Mobilidade Elétrica

Passo a apresentar o sistema iBMS para gestão de packs de baterias em série.

O sistema foi inteiramente desenvolvido em Portugal pela Interflexo ao longo dos últimos 3 anos e cobre utilizações variadas desde bicicletas a quadriciclos de Golf c/ 1100Kg de peso bruto e vários tipos de química de baterias.


Principais características gerais do iBMS:

Controlo por microprocessador de 16 bit (PIC18F86K22 @ 16Mhz), ADCs de 12 bit e registo de dados em EEPROM.
Configurável de 4 a 32 células em série.
Compatível com as químicas LiFePO4, Li-Ion e SLA.
Arquitectura centralizada.
Acesso em tempo real á voltagem de cada bateria, 26 outras variáveis de telemetria, registo de eventos e 24 parâmetros de configuração via interface LCD destacável.
Protecção programável individual de cada célula contra voltagem excessiva ou demasiado baixa com compensação de temperatura ambiente e corrente opcional.
Balanceamento superior resistivo individual de cada célula (240mA) com ajuste programável á voltagem específica do carregador.
Corte automático das correntes individuais de bleed para eliminação de erros de leitura de voltagem de cada célula motivados por queda de tensão.
Cálculo do estado de carga (SOC - Coulomb counting).
Avisos sonoros de fim de balanceamento e condições de erro.
Protecção electrónica programável contra curto-circuitos com um tempo de resposta inferior a 50us.
Protecção contra sobrecargas (I2t) programável no firmware.
Protecção programável contra sobre intensidade na carga e descarga.
Circuito de pré-carga programável para protecção do controlador do motor.
Saídas de uso opcional para comando de relés SSR de carga e descarga de acessórios.
Input p/ sensor de velocidade.
Saída PWM para indicação de SOC (Estado de carga).
Aproveitamento programável do voltímetro do painel do VE para indicação fidedigna do estado de carga do pack.
Entradas e saídas (analógicas e digitais) para uso diverso (Throtle control, LEDs, etc.)
Comando de ventoinha de arrefecimento para posicionamentos desfavoráveis do PCB.
Relés sólidos de baixa impedância para o path de potência com controlo individual (carga / descarga) até 11KW nominais.
Compatível com carregadores de carga rápida igual ao valor nominal de descarga do BMS.
Compatível com carregadores com uma tensão nominal superior ao valor pack.
Compatível com carregadores de rectificação a meia onda ou onda completa de elevada potência.
PCBs diversificados conforme número de células (16/24/32), potências e química (SLA / Lítio)
Firmware actualizável on-site.
Projecto, desenvolvimento, fabrico e montagem Português.
Suporte e reparação em Portugal.
5 anos de garantia


Interface LCD:

Disponibiliza o acesso em tempo real ao estado de carga de cada bateria, 26 outras variáveis de telemetria, registo de eventos e 24 parâmetros de configuração.
Pode ser usada como computador de bordo ou como painel destacável.
Permite efectuar diagnósticos ao BMS, baterias, carregador, motor, instalação eléctrica do veículo e á performance eléctrica.
Permite também analisar todos os aspectos relevantes do historial do uso do pack de baterias para execução de garantias.

Manual do utilizador da interface LCD (em Inglês):

http://www.interflexo.com/images/iBMS/iBMS%20LCD%20Interface%20User%20Manual.pdf

O rendering das fonts usadas p/ o LCD no manual está por vezes ilegível no Firefox e correcto no IE e no Chrome. No Firefox basta fazer save no disco local e depois abrir directamente o ficheiro pdf. Aí o rendering das fonts já funciona.

Exemplo de esquema eléctrico:

http://www.interflexo.com/images/iBMS/EcoRider/Wiring%20EcoRider%20BMS24%20V2_01%2060V%2020%20Cells.pdf

Põe-se precisamente aqui o mesmo problema com os browsers. A solução é a mesma.

Algumas fotografias de várias implementações do sistema iBMS:

EcoSprinter 48V 3KW 60Ah

iBMS 16 cells LiFePO4
Voltagem máxima: 60V
75A nominais
125A -> 3 min
190A -> 1 sec

O cobre no PCB dupla face do path de potência é de 70µm e são ainda usados os dois lados para conduzir a corrente.

