Como escolher a fonte de alimentação e o conversor CC-CC adequados para um conjunto de baterias.

Escolher uma fonte de alimentação e um conversor CC-CC para um dispositivo alimentado por bateria envolve mais do que simplesmente combinar as especificações de tensão e potência. A tensão da bateria varia durante os processos de carga e descarga, e o equipamento pode consumir muito mais corrente na inicialização do que durante a operação normal. Um conversor que pareça adequado no papel pode apresentar dificuldades quando a bateria estiver quase descarregada, e uma fonte de alimentação com a tensão de saída correta pode ainda ser inadequada para carregar a bateria.

O processo de seleção começa com a faixa de tensão real da bateria e as demandas de energia da carga, e então prossegue com... requisitos de carregamento, classificações de conversores e testes em nível de sistema. Uma bateria LiFePO4 de 12.8 V fornece um exemplo prático de como esses fatores afetam a seleção de componentes.

1. Determine os requisitos da bateria e da carga.

Comece pelo comportamento real da mochila e pela demanda real da carga:

• Faixa de tensão. Utilize toda a faixa entre o limite de corte do BMS e a tensão de carga completa, não o valor nominal. A queda de tensão sob carga reduz ainda mais o valor mínimo.
• Limites de carregamento. Observe a tensão de término, a corrente máxima de carga e a faixa de temperatura de carregamento permitida.
• Perfil de carregamento. A energia contínua é importante, mas a partida rápida ou o pico de demanda geralmente são o que sobrecarregam o sistema.

Em seguida, faça uma pergunta que possa eliminar um componente: o equipamento aceita diretamente toda a faixa de tensão da bateria? Se sim, você pode não precisar de um conversor, o que elimina um custo, uma perda e um ponto de falha.

Caso não seja possível, calcule a corrente que a bateria deve fornecer. Ela é máxima quando a tensão da bateria é mínima, e esse fator determina a escolha do BMS, do fusível e da fiação.

No exemplo, A embalagem e a carga são:

Considerando uma eficiência de conversor de 90%, o consumo contínuo a 10 V é de 60 ÷ (0.9 × 10) = 6.7 A, contra 4.6 A a 14.4 V. O pico de corrente na partida a 10 V é de 180 ÷ (0.9 × 10) = 20 A. A bateria, o BMS, o fusível, a fiação e a entrada do conversor devem suportar essa demanda na tensão mais baixa do conjunto de baterias.

Uma observação sobre a capacidade: 256 Wh é a energia teórica na tensão nominal. O tempo de funcionamento real é menor, dependendo do corte de descarga, da eficiência do conversor, da temperatura, do envelhecimento das células e das configurações do BMS.

2. Certifique-se de que a fonte de carregamento seja compatível com a bateria.

Uma bateria não é uma carga que aceita qualquer voltagem que você forneça. As baterias de lítio esperam um perfil de carga definido: uma fase com corrente limitada, seguida de uma fase com voltagem constante na voltagem de corte especificada pelo fabricante, com a corrente mantida dentro dos limites permitidos pelas células e pelo BMS (Sistema de Gerenciamento de Bateria). O carregamento deve respeitar os limites de temperatura especificados pelo fabricante da célula ou da bateria, com proteção contra sobrecarga em baixas temperaturas quando necessário, e não se deve presumir que o BMS forneça essa proteção. As temperaturas mínimas de carregamento variam entre células, projetos de BMS e baterias, portanto, siga a faixa especificada pelo fabricante da sua bateria em vez de assumir um valor genérico.

É por isso que uma fonte cuja tensão de saída "parece correta" ainda pode estar errada, e por que três coisas que são frequentemente confundidas devem ser mantidas separadas:

• Fonte de alimentação CA-CC: Fornece saída CC, mas não inclui necessariamente controle de carga da bateria ou lógica de término.
• Carregador de bateria: Controla a tensão, a corrente e a terminação da carga de acordo com os requisitos da bateria.
• Fonte de alimentação e controlador de carga adequado: Também pode ser um projeto válido, dependendo de como for construído.

Antes de dimensionar a fonte de alimentação, confirme qual componente regula o perfil de carregamento e interrompe o carregamento, e quais proteções o BMS oferece. Não presuma que o BMS substitui um carregador projetado para os limites de tensão, corrente e temperatura exigidos pela bateria. Incompatibilidades típicas incluem um adaptador regulado cuja tensão é muito baixa para carregar a bateria, ou uma fonte de tensão mais alta sem limite de corrente que força a entrada de corrente em uma bateria descarregada e aciona o BMS, ou o sobrecarrega se a proteção falhar.

Só então determine a potência nominal: tensão máxima de carga × corrente máxima de carga, mais qualquer carga que o equipamento consuma durante o carregamento.

