Gestão da bateria de veículos elétricos: monitorização, estimativa e controlo

O sistema de gestão da bateria (BMS) de um veículo elétrico transforma medições de tensão, corrente e temperatura em estimativas do estado da bateria e em limites de potência de carregamento e propulsão. Também supervisiona a ligação elétrica da bateria ao veículo e reage a falhas.

Este capítulo explica essas medições e decisões. Battery Pack and Configuration descreve a configuração elétrica sobre a qual atuam.

O que mede o BMS

As células ligadas diretamente em paralelo partilham a mesma tensão nos terminais. Por isso, o BMS mede normalmente cada grupo paralelo como uma posição da ligação em série. Um conjunto hipotético 108s4p contém 432 células físicas, mas tem 108 tensões de grupos em série para monitorizar.

Estas leituras revelam diferenças que a tensão total do conjunto pode ocultar. Uma leitura elevada num grupo pode compensar outra baixa noutro ponto, fazendo o total parecer normal. O controlador precisa das leituras individuais para identificar o grupo que se aproxima de um limite.

Além destas tensões, o BMS utiliza medições da corrente do conjunto e sensores de temperatura. As temperaturas medidas descrevem os locais dos sensores; não medem diretamente cada ponto no interior de cada célula. A monitorização ao nível do conjunto também verifica a alta tensão e o isolamento elétrico, enquanto os circuitos de diagnóstico informam sobre as ligações e os estados de comutação. Texas Instruments: automotive battery-management systems

A integração da corrente ao longo do tempo ajuda a estimar a carga restante. A tensão e a temperatura limitam a corrente permitida.

Como se organiza o hardware

A eletrónica do BMS pode ser centralizada, modular ou distribuída. Na classificação da Nexperia, um BMS centralizado gere todo o conjunto a partir de uma unidade central. Uma configuração modular distribui a monitorização e o controlo por unidades responsáveis por subconjuntos de módulos, que comunicam com um controlador central. Uma configuração distribuída coloca a monitorização e o balanceamento em células individuais ou pequenos grupos, ligados por um barramento de comunicação. Nexperia: Battery Management System technical guide

O projeto de referência da NXP de 2023 para aplicações de 800 V ilustra estas funções com unidades de monitorização de células, uma unidade de gestão da bateria e uma caixa de junção da bateria. NXP: 800 V BMS reference-design user guide (2023)

Unidades de monitorização e controlador

As unidades de monitorização de células (CMU) medem as tensões dos grupos de células e os sinais dos sensores de temperatura junto às células. Também podem incluir circuitos de balanceamento. A unidade de gestão da bateria (BMU) recolhe estas leituras e executa o software de controlo. NXP: 800 V BMS reference-design user guide (2023)

As ligações por cabo podem conectar os dispositivos de monitorização em cadeia. Um percurso de comunicação redundante pode preservar o acesso às medições após a falha de uma ligação, desde que o hardware e a estratégia de controlo o permitam. Texas Instruments: functional safety in battery management (2020)

Um BMS sem fios substitui a cablagem de comunicação entre a eletrónica de monitorização de células e o controlador central por uma ligação de rádio. A Analog Devices descreve esta ligação no seu sistema BMS sem fios. Analog Devices: wireless battery management (2022) A medição de tensão e o balanceamento continuam a ser funções elétricas locais nas células. NXP: 800 V BMS reference-design user guide (2023)

A caixa de junção da bateria

A caixa de junção da bateria (BJB) contém as ligações de alta corrente e os dispositivos de comutação do conjunto; a configuração da medição varia. A TI distingue uma caixa convencional, cujos fios de medição seguem para a BMU, de uma caixa inteligente com monitorização local do conjunto. Texas Instruments: intelligent battery junction boxes (2022)

É importante sincronizar as amostras de tensão e corrente: leituras obtidas em momentos diferentes durante uma variação de carga podem distorcer os cálculos de potência e resistência. Texas Instruments: intelligent battery junction boxes (2022)

Estimar carga, energia, potência e estado de saúde

O BMS calcula grandezas que os sensores não conseguem medir diretamente. As suas definições e condições de referência determinam o significado de uma percentagem apresentada ou de um valor de diagnóstico.

Estado de carga

O estado de carga (SOC) exprime a carga elétrica restante em relação a uma capacidade de carga de referência, normalmente em percentagem. A contagem de coulombs acompanha a carga que entra e sai através da integração da corrente ao longo do tempo. Analog Devices: SOC and SOH estimation techniques (2023)

Num exemplo simplificado, uma corrente de descarga constante de 10 A durante 30 minutos retira 5 Ah. Com uma capacidade de referência fixa de 100 Ah, isso representa cinco pontos percentuais de SOC. Este cálculo acompanha a carga; calcular energia também exige a tensão.

