Desenvolvimento de um BMS para aplicações de mobilidade elétrica

Abstract

A constante evolução tecnológica das baterias culminou num aumento da capacidade e densidade de energia das mesmas. Contudo, grande parte destas necessita de cuidados especiais para o seu correto funcionamento, nomeadamente um sistema que faça a gestão energética das mesmas. Neste âmbito surgem os sistemas de gestão de baterias. Um Sistema de gestão de baterias, identificado na literatura por BMS (Battery Management System), deve garantir as condições de funcionamento ótimas para as baterias, de modo a prolongar a sua vida útil, bem como otimizar a sua carga e descarga. Para tal, estes sistemas incorporam uma série de funções, entre as quais monitorização dos parâmetros, controlo de carga e descarga, equalização da carga das baterias, medidas de segurança, entre outras. Nesta Dissertação é apresentado o desenvolvimento de um BMS para aplicações de mobilidade elétrica, bem como todas as etapas adjacentes a este projeto. Numa primeira fase, é realizado um estudo sobre as tecnologias das baterias existentes no mercado e a comparação das suas características, bem como dos modelos existentes para descrever o seu funcionamento. De seguida são apresentados os conceitos relacionados com os BMSs, bem como algumas das suas possíveis topologias, funções e componentes, comparando diferentes soluções e aprofundando sobre as técnicas usadas para a equalização da carga das baterias. Posteriormente, recorrendo ao software de simulação computacional PSIM, são desenvolvidas simulações do sistema em interação com o modelo das baterias de forma a prever a reação do mesmo, bem como validar o seu correto funcionamento. Validadas as simulações, a solução projetada é implementada, nas suas partes de hardware e software, sendo efetuados testes por etapas para validar o correto funcionamento de cada uma das partes, e por fim, são realizados os testes ao sistema completo a funcionar como um todo. Por último são apresentados os resultados obtidos bem como as conclusões resultantes da realização deste trabalho.

The constant technological evolution of the batteries resulted in increased capacity and energy density of the same. However, most of these require special care for proper functioning, namely a system that does the energy management. In this context appear the Battery Management System. A Battery Management System, identified in the literature as BMS, should guarantee the optimal operating conditions for the batteries in order to extend their useful life time, as well as optimize their charging and discharging processes. For such, this system includes a number of functions, such as monitoring of the parameters, charging and discharging control, battery charge equalization, security measures, among others. This M.Sc. dissertation presents the development of a BMS for electric mobility applications, as well as all the steps adjacent to this project. Firstly, it is studied the batteries technology available in the market and made a comparison of their characteristics, as well as the existing models to describe their behaviour. After that, the concepts related with the BMSs are presented, as well as their different structures, functions and components, comparing different solutions and focusing in the different techniques used for the battery charge equalization. Afterwards, using the computer simulation tool PSIM, simulations of the system interacting with the battery model were developed, in order to predict their behaviour and validate their correct operation. After validating the simulation results, the solutions were projected and implemented, both in their hardware and software parts, being tested individually, to guarantee the correct operation of each part, and finally it were performed the tests of the complete system, working as a whole. Lastly, are presented the experimental results obtained and the conclusions resulting from this work.