Estado de Carga (State of Charge ou SoC) das baterias

Estado de Carga (State of Charge ou SoC) das baterias

7 de julho de 2020

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Capacidade de carga e descarga da bateria

O termo capacidade refere-se à quantidade máxima de carga que a bateria pode armazenar. É indicado em ampere horas (Ah) e depende de vários fatores: a corrente de descarga, a tensão final de descarga da bateria (a tensão na qual a descarga se detém), a temperatura e a idade do sistema.

É importante diferenciar a capacidade da carga e descarga da bateria [Ah] da capacidade de armazenamento da mesma [kWh]. Enquanto o primeiro diz respeito à amplitude de carga e descarga da bateria, o segundo significa a quantidade de energia que a bateria é capaz de armazenar.

 Outra importante questão é a diferença entre a capacidade nominal de uma bateria, que considera os valores de uma bateria nova, segundo fabricante, e a capacidade atual da bateria, que leva em consideração o envelhecimento e temperatura da bateria.

Estado de carga (State of Charge)

O estado da carga de uma bateria, também chamado SoC, fornece uma indicação da quantidade de carga disponível no momento. O estado da carga é dado em porcentagem; portanto, se a bateria tiver 100%, está totalmente carregada, a bateria está vazia quando SoC estiver em 0%.

Baterias de chumbo ácido não devem ficar abaixo de um limite, normalmente compreendido na faixa de 20 a 40%. Ficar abaixo desse limite pode causar descargas profundas que reduzem significativamente a vida útil da bateria e a destroem completamente. Embora o estado da carga possa basear-se na capacidade nominal do acumulado, isso não fornece uma indicação realista da quantidade de carga atualmente disponível. A razão para isso é que o estado de carga também depende de outros fatores, como a temperatura do ambiente, a idade e o histórico da bateria.

Controlador de carga

O controlador de carga controla e monitora as cargas e descargas da bateria. Sua principal tarefa é evitar sobrecargas e descargas profundas. Isso pode ser feito da maneira mais simples, limitando as tensões de carga. Controladores de carga mais complexos usam mais parâmetros de controle, como temperatura, tempo ou carga atual. Um controlador de carga pode ser incorporado a um sistema Off-Grid como um componente único ou pode ser integrado ao próprio inversor, como é o caso dos inversores SMA Sunny Island.

Por que determinar o estado de carga?

A resistência elétrica (em termos de desempenho) das baterias depende de dois fatores: como são carregadas e descarregadas as baterias e da determinação precisa do estado de carga. A maneira mais confiável de evitar uma descarga profunda durante a descarga de uma bateria, é aumentar sua resistência elétrica é descobrir seu estado atual de carga, pois, no caso de uma descarga profunda, ocorrem processos químicos que causam um envelhecimento considerável na bateria.

Causas de envelhecimento da bateria

Corrosão

Qualquer redução no volume dos produtos químicos ativos na bateria reduz diretamente sua capacidade elétrica. Ao mesmo tempo, o ciclo de vida potencial diminui.

Com o tempo, o eletrólito pode vazar devido à deterioração das vedações do selo da bateria. Mesmo com boas vedações de eletrólitos, os solventes podem eventualmente penetrar na junta por um longo período e o eletrólito seca, fazendo com que as baterias sejam armazenadas em uma atmosfera seca ou se seu conteúdo estiver sob pressão devido a altas temperaturas.

A corrosão é um exemplo disso, como outros compostos que podem ter sido causados ​​por superaquecimento. Gaseificação e evaporação são dois mecanismos pelos quais o eletrólito pode ser perdido, causando uma perda irreversível na capacidade da bateria.

“Divergência” das células

Nenhuma bateria é igual, mesmo que pareça idêntica, e tenham a mesma capacidade nominal especificada e descarreguem da mesma maneira. Ainda que ligeiramente, seu comportamento pode ser diferente durante a descarga.