Os (5 + 5) MOSFET têm um Rds(on) típico de 1,6mOhm e o current sense é feito por 3 resistências de 2mOhm em paralelo de 3,5W.











O BMS liga com a chave de ignição da scooter e com o micro-switch que se vê na ficha de carga. Caso contrário está desligado e o borne negativo do pack fica desligado do EV.





EcoCruiser 48V 3KW 60Ah

iBMS 16 cells LiFePO4
Voltagem máxima: 60V
75A nominais
125A -> 3 min
190A -> 1 sec





EcoRider 60V 3KW 40Ah

iBMS 24 cells LiFePO4
Voltagem máxima: 100V
55A nominais
90A -> 3 min
135A -> 1 sec

Os (5 + 5) MOSFET têm um Rds(on) típico de 3,2mOhm e o current sense é feito por 3 resistências de 2mOhm em paralelo de 3,5W.



A ficha para ligação da tomada de diagnóstico / computador de bordo está no canto inferior direito da imagem e fica na zona da mala.







72V 4KW 40Ah

iBMS 24 cells LiFePO4
Voltagem máxima: 100V
55A nominais
90A -> 3 min
135A -> 1 sec



Alteração da caixa das baterias. Passagem de 20 p/ 24 células. Modificação da posição do reforço transversal do braço oscilante traseiro.









Tomada Sub D-25 da ficha de diagnóstico fica no postiço do interior da mala.



Relé solid state para corte da ignição e placa BattMeter de controlo directo através do iBMS do voltímetro do painel para funcionar como indicador fidedigno de capacidade em Ah.



EcoMaxi 72V 5KW 60Ah

iBMS 24 cells LiFePO4
Voltagem máxima: 100V
70A nominais
115A -> 3 min
170A -> 1 sec

Os (5 + 5) MOSFET têm um Rds(on) típico de 2,0mOhm e o current sense é feito por 3 resistências de 1mOhm em paralelo de 3,5W.







Melex 666 48V 4KW 180Ah

iBMS 24 cells LiFePO4 (populada para apenas 16 células)
Voltagem máxima: 80V
80A nominais
140A -> 3 min
320A -> 1 sec

Carregador de 60A de transformador e rectificador de onda completa.

Os (5 + 5) MOSFET têm um Rds(on) típico de 1,6mOhm e o current sense é feito por 3 resistências de 1mOhm em paralelo de 3,5W.

Placa CPU protegida com revestimento de Conformal para ambientes agressivos.



Placa de Bleed e potência protegida também com revestimento de Conformal para ambientes agressivos e sensor de temperatura nos MOSFET e dissipador aletado no verso.











Interruptor para ligar o BMS e LED indicador quando não há interesse em modificar o circuito de ignição.



Zallys de 24V Sinopoly 60Ah

Interface LCD debaixo do banco do lado esquerdo.

O projecto das placas foi pensado numa prespectiva de robustez, fiabilidade e flexibilidade que era básicamente o que faltava nos produtos existentes no mercado.

Os veículos eléctricos não necessitam de tantas intervenções de manutenção com substituição de material (óleos, filtros, etc.) como um CI. Mas é fundamental para um utilizador de VE saber se o carregador está a funcionar correctamente, o controlador e o motor trabalham dentro de especificações e se o pack de baterias está de boa saúde.

A informação fornecida pelo sistema permite além de tudo isto um diagnóstico telefónico fazendo o instalador algumas perguntas relevantes. Para o instalador a ferramenta permite a optimização do sistema, correcta configuração de controladores, carregadores e saber quais são exactamente os parâmetros de funcionamento do sistema. Valores nominais e picos de corrente, potências, consumos, pontos fracos no pack, abaixamentos de tensão por célula, diagnóstico de carregadores e sistema eléctrico do VE, etc. (ver manual da interface LCD no primeiro post).

