Novo equalizador de dupla camada melhora baterias EV
A evolução dos veículos elétricos (VE) é impulsionada por avanços contínuos em seus sistemas de bateria, onde eficiência, segurança e longevidade são os pilares fundamentais. Enquanto a indústria busca aumentar a autonomia e reduzir os tempos de recarga, um desafio persistente reside na gestão precisa da energia entre centenas de células de íons de lítio conectadas em série. Um desequilíbrio de tensão entre essas células, causado por variações na capacidade inicial, taxas de envelhecimento ou distribuição térmica, pode comprometer severamente o desempenho e a vida útil do pacote de baterias. Agora, uma inovação promissora desenvolvida por pesquisadores da China apresenta uma solução elegante para acelerar e otimizar esse processo de equalização.
Uma equipe liderada por Han Xinsheng, aluno de mestrado, e o professor Kan Jiarong, do Instituto de Tecnologia de Yancheng, desenvolveu um equalizador ativo de “dupla camada em anel” que promete revolucionar a forma como a energia é redistribuída dentro dos pacotes de baterias. Publicado na edição de abril de 2024 da revista Electronic Science and Technology, o estudo detalha uma topologia híbrida que combina dois tipos de circuitos de conversão de energia — o Buck-Boost e o capacitor comutado — em uma arquitetura hierárquica. O resultado é um sistema que não apenas equaliza as células mais rapidamente, mas também com uma eficiência significativamente maior do que as soluções convencionais.
O coração de qualquer veículo elétrico é seu pacote de baterias de íons de lítio, apreciado por sua alta densidade de energia e ciclo de vida longo. No entanto, para alcançar as altas tensões necessárias para a propulsão, dezenas ou centenas de células individuais são conectadas em série. A natureza imperfeita da fabricação e das condições operacionais significa que essas células nunca são idênticas. Com o tempo, algumas células se carregam ou descarregam mais rapidamente do que outras. Se esse desequilíbrio não for corrigido, o sistema de gerenciamento de bateria (BMS) é forçado a interromper a carga ou a descarga assim que a célula mais fraca atinge seus limites, desperdiçando a capacidade total do pacote. Em casos extremos, isso pode levar ao superaquecimento, degradação acelerada e até riscos de segurança.
Para combater esse problema, os BMS utilizam circuitos de equalização. As abordagens passivas, que dissipam energia das células mais carregadas através de resistores, são simples mas ineficientes, pois transformam a energia útil em calor. As abordagens ativas, por outro lado, são mais sofisticadas, pois transferem energia diretamente da célula mais carregada para a mais descarregada, preservando assim a energia total do sistema. Entre as topologias ativas, o conversor Buck-Boost é amplamente utilizado por sua simplicidade e eficácia. Ele funciona armazenando energia em um indutor e, em seguida, liberando-a para outra célula. No entanto, à medida que o número de células aumenta, o caminho que a energia deve percorrer para ir de uma extremidade do pacote para a outra se torna longo, passando por múltiplos estágios de conversão. Cada estágio consome uma pequena quantidade de energia, e o acúmulo dessas perdas reduz a eficiência geral do sistema e torna o processo de equalização lento.
Os equalizadores em topologia de anel foram uma evolução, criando um loop fechado entre as células que permite um fluxo de energia bidirecional mais direto. Apesar disso, mesmo em um anel, o número médio de etapas de conversão para transferir energia entre células distantes ainda é alto em pacotes grandes. Os pesquisadores de Yancheng identificaram que uma mudança estrutural mais profunda era necessária para superar esse gargalo.
A solução proposta é uma arquitetura de “dupla camada”. O sistema organiza um pacote de 12 células em três módulos menores, cada um com quatro células (M1, M2, M3). Dentro de cada módulo, um “equalizador de anel inferior” é formado. Este anel combina conversores Buck-Boost entre células adjacentes e circuitos de capacitor comutado entre a primeira e a última célula do módulo. Essa combinação cria um caminho fechado de alta eficiência para equalizar células dentro do mesmo módulo.
Em um nível superior, os três módulos são interconectados para formar um “equalizador de anel superior”. Os módulos adjacentes são ligados por conversores Buck-Boost, enquanto o primeiro e o último módulo são conectados por um circuito de capacitor comutado, fechando assim um segundo anel maior. Essa estrutura de duas camadas permite um gerenciamento hierárquico da energia.
O grande benefício dessa abordagem é a otimização do caminho de transferência. Quando um desequilíbrio ocorre entre duas células no mesmo módulo, o anel inferior pode corrigi-lo com um número mínimo de etapas, maximizando a eficiência. Quando as células desequilibradas estão em módulos diferentes, o anel superior entra em ação, mas como ele opera entre módulos inteiros, o número de etapas de conversão necessárias é muito menor do que se a energia tivesse que percorrer cada célula individualmente em um anel simples. Isso reduz drasticamente o tempo e as perdas associadas ao processo de equalização.
