voltage which represents its fully charged state (4.2 volts for most lithium cells) and to disconnect the battery when the lowest cell voltage reaches its cut off point of 2 volts during discharging. this will unfortunately terminate the charging before all of the cells have reached their full charge or cut off the power prematurely during discharge leaving unused capacity in the good cells. it thus reduces the effective capacity of the battery. without the benefits of cell balancing, cycle life could also be reduced, however for well matched cells operating in an even temperature environment, the effect of these compromises could be acceptable.)

resumindo, estas técnicas de balanceamento dependem do capacidade de se determinar o estado de carga das células em cadeia que compoêm a bateria. existem vários métodos para determinar esse estado. a maneira mais simples é usar a voltagem da célula como indicador do estado de carga. a grande vantagem é que previne o sobrecarregamento das células individuais e a desvantagem é que pode ser dado a erros. uma célula pode alcançar o seu corte de tensão antes dos outros na cadeia, não porque ela está totalmente carregada, mas porque a sua impedância interna é superior à das outras células. nesse caso, a célula vai realmente ter uma carga mais baixa do que as outras células. será, portanto, sujeita a um maior stress durante a descarga e se for repetidamente carregada desta maneira poderá eventualmente provocar a falha da célula.
um método mais preciso usaria a "contagem de coulomb" que leva em conta a temperatura e a idade da célula, juntamente com a sua voltagem.

(all of these balancing techniques depend on being able to determine the state of charge of the individual cells in the chain.
the simplest of these methods uses the cell voltage as an indication of the state of charge. the main advantage of this method is that it prevents overcharging of individual cells, however it can be prone to error. a cell may reach its cut off voltage before the others in the chain, not because it is fully charged but because its internal impedance is higher than the other cells. in this case the cell will actually have a lower charge than the other cells. it will thus be subject to greater stress during discharge and repeated cycling will eventually provoke failure of the cell.
more precise methods use coulomb counting and take account of the temperature and age of the cell as well as the cell voltage.)


agora a minha opinião, eu penso que o método activo será certamente o ideal. e o que li parece-me que o bms da sw será o activo mais a variante "charge shuttle (flying capacitor) charge distribution". se isso se confirmar deixa-me com muito boa impressão do bms deles.

os outros não faço ideia visto não quererem (ou não puderem) dizer nada.

fica o meu contributo, espero sinceramente ter ajudado a esclarecer alguém pois eu fiquei mais esclarecido. é esta a minha postura neste forum, aprender e ajudar sempre que puder e souber.

fiquem bem!


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Re: Diferentes tipos de BMS

Mensagem por marcopns » sexta out 16, 2009 11:30 am

bom trabalho hmgp

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Re: Diferentes tipos de BMS

Mensagem por tiago_eco » sexta out 16, 2009 11:40 am

tb penso que o bms deles (sw) têm essas caracteristicas.
obrigado pelo contributo.
cumps
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Re: Diferentes tipos de BMS

Mensagem por jmal » sexta out 16, 2009 12:07 pm

tal como dizes, existem esses tipos de bms são muito genéricos, e entretanto desenvolveu-se outros tipos mais complexos e com outros modos de funcionamento, que utilizam mais do que um tipo que referes, tanto que os das vários marcas que aqui falamos nenhum se enquadra por nestes 4 tipos.

o método 1 não é utilizado, isto porque não podes desligar as células do pack.

o método 1.1 para baterias de grande capacidade, exemplo motas torna-se pouco viável devido ao tamanho dos condensadores que tem de utilizar para ter rapidez suficiente e acompanhar o carregador no processo de balanceamento, isto porque como não tem método de dissipação de energia, o carregador nunca pode fornecer tensão total superior ao que as baterias pode levar, caso contrário o bms não tem para onde enviar essa energia.

o método 1.2 é pouco viável devido ao numero de transformadores que tinha de utilizar num pack de 20 células, além disso sobre do mesmo problema que o 1.1

o método 2, é o mais utilizado em conjunto com o método 3 e 4, tem uma segurança muito grande porque pode dissipar grandes quantidades de energia sem requerer componentes grandes e dispendiosos, é não desperdiça muita energia, num pack de 22 células 3.2v 40 ah , num processo de equalização não se gastará mais de 10 wh de energia, ora isto são menos 0.5 % da energia total do pack.

o método 1.1 junto com o 2,3,4 dá um bms perfeito, o problema será o custo dele.
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Re: Diferentes tipos de BMS

Mensagem por joaquimdelisboa » sexta out 16, 2009 1:32 pm

hmgp

parabéns pelo trabalho de pesquisa e... pelo português correcto utilizado na explanação!