Técnicamente como tudo isto funciona:

O sistema é constituído por duas placas. Uma placa CPU e uma placa de bleed e potência. A placa CPU contém um divisor de entrada de elevada impedância (> 1Mohm ±0,1% ± 25ppm/°C), multiplexers analógicos, amplificador de instrumentação de precisão, CPU, e addressable latches de saída para controlo da bleed section. Contém ainda amplificadores para medição de correntes de descarga baixas, altas, correntes de carga e detecção de curto-circuitos.
A alimentação (12mA) do sistema é feito pelas 3 ou 4 primeiras baterias dependendo dos modelos. A alimentação dos reguladores especialmente desenvolvidos para o ambiente agressivo da industria automóvel é ainda protegia contra ligação reversa, corrente excessiva e transientes (TVS). Quando a iginição está desligada e o VE não está a carregar o sistema de BMS está desligado e não existe qualquer consumo exceptuando o divisor de alta impedância de entrada.

A placa de bleed e potência contém a secção de potência da bleed section. Os bleeds são concretizados por resistencias fusíveis de 15Ohm 2W que dissipam habitualmente 900mW ao fazer bleeds de 240mA. A superfície das resistências atinge os 70ºC e daí estarem montadas afastadas do PCB de preferência numa posição vertical. Nesta posição a convecção natural do ar mantém a temperatura controlada mesmo em periodo de Verão. Caso a montagem do PCB seja horizontal a placa de bleed deve ficar por cima e convém montar uma pequena ventoinha de 12V que é controlada pelo próprio BMS. O facto das resistências de bleed ficarem entre as duas placas cria uma protecção adicional. Todos os circuitos de bleed estão protegido com PTCs individuais.

Uma pergunta que me fazem com frequência é se é possível utilizar correntes de bleed mais elevadas. Foram testadas inicialmente resistências de 8,2Ohm que equivalem a bleeds de 445mA (1,6W) e a temperatura nas zonas de soldadura era demasiado elevada. O desenho do sistema teria de ser radicalmente alterado e o atravancamento do conjunto seria muito superior. Testes posteriores revelaram que o valor de 240mA até hoje sempre foi suficiente mesmo para circunstâncias muito longe do ideal, a saber:

Baterias antigas (5 anos) e maltratadas com valores de resistência interna muito variáveis dentro do mesmo pack.
Baterias antigas (5 anos) de diferentes capacidades misturadas no mesmo pack.
Baterias novas de diferentes fabricantes no mesmo pack.
Baterias novas de diferentes capacidades no mesmo pack.
Baterias de média capacidade (180Ah).
Descargas completas constantes a 3C em baterias que suportam 10C.

Não tenho dados para descargas constantes a 3C em baterias que suportam apenas 3C (< 15 min) porque habitualmente não submento os equipamentos a este tipo de abuso.

O consumo do próprio BMS das primeiras baterias é balanceados ao fim de alguns minutos. Mesmo 8 horas de uso (3 drive + 5 carga) significam 96mAh que balanceiam ao fim de 24 min no final da bulk charge.

Numa situação normal e configuração standard durante a carga os bleeds ligam individualmente quando qualquer célula ultrapassa os 3,65V e desligam 25mV abaixo deste valor (configurável), o carregador é desligado quando qualquer célula ultrapassar os 3,75V e liga novamente quando todas estiverem abaixo dos 3,65V. A descarga é cortada quando qualquer célula baixar dos 2,50V (programável) por mais de n décimos de segundo (programável). O corte na descarga pode sofrer compensação de temperatura opcional para correntes acima do valor nominal do BMS e permitir que packs antigos e maltratados possam fazer ainda muitas dezenas de milhares de kilometros com toda a segurança.

O corte de carga e descarga é feito de forma independente por grupos de MOSFETs em paralelo e de baixa impedância (Rds(on)). O conjunto fica com uma impedância muito inferior a um contactor monopole DC que apresentam fácilmente 100mOhm de resitência no path de potência. Em vez de serem utilizados umas dezenas de MOSFETs baratos e um dissipador generoso optou-se por diminuir a potência dissipada sob a forma de calor utilizando um número inferior de MOSFETs mas sendo estes de boa qualidade (caros). Torna-se mais fácil assim de fazer o conjunto responder em uníssono a um corte rápido por curto-circuito. De notar também que o espaço disponível para montar estes equipamento em alguns VEs é extremamente reduzido. Tudo isto influenciou de alguma forma as decisões tomadas durante a fase de projecto.