Para analisar e validar essa arquitetura, os pesquisadores empregaram uma ferramenta poderosa da matemática: a teoria dos grafos. Neste modelo, cada célula é um “nó”, e cada possível caminho de transferência de energia é uma “aresta”. Cada tipo de conversor (Buck-Boost ou capacitor comutado) recebe um “peso” baseado na sua eficiência típica. Este modelo permitiu calcular teoricamente o desempenho do sistema em termos de velocidade (número médio de etapas) e eficiência total, fornecendo uma base sólida para a comparação.
As previsões teóricas foram confirmadas por simulações detalhadas no ambiente MATLAB/Simulink. Os pesquisadores modelaram um sistema de 12 células, usando capacitores para representar as células, com tensões iniciais variadas para simular um estado de desequilíbrio realista. Os resultados foram impressionantes: o equalizador de dupla camada conseguiu equalizar completamente todas as 12 células em apenas 0,39 segundos. Em contrapartida, um equalizador de anel simples, com os mesmos parâmetros, levou 0,72 segundos para atingir o mesmo resultado. Isso representa uma melhoria de 46% na velocidade de equalização, um ganho substancial que pode ter um impacto direto na resposta do BMS durante operações críticas, como carregamento rápido.
A velocidade é importante, mas a eficiência é o verdadeiro indicador do desempenho energético. Para medir isso, os pesquisadores realizaram testes experimentais com um protótipo de hardware usando quatro células de íons de lítio 18650. Eles mediram separadamente a eficiência dos circuitos Buck-Boost e de capacitor comutado. O conversor Buck-Boost mostrou uma eficiência de cerca de 78,3%, limitada principalmente pelas perdas resistivas nos interruptores e no indutor. O circuito de capacitor comutado, que transfere carga diretamente entre as células com menos etapas de conversão, demonstrou uma eficiência superior de 89,5%.
Combinando esses dados com a análise de grafos, a equipe calculou a eficiência total do sistema. O equalizador de dupla camada alcançou uma eficiência de equalização de 67,32%. Em comparação, um equalizador de anel simples com a mesma topologia híbrida foi calculado com uma eficiência de apenas 40,54%. Isso significa uma melhoria absoluta de 26,78% na eficiência, um aumento de quase um terço. Essa energia extra preservada não é apenas um ganho técnico; ela se traduz diretamente em maior autonomia, menor geração de calor e uma vida útil mais longa para o pacote de baterias.
As implicações para a indústria automotiva são significativas. Um BMS mais eficiente e mais rápido permite que os fabricantes de veículos elétricos empurrem os limites da performance. Ele pode permitir carregamentos mais rápidos, pois o sistema pode corrigir desequilíbrios antes que se tornem críticos. Também aumenta a segurança, reduzindo o risco de sobrecarga em células fracas. Além disso, a natureza modular do design o torna altamente escalável. O mesmo princípio pode ser aplicado a pacotes de baterias muito maiores, como os usados em caminhões elétricos ou ônibus, sem uma complexidade de controle proporcional.
Do ponto de vista do controle, o sistema é flexível. Os conversores Buck-Boost podem ser modulados com precisão usando PWM (Modulação por Largura de Pulso), enquanto os circuitos de capacitor comutado operam em ciclos discretos. Isso permite que o BMS adote uma estratégia híbrida, usando o método mais eficiente para cada situação específica.
O trabalho também destaca a importância de abordagens interdisciplinares. Ao aplicar a teoria dos grafos, uma ferramenta de análise de redes, a um problema de engenharia de potência, os pesquisadores abriram um novo caminho para o design e a avaliação de topologias de equalização. Esta metodologia pode inspirar futuras inovações em sistemas de armazenamento de energia.
Em resumo, o equalizador de dupla camada desenvolvido por Han Xinsheng, Kan Jiarong e seus colegas representa um avanço significativo na tecnologia de gerenciamento de baterias. Ao repensar a arquitetura fundamental dos circuitos de equalização, eles criaram um sistema que é mais rápido, mais eficiente e mais escalável. Seu trabalho, publicado na Electronic Science and Technology, demonstra como a combinação de conhecimentos tradicionais em eletrônica de potência com um design estrutural inovador pode gerar soluções transformadoras. À medida que a indústria se move para uma futura totalmente elétrica, inovações como esta são essenciais para desbloquear todo o potencial dos veículos elétricos.
Han Xinsheng, Kan Jiarong, Ling Huiying, Wang Peng, Cheng Qian, Yancheng Institute of Technology; Electronic Science and Technology; doi:10.16180/j.issn1007-7820.2024.04.003