No limite de carga especificado, 14.4 V × 10 A equivalem a 144 W. Uma fonte de 150–180 W pode fornecer margem de potência suficiente, mas suas características de saída, controle de carga e classificação térmica também devem atender aos requisitos de projeto. Se o equipamento operar durante o carregamento, sua demanda de energia deve ser incluída no dimensionamento.

3. Escolha a topologia e as especificações corretas do conversor CC-CC.

A topologia decorre da posição da tensão da bateria em relação à tensão de saída ao longo de toda a descarga:

Com uma faixa de tensão de bateria de 10 a 14.4 V e uma saída regulada de 12 V, a tensão de entrada cruza a tensão de saída. Um conversor buck pode, portanto, perder a regulação próximo ao final da descarga, antes que o BMS atinja seu limite de corte de baixa tensão. Um conversor buck-boost cobre toda a faixa de tensão, o que o torna a opção ideal neste caso. Essa conclusão se aplica a este par de entrada e saída, e não a todos os sistemas.

Após escolher a topologia, verifique os seguintes itens da folha de dados:

• Intervalo de entrada com margem. A faixa de valores deve incluir o corte do BMS, a queda de tensão sob carga e qualquer sobretensão de carregamento. No exemplo, algo como 9–16 V.
• Corrente contínua nas suas condições. Utilize a corrente nominal reduzida considerando a temperatura ambiente e o fluxo de ar, e não o valor de referência a 25 °C. Uma carga contínua de 5 A requer margem para redução térmica e demanda transitória; portanto, verifique a corrente nominal necessária de acordo com as especificações do fabricante, e não apenas com base na corrente indicada.
• Comportamento de sobrecarga. O limite de corrente mantém a saída ou o conversor desliga e tenta novamente (modo de interrupção)?
• Eficiência em toda a gama. Leia a curva na sua carga e em ambas as extremidades da tensão, não apenas no valor do pico único.
• Bloqueio por subtensão e histerese. Esses parâmetros determinam quando o conversor desliga e liga novamente (consulte a Seção 5).

Compare esses itens com os dados da sua própria carga e embalagem. O único teste confiável para um produto em questão é verificar se a sua ficha técnica corresponde aos seus números.

Ao selecionar um conversor CC-CC, verifique se a faixa de tensão de entrada abrange toda a faixa de operação da bateria e se a potência de saída contínua e a capacidade de sobrecarga suportam tanto a operação normal quanto as demandas de inicialização. Analise as especificações dos produtos disponíveis. Casa de energia Pode ajudar a selecionar os candidatos mais adequados.

4. Considere as cargas de inicialização e os limites térmicos.

Um conversor com capacidade de corrente contínua suficiente ainda pode falhar na inicialização. Motores, bombas e transmissores de rádio podem consumir várias vezes a sua corrente de operação por um curto período. A corrente de pico na saída não pode ser avaliada apenas comparando-a com a corrente de pico contínua. A questão é se o conversor específico suporta explicitamente esse pico, por essa duração, na sua temperatura, e o que ele faz quando o limite é atingido: mantém a saída, reduz a corrente ou entra em modo de segurança. As opções incluem um conversor com uma classificação de pico especificada, uma classificação de corrente contínua maior ou uma partida suave na carga. A capacitância de saída extra pode suportar um pico, mas adiciona sua própria corrente de pico na inicialização.

O lado da bateria também tem limites. O pico de tensão na entrada deve caber dentro da corrente de disparo de sobrecorrente do BMS e, igualmente importante, dentro do seu atraso de disparo. A resistência também importa: cada 10 mΩ de resistência da célula, do BMS, do fusível e da fiação custa 0.2 V a 20 A. Uma bateria em repouso a 11 V pode parecer 10 V para o conversor durante o pico de tensão, o que pode acionar o bloqueio por subtensão prematuramente.

O calor é o terceiro fator a ser verificado. A perda do conversor é a potência de saída multiplicada por (1 ÷ eficiência − 1) e, em um invólucro selado, se transforma em um aumento real de temperatura que reduz a potência nominal contínua. Verifique a curva de redução de potência e o comportamento em altas temperaturas, pois um conversor que desliga e reinicia enquanto esfria pode causar ciclos de carga e descarga no equipamento.

A corrente de pico de partida de 15 A a 12 V representa 180 W durante 200 ms. Com uma eficiência de 90%, fornecer esse pico a partir de uma bateria de 10 V exigiria aproximadamente 20 A da bateria, assumindo que o conversor consiga manter a saída durante o pico. Uma carga contínua de 60 W dissipa cerca de 6.7 W no conversor com 90% de eficiência, aumentando para 10.6 W com 85% de eficiência. Esses valores ajudam a definir as especificações a serem verificadas; eles não garantem que um conversor específico seja capaz de suportar essa carga.