Um desvio persistente do sensor de corrente produz um erro acumulado à medida que a corrente é integrada ao longo do tempo. A análise da Analog Devices sobre a precisão da contagem de coulombs descreve este desvio e outros erros de medição. Analog Devices: accuracy of coulomb-counting systems (2000)

O cálculo também precisa de um SOC inicial. A tensão pode ajudar a corrigir a estimativa, mas responde à carga e à temperatura. Estimadores baseados em modelos, como os filtros de Kalman, combinam medições com o comportamento previsto da bateria para atualizar o SOC. Analog Devices: SOC and SOH estimation techniques (2023)

As células LFP tornam a estimativa baseada na tensão particularmente difícil na zona plana da curva de tensão em circuito aberto. A histerese também faz com que a tensão dependa do percurso de carga ou descarga anterior. O estudo de Che e colegas de 2025 analisa estas dificuldades e o uso de medições de relaxação para corrigir estimativas de SOC. Che et al.: Enhanced SOC Estimation for LFP Batteries (2025) Cell Chemistry and Components explica os materiais subjacentes.

A percentagem no painel de instrumentos converte depois a estimativa da bateria numa escala destinada ao condutor. Os valores apresentados de 100% e 0% não têm de coincidir com os limites de funcionamento das células nem com o esgotamento de toda a energia acessível; Battery Buffer and Usable Capacity explica a distinção.

Uma medição da tensão em circuito aberto após um repouso suficientemente longo pode fornecer uma nova referência de SOC, usando a relação tensão–SOC da célula. Analog Devices: SOC and SOH estimation techniques (2023) Corrigir a estimativa pode, assim, alterar a percentagem apresentada sem acrescentar energia nem recuperar capacidade perdida. As rotinas de carregamento devem seguir o manual do veículo.

Energia restante e estado de energia

A energia utilizável restante é expressa em kWh. O estado de energia (SOE) pode, por sua vez, ser expresso como fração ou percentagem: a MathWorks define-o como a energia restante dividida pela energia total de referência. A referência e as condições de descarga devem ser claras ao comparar valores. MathWorks: state-of-energy estimator

As percentagens de SOC e SOE não têm de ser idênticas, porque a tensão varia durante a descarga. Duas baterias com o mesmo SOC também podem ter quantidades diferentes de energia restante simplesmente porque as suas capacidades diferem.

Estado de potência

O estado de potência (SOP) descreve a potência que uma bateria pode aceitar ou fornecer dentro dos seus limites durante um período definido. As capacidades de carga e descarga são calculadas separadamente. Um pico breve e uma potência sustentada correspondem a exigências diferentes.

Um estimador de potência avalia como a tensão das células responderá à corrente, usando fatores como SOC, temperatura e resistência. A corrente permitida do conjunto tem de respeitar os grupos de células limitantes e os limites do próprio conjunto. O modelo de potência de bateria da MathWorks ilustra este cálculo durante um horizonte de previsão definido. MathWorks: battery power estimator

Estado de saúde

O estado de saúde (SOH) descreve as capacidades em relação a uma referência, normalmente a bateria nova. A retenção de capacidade e a aptidão para fornecer potência são aspetos diferentes. Uma percentagem de SOH exige uma métrica e uma base de comparação definidas. Analog Devices: SOC and SOH estimation techniques (2023)

O manual norte-americano da Tesla para o Model 3 de 2017–2023 distingue uma avaliação de saúde com dados do BMS de um teste opcional que indica a retenção de energia em relação ao estado novo. O manual refere que a função de teste pode não estar disponível em todos os veículos. Tesla Model 3 (2017–2023): high-voltage battery health, US manual

Battery Degradation aborda com mais detalhe a perda de capacidade e o aumento da resistência.

Ligar e proteger o circuito de alta tensão

Os contactores são interruptores acionados eletricamente que ligam a bateria ao circuito de alta tensão do veículo. Antes de autorizar essa ligação, a lógica de controlo verifica as medições e os sinais de falha relevantes.

Pré-carga

Os equipamentos de alta tensão, como o inversor, contêm condensadores. Ligar diretamente à bateria um condensador descarregado do barramento de corrente contínua pode provocar uma corrente de irrupção elevada, danificar componentes ou soldar as superfícies dos contactores. Um circuito de pré-carga convencional carrega-o primeiro através de uma resistência. Texas Instruments: high-voltage precharge circuits (2021)

Na configuração ilustrada pela TI, o contactor principal negativo e o percurso de pré-carga fecham enquanto o contactor principal positivo permanece aberto. Quando a tensão do lado da carga se aproxima da tensão da bateria, o circuito passa a conduzir a corrente pelos contactores principais, com o ramo de pré-carga aberto. Texas Instruments: high-voltage precharge circuits (2021)