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Re: Diferentes tipos de BMS

Mensagem por Njay » sexta out 16, 2009 11:11 pm

hmpg... fizeste aí um bom trabalho de pesquisa mas acho que atacaste apenas uma vertente do que é um bms. não sou de todo especialista em bmss, mas posso comentar um pouco apoiando-me nos conhecimentos que tenho de electrónica e do que já li por aí.

bms = battery management system = sistema de gestão de bateria, ou seja, podemos dizer que é uma designação com um certo nível de ambiguidade. os métodos que descreveste são métodos de "balanceamento da carga das células" dentro de uma bateria (bateria = conjunto de células). um bms é mais do que isso, pois além do balanceamento de carga (que muitos, talvez a maioria, dos bms não fazem) tens também a protecção das células contra sub- e sobre-tensão. diga-se de passagem que o balanceamento de carga é de longe a vertente técnicamente mais dificil de implementar e ao mesmo tempo o menos importante para a saúde da bateria.

podemos ainda ter monitorização pormenorizada do estado de cada célula, mas esta monitorização não é relevante para a eficácia da protecção da bateria e portanto eu chamo-lhe um "extra".

outra funcionalidades poderão vir a fazer parte da sigla "bms" no futuro, ou até já farão hoje em dia.

se pegarmos por exemplo no "bms" da bereco, podemos ver no site que eles têm 2 produtos:

- o charge controller, que protege a bateria contra sobre-tensões (que em condições normais só podem ocorrer durante a carga)

- o voltage protection system, que protege a bateria contra sub-tensão (que em condições normais só ocorre durante a utilização, ou melhor dizendo, quando não está a ser carregada)

estas 2 funções em conjunto são o bms da bereco, e como se vê não há balanceamento. implementar o balanceamento de carga fica muito caro e não sei se compensará assim tanto face ao custo, e será por isso que poucos bmss o têm. temos que esperar pela comercialização de circuitos integrados que facilitem essa tarefa de modo a que o sistema se torne economicamente mais viável. a protecção contra sub- e sobre-tensões é que é a parte mais importante, pois dita directa- e rapidamente a longevidade da bateria. já o balanceamento é um (sub)sistema mais de optimização da utilização da mesma; embora imagino que possa ter alguma influência na longevidade, o seu impacto não se compara com o da protecção em tensão.
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Re: Diferentes tipos de BMS

Mensagem por jmal » sábado out 17, 2009 12:43 am

desculpa njay, mas o bms da bereco faz sim o balanceamento que é o processo de acerto ou equalização da tensão entre todas, ou seja, ele acerta as células de maneira a que fiquem todas com a mesma tensão, que não é o mesmo que equalizar a carga, para isso seria necessário medir a corrente entre cada 1 e sabes que isso é impraticável a este nível.
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Re: Diferentes tipos de BMS

Mensagem por Njay » sábado out 17, 2009 1:43 am

é verdade, eu é que peço desculpa, estive a ler melhor e de facto dá perfeitamente a entender que durante a carga é feito o balanceamento das tensões. sim, o balanceamento de carga por si só já é tecnicamente complicado, e isso reflecte-se no preço e também no espaço ocupado pelo bms.

também foi bem da tua parte chamar a atenção para mais esse detalhe, da separação entre "balanceamento das tensões" e "balanceamento das cargas". são de facto 2 coisas diferentes e que podem ser feitas indepentemente, sendo a de tensões muito mais fácil de fazer do que a de cargas.
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Re: Diferentes tipos de BMS

Mensagem por hmgp » sábado out 17, 2009 2:21 pm

obrigado a todos pelos comentários. penso que o objectivo foi atingido, já sabemos mais sobre bms agora do que nos outros post todos juntos!!

só por isso já valeu.
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Re: Diferentes tipos de BMS

Mensagem por serges » domingo out 18, 2009 3:07 pm

este tópico merece, como fusão de todos os conhecimentos num só!

obrigado por partilhares!

se não se importam vou colocar como inamovível!

pois é de valor!
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Re: Diferentes tipos de BMS

Mensagem por Njay » domingo out 18, 2009 6:59 pm

para ganhar o estatuto de inamovível gostava de ver a mensagem original alterada para referir os restantes aspectos do que é um bms, pois assim ela não bate bem certo com o título do tópico. as pessoas não gostam muito ou não têm tempo de ler, acho que a confusão vai continuar na cabeça de algumas.
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Re: Diferentes tipos de BMS

Mensagem por serges » domingo out 18, 2009 9:20 pm

njay Escreveu:para ganhar o estatuto de inamovível gostava de ver a mensagem original alterada para referir os restantes aspectos do que é um bms, pois assim ela não bate bem certo com o título do tópico. as pessoas não gostam muito ou não têm tempo de ler, acho que a confusão vai continuar na cabeça de algumas.
hmgp

podes fazer esse favor e coloco depois essa explicação no 1º post!

muito obrigado!
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Re: Diferentes tipos de BMS

Mensagem por hmgp » segunda out 19, 2009 5:19 pm

serges Escreveu:
njay Escreveu:para ganhar o estatuto de inamovível gostava de ver a mensagem original alterada para referir os restantes aspectos do que é um bms, pois assim ela não bate bem certo com o título do tópico. as pessoas não gostam muito ou não têm tempo de ler, acho que a confusão vai continuar na cabeça de algumas.
hmgp

podes fazer esse favor e coloco depois essa explicação no 1º post!