5. Verifique como a bateria, o carregador, o conversor e o BMS funcionam em conjunto.

Cada componente possui sua própria lógica de proteção, e essas lógicas podem entrar em conflito. Quatro interações merecem atenção especial durante a integração do sistema.

A startup aciona o BMS. Se a sobrecorrente exceder o limite de sobrecorrente do BMS, a bateria se desconecta, a entrada do conversor entra em colapso e o equipamento reinicia. Alguns projetos de BMS permanecem desligados até que um carregador seja conectado ou uma reinicialização seja aplicada. Selecione a corrente de disparo e o atraso acima do limite da sobrecorrente e confirme o comportamento de reconexão.

Ruídos de desligamento por bateria fraca. Se o BMS (Sistema de Gerenciamento de Bateria) desligar sob carga, o equipamento para de funcionar no meio da operação. Configurar o bloqueio por subtensão do conversor acima do limite de corte do BMS pode acionar um desligamento ordenado mais cedo, mas o limite deve ser validado sob a carga e a queda de tensão esperadas, já que um valor muito alto desliga o equipamento prematuramente. A histerese é importante porque a tensão do conjunto de baterias se recupera quando a carga é removida. Sem histerese suficiente, o conversor reinicia, a carga puxa a tensão para baixo novamente e o sistema entra em loop.

Carregando enquanto em funcionamento. O carregador detecta a corrente da bateria mais a corrente da carga, portanto, a redução gradual que normalmente sinaliza uma bateria totalmente carregada pode nunca atingir o limite de desligamento, ou o limite de corrente de carga pode ser compartilhado com a carga. Nesse caso, alimente a carga separadamente do circuito de carregamento ou verifique se a lógica de desligamento do carregador foi projetada para compartilhamento de carga.

Conectando a bateria. Os capacitores de entrada do conversor carregam quase instantaneamente, o que pode ser interpretado como um curto-circuito pelo BMS ou sobrecarregar o conector. Verifique a tolerância de corrente de pico do BMS e, se necessário, utilize um circuito de pré-carga ou um conversor com partida suave.

6. Valide o projeto antes da implementação.

Os cálculos podem identificar possíveis discrepâncias, mas os testes em bancada são necessários para confirmar o desempenho em condições operacionais realistas. Esses quatro grupos de testes são um ponto de partida prático; ambientes exigentes ou aplicações com requisitos de segurança e conformidade podem exigir mais testes.

• Fósforo elétrico. Compare no papel a tensão mínima e máxima da bateria sob carga com a faixa de entrada do conversor, a corrente máxima da bateria com o BMS, o fusível e a fiação, e as configurações do carregador com a folha de dados da célula.
• Pico de carga e aumento de temperatura. Meça a corrente real de partida com uma sonda de corrente e um osciloscópio em ambas as extremidades da faixa de tensão, começando pela tensão mais baixa da bateria, onde a corrente é mais alta. Em seguida, execute o teste com carga máxima na temperatura ambiente mais alta esperada até que as temperaturas se estabilizem.
• Comportamento de bateria fraca. Descarregue a bateria até o limite de corte do BMS e observe se o desligamento é ordenado, sem ruídos, e se a reinicialização após a recarga é limpa.
• Carregamento e recuperação. Carregue a bateria de vazia a cheia, com e sem carga em funcionamento, e confirme se o desligamento ocorre conforme o esperado. Conecte a bateria com o dispositivo ligado e acione o desligamento do BMS no pico de carga; em seguida, confirme se não houve danos e se o sistema se recuperou. Repita os testes principais na temperatura mais baixa esperada, incluindo o limite de carga.

O que verificar novamente quando houver troca de embalagem ou dispositivo.

Quatro pontos são válidos para qualquer pacote ou dispositivo:

• A tensão mínima e máxima real da bateria sob carga e se o equipamento consegue suportar essa faixa sem um conversor.
• Corrente no lado do pacote na tensão mais baixa, tanto para carga contínua quanto para carga de pico.
• Quem controla a tensão de carga, a corrente, a terminação e os limites de temperatura, conforme confirmado com o fornecedor da bateria.
• Verificar se o disparo do BMS, o bloqueio e a histerese do conversor e o desligamento do carregador coincidem entre si.

Um sistema confiável alimentado por bateria depende de mais do que simplesmente escolher componentes com especificações técnicas semelhantes. A bateria, o carregador, o conversor e a carga devem operar dentro de limites compatíveis de tensão, corrente e temperatura, inclusive durante a inicialização e em condições de bateria fraca. A verificação das especificações técnicas reduz as opções; os testes em condições operacionais realistas confirmam se o sistema completo funciona conforme o esperado.