Neste momento temos em produção uma versão para 32 células.

Os multiplexer usados na versão de 24 células são já de 32 entradas nem sequer foi necessário trocar de equipamento. A filosofia geral de funcionamento mantém-se.

A placa de bleed e potência já de si maior do que a de CPU numa das dimensões foi agora subdivida em duas: a bleed section p/ 32 células e a (9 + 9) MOSFET section. Ficam portanto 3 placas sobrepostas para diminuir o atravancamento geral.

Para responder aos consumidores mais elevados esta board de potência tem os seguintes limites:

(9 + 9) MOSFET
Tensão máxima: 120V
Tensão nominal: 96V
100A nominais (9,6KW)
170A -> 3 min (16,3KW)
250A -> 1 sec (24KW)

A medição de correntes pode ser feira por 5 resistencias de sense de 1mOhm em paralelo ou por um sensor de efeito Hall externo. No caso de ser usado o sensor de efeito Hall exteno este tem um consumo de 22mA (iria triplicar o consumo do BMS) e obriga é colocação de um DC/DC converter (TracoPower - Suiço) na placa CPU para que a alimentação do BMS seja feita pela totalidade do pack - esta opção está sempre disponível nesta placa mesmo para o current sense resistivo.

Para a química de 3,7V nominal (4,2V Max) Ex. Kokam há que ter em atenção o seguinte:

Os MOSFET de 100V dão para um máximo de 23 células nas placas de 24 células (23 x 4,2V = 96,6V).

Os MOSFET de 120V dão para um máximo de 28 células nas placas de 32 células (28 x 4,2V = 117,6V).

Costumamos alterar os valores da segunda resistência do divisor de tensão de entrada para manter os valores nas entradas analógicas ADC até aos 3,75V no CPU para obter a melhor linearidade possível. De resto é tudo igual. O BMS é configurado com os valores de referência do fabricante. De notar que esta química apesar de ser mais leve e mais compacta do que a LiFePO4 o número de ciclos de vida fica-se por menos de metade também.

iBMS Pb para packs SLA (chumbo)

Exemplo para 3KW 4s ou 5s com características idênticas aos modelos de lítio:



Exemplo para 1,5KW 4s:



Vou falar apenas onde este sistema diverge do correspondente em lítio.

O sistema é constituído por apenas um único PCB. A necessidade de balanceamento entre os diversos elementos em série mantém-se. A secção de bleed no entanto desapareceu, porquê? A tensão de carga de 14,7V numa bateria de chumbo não é químicamente estável. A própria bateria depois de interrompido o processo de carga faz um fall back da tensão em vazio para cerca de 13,8V. Isto funciona como uma emulação dos bleeds para efeito de balanceamento inicial.

Os carregadores de baterias construídos a partir de fontes comutadas especialmente desenhados para baterias SLA depois de levarem cada uma das baterias aos 14,7V e a corrente cair abaixo de determinado valor baixam automáticamente a tensão para 13,7V por bateria. Nesta altura o LED verde do carregador está aceso e a corrente de carga é baixa. No entanto nesta fase dá-se um fenómeno de equalização do pack que não deve ser interrompido e é saudável manter por 3 ou 4 horas.

O iBMS Pb corta o carregador quando a tensão de qualquer bateria excede o limite superior (devidamento compensado com a temperatura ambiente) e corta a descarga quando qualquer bateria cai abaixo do limite inferior (devidamente compensado com a corrente de descarga, 10,5V para valores baixos de corrente) por um tempo superior a n décimos de segundo (programável).

Ao contrário das versões de lítio que desligam por completo com a ignição, este BMS nunca desliga mas entra num modo especial de sleep de baixo consumo. O mesmo CPU trabalha a apenas 1Mhz para diminuir o consumo. A placa contém dois reguladores de tensão, um para o CPU e o outro controlado pelo CPU para o resto dos componentes da placa. Quando o VE não é usado por mais de 20 min o CPU faz o power down de toda a placa e coloca-se a ele próprio num modo adormecido de baixo consumo com o intuíto de manter apenas o RTCC (Real Time Clock and Calendar) a funcionar. Existe um botão de pressão em que o utilizador acorda o CPU do BMS (por interrupt) para o modo normal de funcionamento.

