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Equilíbrio passivo vs. ativo: qual é a estratégia de BMS mais adequada para a bateria?
O equilíbrio passivo é económico e fiável; no entanto, a sua corrente reduzida pode transformar pequenas diferenças no estado de carga em ciclos de ajuste que se prolongam por vários dias. O equilíbrio ativo regula a potência em vez de a dissipar; contudo, o hardware adicional só se justifica quando a capacidade da bateria, os problemas operacionais e a rentabilidade da solução o justificam.
Mesmo quando um conjunto de baterias sai da linha de montagem com células com características muito semelhantes, as resistências de fabrico, os gradientes de temperatura, a resistência da cablagem, as diferenças na autodescarga e o envelhecimento irregular afastam progressivamente cada célula do mesmo estado exato de carga.
Então, qual é a célula que decide quanta energia todo o conjunto pode utilizar?
Normalmente, o mais fraco.
Essa é a realidade inquietante por trás de Equilíbrio das células do BMS. Um conjunto de baterias pode conter uma grande quantidade de energia armazenada, mas o carregamento tem de ser interrompido quando a célula com menor capacidade atinge o seu limite superior, e a descarga tem de ser interrompida quando essa mesma célula atinge o seu limite inferior. O conjunto é tão útil quanto a sua célula com menor capacidade. Um estudo publicado em 2024 na revista «Scientific Reports» definiu esta mesma limitação ao nível do conjunto: sem uma sincronização fiável, a célula mais fraca limita a capacidade funcional, mesmo quando as restantes células ainda dispõem de energia disponível.
A minha opinião sincera é a seguinte: a harmonização passiva adapta-se a mais conjuntos de baterias do que a publicidade e o marketing dos equilibradores ativos sugerem, enquanto a harmonização ativa se adapta a muito mais sistemas de alta capacidade do que os fornecedores de BMS de baixo custo admitem.
A estratégia correta de equilíbrio do BMS depende de 5 fatores: o desequilíbrio medido em ampères-hora, o tempo de equilíbrio disponível, a margem térmica, o envelhecimento previsto das células e o custo financeiro da capacidade não utilizada ou da assistência técnica no local.
Não é a brochura de vendas.
Como é que funciona exatamente a Harmonização Celular BMS?
A harmonização das células do BMS minimiza as diferenças entre as células ligadas em série, de modo a garantir que a sua tensão ou estado de carga converja dentro de um intervalo aceitável.
Existem duas abordagens principais para a harmonização das células das baterias.
Equilíbrio passivo das células liga um resistor entre as células com maior tensão ou estado de carga. O excesso de energia elétrica é transformado em calor até que as células com menor tensão ou estado de carga atinjam o mesmo nível.
Equilíbrio das células de corrente transfere energia de células com carga mais elevada para células com carga mais baixa, das células para o conjunto de baterias, do conjunto de baterias para as células ou entre os componentes da bateria. Dependendo da arquitetura, pode utilizar indutores, condensadores, transformadores, conversores flyback, conversores buck-boost ou estágios DC-DC separados.
É suficientemente básico?
Na verdade, não. A configuração do circuito representa apenas metade do sistema. O BMS ainda tem de decidir:
Quando começa a harmonização
Quais são as células selecionadas
Quer o equilíbrio ocorra durante o carregamento, a descarga ou o repouso
De que forma a tensão, o estado de carga e a temperatura influenciam a escolha
Quanta corrente pode circular sem sobreaquecer a placa de circuito impresso?
O que acontece quando um botão ou sensor de equilíbrio deixa de funcionar
Uma fórmula medíocre, combinada com equipamento avançado, continua a resultar num equilibrador abaixo da média.
O cálculo do tempo de equilíbrio que os fornecedores raramente revelam
Suponha que uma célula tenha um excesso de estado de carga de 5 Ah.
Com um equilíbrio passivo de 100 mA presente:
Tempo de equilíbrio = 5 Ah ÷ 0,1 A = 50 horas
Esse é o mínimo teórico. O funcionamento do sistema de carga, os limites de temperatura, o comportamento do carregador e os limites de equilíbrio podem prolongar ainda mais o tempo real de ajuste.