muito obrigado!
serges eu fazer até fazia mas querem que eu acrescente/altere o quê especificamente? eu não sou expert disto, apenas partilhei o que investiguei, quem mete a mão na massa poderá ir mais longe que eu. mas se me explicarem melhor a intenção do que querem eu posso tentar fazer.
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Re: Diferentes tipos de BMS

Mensagem por Bluesky » segunda out 19, 2009 11:11 pm

hmgp, se me deres autorização para corrigir a tradução do texto original fá-lo-ei. vejo que persiste ainda alguma confusão quando já não existe motivo para tal pois está tudo muito claro relativamente às principais funçoes de uma bms.
_______ .oO Impossivel é um conceito /& / não uma realidade Oo. _______

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Re: Diferentes tipos de BMS

Mensagem por hmgp » terça out 20, 2009 11:41 am

blue, por mim tens toda a permissão.

obrigado
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Re: Diferentes tipos de BMS

Mensagem por edupatorod » terça out 20, 2009 4:37 pm

ora bem,

hmgp, pelo que falas, só referencias uma parte de um sistema de gestão de baterias que as baterias devem ter, que é durante a carga.
depois acho que todos eles são bons... desde que façam o que é preciso: não deixar que nenhuma cell passe a tensão máxima aconselhada pelo fabricante (3.6~3.7v). pq é só esse o objectivo do controlo na carga.

ja agora, sobre a o controlo de carga por dissipação, gastar mais que o controlo por distribuição de carga, se vamos ver quem desperdiça mais energia ao mw... sim é o controlo por dissipação. mas as diferenças são de mw ou mesmo micro-w...
então basta a mota ser equipada com lampadas de leds... ou lampadas que consumam menos pra compensar este consumo imediatamente... ou então basta o condutor ter uma condução menos desportiva e esse (mega) desperdicio) já estar compensado... ehehe de facto é tão baixa a diferença que nem sei pq se diz que só por isso é melhor...
acho que se devia realmente era estar preocupado, se o bms realmente faz o balanceamento e o acerto das cels aos 3.6v ou 3.7v.

agora sobre a gestão na descarga... acho que naõ é falado aqui... e acho que de todos os importadores, só o bms da team bereco tem... e com tempos de corte de detecção de ~200useg (micro-segundos). se houver alguem que tem, digam por favor, q todos queremos saber.

agora caros amigos, ter um bms só na carga não garante que as baterias lfp thundesky, duram, 1500 ciclos... )))



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Re: Diferentes tipos de BMS

Mensagem por hmgp » terça out 20, 2009 4:44 pm

edupatorod Escreveu:ora bem,

hmgp, pelo que falas, só referencias uma parte de um sistema de gestão de baterias que as baterias devem ter, que é durante a carga.
depois acho que todos eles são bons... desde que façam o que é preciso: não deixar que nenhuma cell passe a tensão máxima aconselhada pelo fabricante (3.6~3.7v). pq é só esse o objectivo do controlo na carga.

ja agora, sobre a o controlo de carga por dissipação, gastar mais que o controlo por distribuição de carga, se vamos ver quem desperdiça mais energia ao mw... sim é o controlo por dissipação. mas as diferenças são de mw ou mesmo micro-w...
então basta a mota ser equipada com lampadas de leds... ou lampadas que consumam menos pra compensar este consumo imediatamente... ou então basta o condutor ter uma condução menos desportiva e esse (mega) desperdicio) já estar compensado... ehehe de facto é tão baixa a diferença que nem sei pq se diz que só por isso é melhor...
acho que se devia realmente era estar preocupado, se o bms realmente faz o balanceamento e o acerto das cels aos 3.6v ou 3.7v.

agora sobre a gestão na descarga... acho que naõ é falado aqui... e acho que de todos os importadores, só o bms da team bereco tem... e com tempos de corte de detecção de ~200useg (micro-segundos). se houver alguem que tem, digam por favor, q todos queremos saber.

agora caros amigos, ter um bms só na carga não garante que as baterias lfp thundesky, duram, 1500 ciclos... )))



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obrigado eduardo pelo contributo. é essa a intenção deste post.

eu sei que também a descarga tem que ser controlada, mas inicialmente eu assumi, provavelmente mal, que isso não deva ser tão complicado e que qualquer um já executará essa função.

mas mais importante, fica o teu contributo e também a tua pergunta.

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Re: Diferentes tipos de BMS

Mensagem por edupatorod » terça out 20, 2009 4:49 pm

ja agora,

no bms de transferencia que outros importadores andam a usar... qual a corrente máxima que se faz na comutaçao da carga? algem sabe?

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Re: Diferentes tipos de BMS

Mensagem por Njay » quarta out 21, 2009 1:32 am

o corte na descarga é a parte de um bms mais fácil de implementar.
já agora eduardo, uma pergunta por curiosidade: os tais ~200us, é mesmo apenas o "tempo de detecção" ou é o tempo desde a detecção até ao corte da corrente?
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Re: Diferentes tipos de BMS

Mensagem por hmgp » quarta out 21, 2009 10:15 am

obrigado blue pelo valoroso acrescento!

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