Qual é o objectivo de tudo isto?

Enquanto que a química de lítio é tolerante á situação de armazenamento com carga parcial o chumbo não. Se a bateria chumbo for armazenada com apenas uma carga parcial, parte to sulfato de chumbo cristaliza e deixa de participar nas reacções químicas de carga e descarga. A bateria fica com a sua capacidade permanentemente diminuída e este efeito é cumulativo.

Um dos problemas no comércio das soluções de chumbo são o prazo de garantia reduzido que causa insegurança ao comprador. O vendedor não pode dar prazos extendidos de garantia ao pack de chumbo porque a vida deste dependo do uso que vai ser dado pelo utilizador.

O iBMS Pb permite registar o padrão de utilização do pack de chumbo, o vendedor por dar 1 ou 2 anos de garantia sobre o pack e pode verificar em caso de reclamação se o padrão de utilização do utilizador está conforme as condições de garantia. Mais, se uma célula tiver por exemplo um defeito de fabrico isto não vai afectar a saúde das restantes células do pack.

O iBMS Pb regista adicionalmente em relação aos modelos de lítio:

O tempo total de vida do pack.
O maior tempo decorrido entre duas cargas completas consecutivas.
Número de dias que o pack passou completamente descarregado (2 dias a meia carga contam como um dia descarregado)

O tempo total de vida serve para verificar se houve marotice.

O maior tempo decorrido entre duas cargas completas consecutivas deverá ser inferior a 45 dias ou então o valor que ficar combinado nas condições de garantia.

O número de dias que o pack passou completamente descarregado ilustra o padrão de carga. Vamos imaginar um utilizador que tem um EV com uma autonomia de 50Km e todos os dias úteis percorre 40Km profissionalmente (20Km de manhã e 20Km de volta ao final do dia) e a carga é efectuada ao final do dia depois de regressar a casa. 9h x 20Km/50Km = 3,6h de bateria completamente descarregada por dia. 3,6h x 22 dias úteis x 11 meses = aprox. 36 dias de bateria completamente descarregada por ano. Numa utilização deste tipo não é normal aparecerem mais 30 e picos dias de bateria completamente descarregada por ano. Valores superiores a estes denotam descuído nas operações de carga para esta química.

No tecnologia de chumbo notamos uma existencia percentualmente superior de defeitos de fabrico nas baterias em relação ao lítio (LiFePO4). Estas unidades defeituosas são substituídas ao abrigo da garantia por novas unidades.

Alguns establecimentos reparadores de motociclos ainda aconselham clientes de VEs com baterias de chumbo a não efectuar cargas frequentes para não "viciar" a baterias... quando o pretendido é exactamente o contrário. Quanto menores forem as descargas e quanto mais depressa se recolocar á carga melhor.

Parabéns pelo tópico e pelo serviço que fazes na comunidade eletrica.
Este bms vai ajudar a recuperar a confiança nos VE e fazer com que haja uma expansão em Portugal e quem sabe no estrangeiro.

Boa sorte para o bms

Qdo tiveres para 40 ou 42 celulas...falamos!

Combinado Orlando.

Eis um pequeno video da interface LCD durante uma fase final de balanceamento:

Entretanto vou me deliciando com estes posts!

Ora aqui está uma coisa que vou precisar com urgência...

Com as correntes que estou a trabalhar...

Amigo MVS lembrei-me de uma coisita que deve ser bastante interessante de se aplicar, e gostava de saber a tua opiniao. Provavelmente ja pensaste nisto e nao é viavel, ou nao é tao facil de aplicar.
Estava a pensar em ter um sistema de escolha para seleccionar a que amperagem se quer carregar, ou seja, em vez do pessoal andar com 2 e 3 carregadores andava so com um de muita amperagem (este "muita" varia conforme a capacidade das baterias), andava so com um com a tal "muita" amperagem e depois no BMS escolhia a que amperagem quer carregar, tipo 10A, 20A, 30A.
Lembrei-me disto e como me tinhas dito que havia muitas cosias na lista de "coisas a fazer com o iBMS"... Que dizes?