Com uma tensão da célula de 3,45 V, um circuito de fuga de 100 mA dissipa aproximadamente:
3,45 V × 0,1 A = 0,345 W por célula de equilíbrio
Quatro redes a funcionar em simultâneo gerariam certamente cerca de 1,38 W de calor local, antes de se terem em conta as perdas nos botões ou nos elementos adjacentes.
Comparemos agora isso com um equilibrador ativo teórico de 1 A:
Tempo de equilíbrio = 5 Ah ÷ 1 A = 5 horas
O equilíbrio ativo também implicará perdas de conversão e restrições de controlo, mas a diferença de ordem de grandeza mantém-se.
A verdadeira questão não é se é fácil conciliar as duas coisas. É, sim.
A preocupação é saber se o grupo se mantém num estado de harmonização adequado durante tempo suficiente para que a harmonização fácil consiga concluir a tarefa.
Equilíbrio passivo das células: económico, comprovado e frequentemente subestimado
O equilíbrio fácil apresenta um problema de imagem. É normalmente descrito como a opção primitiva, como se todas as baterias de grande dimensão devessem, a longo prazo, passar a utilizar o equilíbrio ativo.
Discordo.
O equilíbrio passivo pode ser a opção de conceção adequada quando:
A correspondência de células é limitada
O conjunto funciona num intervalo de temperaturas controladas
O desequilíbrio desenvolve-se gradualmente
Está disponível o tempo de permanência em carga total
A corrente de equilíbrio está corretamente dimensionada
O preço, a simplicidade e a fiabilidade duradoura são mais importantes do que recuperar uma pequena quantidade de energia
Pensa num Bateria LiFePO4 de 5,12 kWh, 51,2 V e 100 Ah, para montagem na parede. As especificações publicadas indicam uma capacidade de 100 Ah, uma corrente de carga e descarga ótima de 100 A, mais de 6 000 ciclos nas condições de ensaio especificadas e uma densidade energética de 5,12 kWh.
Uma discrepância no estado de carga de 1% numa bateria de 100 Ah equivale a cerca de 1 Ah. A 100 mA, a correção dessa discrepância demora, teoricamente, 10 horas.
Isso pode ser perfeitamente adequado para uma bateria doméstica que atinge regularmente o nível máximo de carga e permanece ligada durante a noite. Por outro lado, pode ser inaceitável num sistema fora da rede que entra e sai de funcionamento e raramente permanece totalmente carregado.
Sucesso no contexto.
A dura realidade é que o equilíbrio passivo não é, por si só, fraco. A harmonização passiva com dimensões insuficientes é fraca.
Um comprador deve solicitar seis números ao fornecedor do BMS:
Especificações do BMS
Por que é importante
Presente estabilizador máximo
Determina a quantidade de ampères-hora que pode ser recuperada por hora
Equilíbrio da tensão de arranque
Indica se o equilíbrio está restrito à região de taxas mais elevadas
Diferença entre o gatilho de tensão e o gatilho de SoC
Determina com que rapidez o BMS reage
Canais de harmonização sincronizados
Controla o nível geral de calor e a velocidade de modificação
Medidas de redução da potência térmica
Indica se os produtos existentes no mercado resistem aos níveis reais de temperatura da unidade
Estados de funcionamento sustentados
Confirma se o equilíbrio é efetuado durante a fase de carga, descarga, repouso ou apenas num dos casos
Um BMS comercializado apenas com a indicação de que possui “equilíbrio de células” não nos diz praticamente nada.
Harmonização de células ativas: modificação mais rápida, mais formas de falhar
A célula ativa procura harmonizar a energia, protegendo-a ao redirecioná-la em vez de a dissipar.
Isso parece notável. Do ponto de vista elétrico, normalmente é mesmo.
Em termos comerciais e operacionais? A resposta torna-se mais complicada.
O equilíbrio energético inclui botões de alimentação, peças magnéticas, motores de porta, circuitos de deteção, lógica de controlo, área da placa de circuito impresso, problemas de interferência eletromagnética, necessidades de diagnóstico e modos de falha adicionais. Os sistemas baseados em transformadores e conversores podem também exigir a gestão do isolamento e uma validação ainda mais exigente.
Mais peças. Muito mais preocupações.
No entanto, a estabilização ativa acaba por ser eficaz quando o conjunto de baterias é suficientemente grande para que uma pequena percentagem de desequilíbrio represente várias ampères-hora.