 Portanto, células “fracas” em uma estrutura de bateria atingem um estado de descarga profunda mais cedo, o que significa que envelhecem mais rapidamente do que outras células devido à sulfuração e corrosão. Como a diferença entre baterias individuais aumenta ao longo dos anos, esse fenômeno é conhecido como “divergência celular”.

Nesse ponto, a temperatura da bateria também será mencionada como outro fator que influencia o envelhecimento, uma vez que altas temperaturas promovem sulfuração e corrosão.

Por isso, sistemas de baterias que contêm um balanceamento ativo e monitoramento a nível celular, como a Tesvolt, têm maior durabilidade.

Outras causas, dependendo do tipo de bateria e sua composição química.

À medida que a bateria envelhece, tanto a composição química quanto a estrutura cristalina do material mudam, os cristais maiores tendem a formar dendritos metálicos nos eletrodos.

Existem várias consequências devido a essas mudanças:

  • À medida que os cristais menores criados durante a fabricação da bateria crescem, a impedância interna da bateria aumenta e a capacidade diminui.
  • O crescimento e a dendritização do cristal causam inchaço dos eletrodos, que, por sua vez, pressionam o eletrólito e o separador. Com os eletrodos pressionando-se mais, a auto-descarga da bateria tende a aumentar.
  • Em casos extremos, o separador pode ser penetrado por crescimento dendrítico ou de vidro, resultando em uma auto-descarga ou curto-circuito ainda mais alto.

Métodos para determinar o estado de carga

Monitoramento da bateria através da medição de tensão

Existem várias maneiras de evitar sobrecarga e descarga profunda das baterias. O método mais simples, utilizado com mais frequência, é a especificação de uma tensão de carga final e uma tensão de descarga final. Com isso, a tensão é constantemente ajustada após a tensão de carga final ser atingida. O processo de descarga termina quando a bateria atinge o limite definido.

Como a tensão da bateria pode ser facilmente medida, esse método é lógico. No entanto, isso não é adequado para proteção contra descargas profundas, pois a tensão depende não apenas do estado da carga, mas também da carga atual da bateria. Portanto, desta forma a descarga se detém muito cedo ou muito tarde.

Além disso, a tensão do circuito aberto de uma bateria pode ser usada para medir o estado da carga. Nota-se aqui que a bateria não pode ser continuamente carregada por um período de vários dias ou descarregada da mesma forma. Além disso, a relação entre o estado de carga e a tensão do circuito aberto é muito diferente entre diferentes baterias.

Modelos de corrente/tensão

Os chamados modelos de corrente/tensão incorporam a tensão e as correntes da bateria ao calcular o estado da carga. Portanto, a dependência da tensão da bateria nas correntes de carga e descarga é levada em consideração e é possível determinar o estado da carga de maneira um pouco mais precisa do que ao medir somente a tensão. No entanto, esses modelos também não podem determinar com precisão o estado da carga, pois ignoram fatores importantes como envelhecimento, temperatura e perfil de descarga. Portanto, erros significativos de mais de 50% não podem ser descartados ao determinar o estado da carga com tais modelos.

Balanceamento de corrente

Um terceiro método para evitar sobrecargas e descargas profundas é equilibrar a corrente. Isso envolve medir e adicionar a corrente que entra e sai das baterias. Requisito necessário para este método: a bateria deve estar completamente carregada no início do balanceamento e sua capacidade total deve ser conhecida; essa é a única maneira de determinar o estado da carga.

A primeira dificuldade encontrada com este método são as reações colaterais imensuráveis ​​dentro da bateria e outra dificuldade é o nível de precisão necessário ao medir a corrente.

Essa precisão diminui à medida que a quantidade de tempo desde a última carga completa aumenta, porque erros de medição, independentemente de quão pequenos possam ser, também são incorporados à equação do balanceamento. Portanto, dispositivos baseados apenas no cálculo do balanceamento de carga não são adequados para usinas fotovoltaicas, pois muitas vezes acontece que longos períodos passam sem ser carregadas totalmente.