As medições de tensão do lado da bateria e do lado da carga permitem acompanhar a pré-carga e apoiam o diagnóstico da comutação. Texas Instruments: intelligent battery junction boxes (2022) As leituras devem ser interpretadas segundo o estado de funcionamento do circuito: a pré-carga aproxima as duas tensões enquanto o contactor principal positivo ainda está aberto, pelo que tensões coincidentes, por si só, não demonstram que tenha fechado. Texas Instruments: high-voltage precharge circuits (2021)

Monitorização do isolamento e do interbloqueio

A monitorização do isolamento verifica a resistência elétrica entre o circuito de alta tensão e o chassis. Deteta um percurso condutor indesejado, em vez de apenas verificar se um conector está encaixado. A BJB de referência da NXP inclui monitorização do isolamento entre a bateria e o chassis. NXP: 800 V BMS reference-design user guide (2023)

O circuito de interbloqueio de alta tensão (HVIL) é um circuito de baixa tensão separado que atravessa as ligações monitorizadas. O projeto de referência da TI distingue ligações fechadas, ligações abertas e curtos-circuitos e comunica o estado à lógica de segurança do veículo. Texas Instruments: high-voltage interlock reference design (2024) Uma falha de interbloqueio e uma falha de isolamento descrevem, portanto, problemas diferentes, embora ambas possam impedir a ativação da alta tensão.

As respostas dependem da falha

As decisões de proteção dependem da falha e do estado de funcionamento do veículo. Podem incluir limitar a potência, parar o carregamento, avisar o condutor ou impedir nova ligação. Uma sobrecorrente grave pode ativar uma proteção mais rápida: a TI descreve uma saída dedicada da monitorização do conjunto que pode acionar um dispositivo de corte pirotécnico. Texas Instruments: intelligent battery junction boxes (2022)

A segurança funcional também trata as falhas da própria eletrónica de monitorização e controlo. ISO/TR 9968:2023 fornece um enquadramento informativo para aplicar a metodologia ISO 26262 em sistemas recarregáveis de armazenamento de energia, incluindo BMS, células e ligações. ISO/TR 9968:2023: functional safety of rechargeable energy-storage systems

Abrir os contactores isola o circuito externo, mas deixa energia armazenada nas células e tensão nos condutores internos. Battery Safety aborda falhas internas das células, contenção física e proteção contra a propagação.

Como os limites afetam o carregamento e a condução

O BMS transmite os limites permitidos de carga e descarga aos restantes controladores do veículo. Durante o carregamento rápido, o controlador de carregamento utiliza os limites da bateria ao pedir corrente ao posto. A capacidade do carregador e o hardware do veículo podem impor limites adicionais; Battery Charging and Charging Performance explica o efeito na curva de carregamento completa.

À medida que a tensão de um grupo de células se aproxima do limite superior, a corrente de carga permitida diminui. Durante a descarga, uma queda de tensão num grupo limitante pode restringir a corrente disponível para propulsão. O condutor pode, por isso, sentir menor aceleração mesmo com energia ainda no conjunto. MathWorks: battery power estimator

A travagem regenerativa devolve energia à bateria e tem de respeitar o seu limite de potência de carga. A compensação automática com travões de fricção depende do veículo e das definições. O manual norte-americano da Tesla para o Model 3 de 2024 em diante descreve, por exemplo, uma função selecionável que aplica os travões convencionais quando a regeneração é limitada por uma bateria fria ou totalmente carregada. Esta compensação pode não funcionar se os travões estiverem extremamente quentes. Tesla Model 3 (2024+): braking and stopping, US manual

A partir das medições de temperatura, o BMS comunica pedidos de aquecimento e arrefecimento ao sistema de gestão térmica, juntamente com os limites de carga e descarga. Nexperia: Battery Management System technical guide Battery Thermal Management explica os percursos de transferência de calor e as estratégias de pré-condicionamento.

Balanceamento e informação de diagnóstico

O balanceamento reduz diferenças de nível de carga entre grupos ligados em série. Num sistema passivo, uma resistência dissipa energia de grupos selecionados para que os restantes possam continuar a carregar. Analog Devices: passive battery cell balancing (2016) O balanceamento altera a distribuição da carga; a calibração do SOC altera a estimativa. Os métodos e os seus limites são descritos em Cell Balancing.

A informação de diagnóstico ajuda a distinguir um problema de célula de um problema de medição ou ligação. Por exemplo, um fio de medição de tensão desligado pode eliminar uma leitura válida sem que a própria célula tenha falhado. As falhas de comunicação podem também tornar as medições indisponíveis para o controlador, que poderá então não ter a informação necessária para autorizar a continuação do funcionamento. Texas Instruments: functional safety in battery management (2020)

Ao interpretar uma percentagem de diagnóstico, verifique se é uma estimativa do funcionamento normal ou um resultado de teste, o que mede e qual a referência utilizada.