A 100 mA, a modificação exigiria 62,8 horas letivas.
Atualmente, o equilíbrio energético começa a assemelhar-se muito menos a equipamento de ponta e cada vez mais à gestão de capacidades.
Ainda assim, não me bastaria apenas a expressão “equilíbrio energético”. Gostaria de conhecer a topologia, a corrente de transferência, a eficiência de conversão sob diferenças de tensão razoáveis, a temperatura de funcionamento, o consumo em repouso, a resposta a erros e a tensão de funcionamento a longo prazo dos componentes.
Tudo o que for menos do que isso é apenas texto publicitário.
Harmonização ativa vs. passiva: comparação direta
Aspecto
Equilíbrio passivo das células
Equilíbrio das células de corrente
Gestão de energia
Dissipa o excesso de calor sob a forma de calor
Transfere energia entre células, componentes ou conjuntos
Complexidade do circuito
Baixo
Médio a muito elevado
Número de elementos
Com desconto
Maior
Custo normal de engenharia
Com desconto
Maior
Lotes térmicos
Concentrados em torno de resistências de descarga
Embora a dissipação tenha sido reduzida no conceito, as perdas do conversor continuam a ser
Velocidade de estabilização
Corrente de fuga mínima e tempo de permanência facilmente definível
Pode suportar um fluxo de transferência significativamente maior
Problema de funcionamento ideal
Conjuntos com pouca desigualdade e previsível
Grupos com desigualdade mais acentuada ou persistente
Viabilidade para células de grande capacidade
Depende em grande medida do equilíbrio da corrente
Normalmente, torna-se mais forte à medida que a desigualdade em ampères-hora aumenta
Exposição direta à EMI
Baixo
Mais elevado devido à substituição dos conversores
Preocupação com a análise
Bastante simples
Muito mais exigente
Contagem de modos de falha
Com desconto
Maior
Recuperação de energia
Não
Parcial; nunca, em caso algum, totalmente sem perdas
O melhor ajuste
Pacotes fixos com boa relação qualidade/preço e bem adaptados
Baterias de alta capacidade, com elevado tempo de funcionamento, sujeitas a ciclos irregulares ou em fase de maturação
A harmonização simples é mais fácil de verificar.
É mais fácil exagerar nas promessas sobre o equilíbrio energético.
O que a investigação de 2024 realmente revela
Estudos recentes confirmam o potencial de desempenho da harmonização ativa; no entanto, os resultados laboratoriais não devem ser confundidos com uma eficiência garantida em condições reais.
Um artigo publicado na revista Scientific News a 10 de agosto de 2024 avaliou uma abordagem de harmonização energética entre o ciclo de funcionamento e a relação célula-pacote. Numa simulação com 96 células, a configuração sugerida atingiu o equilíbrio em 6,0 horas, em comparação com as 9,2 horas do método de comparação tradicional. Uma experiência separada com quatro células foi concluída em cerca de 400 segundos a partir de uma diferença inicial de 2,21 TP3T no estado de carga.
Isso é significativo.
No entanto, não nos fornece informações sobre o preço de falha ao longo de dez anos, os custos de produção, as descargas efetuadas, o envelhecimento dos transformadores ou as questões relacionadas com a manutenção num armário residencial de armazenamento de energia.
Um outro estudo publicado na revista *Scientific Reports*, divulgado a 20 de novembro de 2024, avaliou a estabilização energética com múltiplos indutores num sistema de baterias de 52 V. A sua topologia de duas camadas equilibrou as células em análise em 54 segundos em simulação e em 65 segundos através de testes «hardware-in-the-loop». O artigo relatou uma eficiência de 99,9741 TP3T para o layout de duas camadas, enquanto um design de camada única, mais lento, atingiu aproximadamente 99,9931 TP3T.
Números impressionantes. Condições difíceis.
Um elevado desempenho do conversor ao longo de um ensaio de harmonização regulado não significa, necessariamente, uma elevada eficácia global do conjunto em todas as variações de temperatura, diferenças de tensão reduzidas, modo de espera, resistências dos componentes e anos de ciclos de funcionamento.