Determinação do estado de carga pela SMA

A determinação do estado de carga das baterias pelo SMA apresenta as seguintes características:

Precisão

Os inversores Sunny Island são capazes de determinar o estado de carga das baterias com alta precisão. Para esse fim, a SMA combinou os pontos fortes dos métodos de avaliação mostrados acima. O método de cálculo de balanceamento está em primeiro plano, isto é, a medição da corrente de entrada e saída. Como esse método seria relativamente pouco confiável por si só, especialmente para usinas fotovoltaicas integradas em redes independentes, é complementado por um modelo de tensão de corrente em determinadas situações. Essas medições de tensão são realizadas, por exemplo, à noite, quando pouca corrente está fluindo, e adicionadas à equação do balanceamento. Como resultado, os inversores Sunny Island alcançam precisão de medição de mais de 95%.

Adaptável

O ajuste automático da determinação do estado de carga ao tipo de bateria, envelhecimento e temperatura permite grande precisão – mesmo sob condições extremas. Usando um algoritmo de autoaprendizagem, o modelo de tensão atual se adapta às condições reais da bateria. Como resultado, é possível avaliar o estado da carga e a capacidade real das baterias.

O estado da carga é, portanto, baseado na capacidade real e não na capacidade nominal da bateria. Isso leva a uma melhoria significativa na precisão, especialmente em situações em que a temperatura é baixa, a corrente de descarga é alta ou a bateria é muito antiga.

Os inversores Sunny Island também notificam de forma confiável o operador da planta quando as temperaturas estão muito baixas ou as baterias estão no fim de sua resistência.

Regulamentação de carga pela SMA

Outro fator positivo dos inversores Sunny Island é sua regulamentação de carga extremamente preservada. Esta regulamentação seleciona automaticamente a melhor estratégia de carga para o tipo de bateria e a situação em que é usada. Assim, a sobrecarga é evitada e a bateria é totalmente carregada em intervalos regulares. A energia de carga disponível também é usada de forma otimizada o tempo todo. Além disso, como resultado, a determinação do estado da carga é mantida em grande parte livre de erros por um longo período. Desta forma, a divergência celular é também evitada pela carga regular de equalização. Isso é extremamente importante para garantir uma resistência da bateria significativamente mais longa.

Fácil de usar

Para projetistas de sistemas e operadores de instalações, a determinação do estado de carga da SMA oferece facilidade de uso: ao comissionar os inversores, eles devem especificar apenas a tensão nominal, o tipo de bateria e a capacidade nominal. Em seguida, durante a operação, os inversores Sunny Island, como um medidor de combustível, fornecem constantemente informações sobre o estado atual de carga das baterias. Como resultado, o usuário aprende a operar o sistema de maneira cada vez mais eficiente e pode usá-lo perfeitamente.

Economize o dobro dos custos

Devido à determinação exata do estado da carga, bem como à regulamentação precisa da carga, a sobrecarga e a descarga profunda são evitadas de forma confiável nos sistemas com Sunny Island. Consequentemente, as baterias podem ser usadas ​​por períodos mais longos: o sistema de gerenciamento de bateria desenvolvido pela SMA garante que a resistência da bateria declarada pelo fabricante também possa ser alcançada em sistemas não conectados à rede (Off-Grid).

O gerenciamento de bateria da SMA economiza ao operador do sistema a necessidade de fazer uma substituição muito precoce de baterias individuais ou de todo o banco de baterias e os custos de compra, respectivamente, maiores.

Além disso, a determinação precisa do estado da carga permite uma exploração ideal da capacidade da bateria. Isso significa que baterias menores e, portanto, mais econômicas podem ser usadas sem perda de desempenho e com maior durabilidade. O sistema de gerenciamento de baterias da SMA oferece, portanto, as condições ideais para a operação de sistemas.

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7 de julho de 2020
Introdução Baterias hoje são fundamentais para o dia a dia de qualquer um. Seja na utilização em meios de transporte como carros, bicicletas elétricas

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