Uma tese da Faculdade de Purdue, publicada a 21 de junho de 2024, analisou um método de equilíbrio ativo para um componente de armazenamento de LiFePO₄, utilizando um equilibrador LT8584 baseado na tecnologia flyback. O trabalho foi inspirado na ideia de substituir um procedimento simples realizado manualmente e, potencialmente, reparar componentes danificados em vez de os substituir.
Essa situação revela onde a harmonização ativa pode trazer os seus maiores benefícios: não através de pequenas poupanças de energia, mas sim através da redução da manutenção e da reutilização de componentes.
Um estudo de investigação sobre otimização, realizado em maio de 2024, revelou um aumento de 3,21 TP3T no tempo de funcionamento do sistema de baterias, recorrendo ao equilíbrio ativo no âmbito do seu quadro experimental. O trabalho foi publicado como pré-impressão, pelo que consideraria certamente esse valor percentual como uma prova do potencial técnico, em vez de um resultado comercial concretizável.
Esta distinção é importante. E muito.
Adaptar a estratégia do BMS à capacidade, aos ciclos e aos custos da solução
O método mais eficaz de equilíbrio das células para conjuntos de baterias pode ser aproximado através de uma relação padrão:
Desigualdade prevista em Ah = Capacidade de carga × Diferença prevista no SoC
Depois disso:
Equilíbrio necessário atual = Desigualdade prevista em Ah ÷ Tempo disponível para harmonização
Suponhamos que uma bateria de 200 Ah apresente um padrão recorrente de 2%.
O desequilíbrio é o seguinte:
200 Ah × 0,02 = 4 Ah
Para resolver o problema no prazo de oito horas, o BMS requer uma corrente de estabilização média fiável de:
4 Ah ÷ 8 h = 0,5 A
Um equilibrador passivo de 100 mA não consegue satisfazer esse requisito. Seriam necessárias, no mínimo, 40 horas letivas.
Isto não significa que todas as baterias de 200 Ah necessitem de um equilíbrio ativo. Significa que os pressupostos de desigualdade, a janela de análise e a corrente de equilíbrio escolhida têm de estar matematicamente em concordância.
A página do produto na Internet não faz referência à geografia de estabilização nem ao equilíbrio existente. Essa omissão é comum, mas impede que clientes importantes consigam determinar o tempo de ajuste.
O mesmo problema torna-se mais grave em capacidades mais elevadas. O Bateria solar portátil de 51,2 V e 460 Ah, para colocar no chão tem uma capacidade nominal de cerca de 23,55 kWh, com um BMS integrado e uma corrente ótima de carga e descarga de 200 A.
A 460 Ah:
Uma distinção de 0,51 TP3T equivale a 2,3 Ah
Uma classificação de 1% equivale a 4,6 Ah
Uma classificação de 2% equivale a 9,2 Ah
Uma corrente de fuga de 100 mA exigiria, em teoria, 23, 46 ou 92 horas, respetivamente.
Essa é a avaliação que os grupos de compras devem fazer antes de analisar o equilíbrio ativo em comparação com o passivo.
Não depois da nomeação.
A minha recomendação ao nível do grupo
No caso de um conjunto doméstico de baterias LiFePO4 de 100 Ah bem combinado, a funcionar num ambiente estável, normalmente começaria por um sistema de equilíbrio passivo devidamente concebido. É mais fácil, mais simples de validar e pode dispor de tempo suficiente para corrigir pequenas diferenças.
Para sistemas de 200 Ah a 314 Ah, a resposta depende do comportamento de carga e descarga. O equilíbrio simples pode ainda ser suficiente quando o desequilíbrio é reduzido e o conjunto de baterias atinge regularmente a zona de equilíbrio. No entanto, é necessário determinar a corrente de equilíbrio efetiva.
No caso de baterias com capacidades entre 400 Ah e 628 Ah, daria certamente ainda mais importância à velocidade de regulação da capacidade em ampères-hora, às inclinações térmicas, ao acesso à manutenção e aos padrões de envelhecimento. Com estas capacidades, uma percentagem que pareça insignificante num painel de controlo pode representar vários ampères-hora e dias de regulação a baixa corrente.
A estabilização energética justifica o seu custo quando resolve um problema operacional específico.
Ou então, é uma decoração cara.
A técnica BMS apresenta muito menos problemas do que a técnica de validação
Eis aqui uma opinião que alguns fornecedores não vão gostar: o debate entre «passivo» e «ativo» é, na maioria das vezes, uma consequência de falhas de engenharia noutros domínios.
Um BMS passivo de alta qualidade, com deteção precisa, células compatíveis, excelente conceção das barras coletoras, níveis de temperatura controlados, calibração dedutível, firmware robusto e gestão razoável de falhas, pode superar um sistema energético mal validado.
E um equilibrador ativo não consegue resolver:
Uma célula danificada
Aumento significativo da resistência interna
Uma soldadura mal feita
Uma barra condutora solta
Ar condicionado desequilibrado
Estimativa incorreta do estado de carga
Classificação inadequada das células
Proteção inadequada contra sobretensão
A estabilização redistribui ou elimina a taxa. Não reverte o envelhecimento eletroquímico.
O artigo publicado na Scientific News de 2024 aborda os obstáculos funcionais dos conjuntos de baterias, tendo constatado que as diferenças na degradação das células podem obrigar a decisões de substituição ao nível do conjunto, mesmo quando outras células mantêm uma vida útil mais longa. Os autores salientaram a importância da triagem, da avaliação do estado de saúde e da deterioração uniforme — e não apenas do equilíbrio.
Por isso, analisaria o sistema de monitorização da bateria na sua totalidade, e não apenas uma funcionalidade.
Questões a colocar antes de escolher um método de equilíbrio do BMS
Pergunta para o fornecedor
Solução fraca
Resposta útil
O que é a geografia estabilizadora?
“Harmonização inteligente”
Drenagem por resistência, condensador comutado, indutor, flyback, de célula para pacote ou mais um tipo de projeto específico
Qual é a estabilização eficiente existente?
“Até 2A”
Corrente versus tensão da célula, temperatura, ciclo de carga e descarga e número de redes energéticas
Quando é que a harmonização ocorre?
“Imediatamente”
Problemas relacionados com a precisão dos custos, a descarga, o saldo, a tensão, o SoC e a temperatura
O que provoca o equilíbrio?
“Diferença celular”
Limite, histerese, tempo de perseverança e condição de paragem
Como é gerida a temperatura?
“Protegido pelo BMS”
Capacidade nominal do resistor, limite de temperatura da placa de circuito impresso, localização do sensor e curva de redução da potência nominal
É possível identificar os erros de estabilização?
“Sim”
Códigos de avaria registados relativos a resistência em circuito aberto, falha do MOSFET, erro do conversor, desvio do sensor ou tempo de espera esgotado
Como é que se calcula o SoC?
“Fórmula de aplicação de software”
Verificação de Coulomb, versão de tensão, sistema de filtragem de Kalman, procedimento de calibração e correção de desvio
O que acontece após a substituição celular?
“Reiniciar o sistema”
Reativação, ajuste de capacidade, alinhamento do SoC e tratamento de recalibração
O equilíbrio dos conjuntos paralelos é coordenado?
“Permite a utilização em paralelo”
Lógica mestre-escravo, protocolo de interação, partilha de presença e comportamento de segurança ao nível do pacote
A informação sobre a área está facilmente disponível?
“Avaliado exaustivamente”
Registos de temperatura, tendências de discrepâncias, horas de estabilização, documentos de avarias e histórico de manutenção
Essa última linha separa as provas da engenharia do cinema da autoconfiança.
Perguntas Frequentes
O equilíbrio ativo será sempre muito melhor do que o equilíbrio passivo?
A harmonização ativa não é, por si só, a melhor opção; constitui a escolha mais adequada apenas quando o valor da capacidade recuperada, da equalização mais rápida, do menor aquecimento ou da redução da manutenção excede os custos associados, a complexidade do controlo, o risco de ruído eletromagnético e as condições adicionais de falha de componentes introduzidas pelo circuito de transferência de energia.
No caso de pequenos conjuntos residenciais com características muito semelhantes, o equilíbrio passivo pode proporcionar a relação fiabilidade/custo mais eficaz. No caso de células de alta capacidade, componentes em segunda vida, contas de faturação irregulares ou sistemas em que o tempo de inatividade é dispendioso, a harmonização energética poderá gerar um retorno ao longo da vida útil mais significativo.
Como é que o equilíbrio de células do BMS funciona exatamente nas baterias de LiFePO₄?
A harmonização das células BMS num conjunto de baterias LiFePO₄ consiste na equalização controlada do estado de carga das células, realizada quer através da descarga de energia das células com carga mais elevada por meio de resistências, quer através da transferência de energia entre células, módulos ou todo o conjunto, de modo a garantir que uma célula com capacidade limitada não determine a capacidade útil do conjunto.
O BMS verifica a tensão, a corrente e a temperatura das células, bem como, frequentemente, o estado aproximado de carga. Ativa o mecanismo de estabilização de acordo com os limiares configurados e desativa-o quando a diferença entre as células se situa numa faixa aceitável ou quando outra condição de segurança passa a ter prioridade.
Qual é o método mais eficaz para equilibrar as células de um conjunto de baterias doméstico?
A melhor abordagem de harmonização de células para um conjunto de baterias doméstico é, geralmente, o equilíbrio simples para sistemas bem combinados, termicamente consistentes e de capacidade modesta, com oportunidades regulares de carga completa, enquanto a estabilização energética acaba por se tornar mais apelativa à medida que a capacidade, o desequilíbrio em ampères-hora, o valor do tempo de funcionamento, a variabilidade dos ciclos ou o custo da solução no terreno aumentam.
A capacidade da bateria, por si só, não deve ser o fator determinante. Os compradores devem calcular o desequilíbrio previsto em ampères-hora e compará-lo com o equilíbrio atual do BMS e com o número de horas durante as quais o equilíbrio pode efetivamente funcionar.
De quanto corrente de equilíbrio é que um BMS necessita?
Um BMS necessita de corrente de estabilização suficiente para lidar com o desequilíbrio ideal previsto em ampères-hora dentro da janela de equilíbrio disponível, calculado aproximadamente da seguinte forma: a corrente necessária equivale à capacidade multiplicada pelo intervalo de estado de carga, dividida pelo número de horas de equilíbrio, com uma margem adicional para o ciclo de responsabilidade, redução térmica, perdas de conversão e condições de funcionamento limitadas.
Por exemplo, corrigir uma diferença de 2% numa bateria de 200 Ah implica compensar cerca de 4 Ah. Concluir essa modificação no prazo de oito horas requer uma corrente efetiva média próxima de 0,5 A, e não apenas um pico momentâneo de 0,5 A.
O serviço de reparação por equilíbrio de células consegue recuperar uma célula de bateria em péssimo estado?
A harmonização de células não consegue reparar uma célula danificada; apenas consegue remover ou redistribuir a carga para garantir que as células atinjam níveis de tensão ou de estado de carga ainda mais semelhantes, enquanto a perda irreversível de capacidade, o aumento da resistência interna, a deposição de lítio, os danos no separador, a contaminação e vários outros sinais de envelhecimento permanecem no interior da célula afetada.
Uma célula que apresente desvios repetidos após o equilíbrio deve ser analisada quanto à exposição direta à temperatura, resistência de ligação, erro de dimensão, autodescarga ou perda real do estado de saúde. Encobrir constantemente o problema através do equilíbrio pode adiar o diagnóstico, em vez de o resolver.
Escolha o Balancer antes que o Pack o escolha por si
Não pergunte a um fornecedor se o BMS dispõe de função de equilíbrio.
Pergunte qual é a capacidade em ampères-hora que a bateria consegue recuperar durante a noite. Pergunte para onde vai o calor. Pergunte se a corrente anunciada é contínua, se está sujeita a redução de corrente em função da temperatura ou se está disponível apenas para uma rede de cada vez. Pergunte se a compensação de harmónicos funciona quando a bateria está efetivamente a ser utilizada, e não apenas em condições de carregamento em laboratório.
E exija essa informação.
Para sistemas de armazenamento de energia com capacidades que variam entre 5,12 kWh e mais de 30 kWh, a estratégia adequada de gestão do sistema de baterias (BMS) deve basear-se na capacidade das células, na variação prevista do nível de carga (SoC), no padrão de ciclos de carga e descarga, no layout térmico, na conceção do serviço e no tempo de melhoria mensurável.
Um equilíbrio fácil não significa, necessariamente, um projeto económico.
A harmonização ativa não é, à primeira vista, uma técnica de engenharia sofisticada.
O melhor sistema é aquele cujos números conseguem destacar-se do resto do grupo.
