PCM vs BMS para baterias LiPo: qual sistema de proteção seu dispositivo precisa?

Uma bateria de polímero de lítio precisa de mais do que voltagem e capacidade adequadas. Seu sistema de proteção também deve corresponder à química da célula, contagem de séries, corrente de carga, método de carregamento, temperatura operacional e as informações exigidas pelo dispositivo host.

Dois termos aparecem frequentemente nas especificações da bateria: PCM, ou Módulo de Circuito de Proteção, e BMS, ou Sistema de Gerenciamento de Bateria.

Um PCM geralmente se concentra na proteção essencial contra falhas, como sobrecarga, descarga excessiva, sobrecorrente e corte de curto-circuito. Um BMS pode fornecer a mesma proteção ao adicionar funções como monitoramento de grupo de células, balanceamento, estimativa do estado de carga, registro de dados e comunicação.

Essa distinção é útil, mas não é absoluta. Um pacote sofisticado de célula única pode precisar de um BMS, enquanto um conjunto multicélula pode usar uma placa de proteção relativamente simples. Os fornecedores também podem usar PCM, PCB, placa de proteção e BMS de forma diferente.

A escolha correta, portanto, depende das funções que seu dispositivo necessita – não apenas do nome do circuito.

Este guia compara as funções PCM e BMS, explica quando cada abordagem pode ser apropriada e fornece um processo prático para especificar a proteção para uma bateria de polímero de lítio.

Principais conclusões

• Um PCM é projetado principalmente para desconectar a bateria durante falhas elétricas definidas.

• Um BMS geralmente combina proteção com funções mais amplas de monitoramento, estimativa, balanceamento, controle ou comunicação.

• PCM e BMS não são categorias de produtos universalmente padronizadas.

• A especificação real do circuito é mais importante do que o nome impresso em um desenho ou cotação.

• Um pacote de célula única ainda pode precisar de um BMS quando o dispositivo exigir porcentagem precisa de bateria, autenticação, diagnóstico ou comunicação.

• Um pacote multissérie requer monitoramento individual de grupos de séries, mesmo que sua placa de proteção seja chamada PCM.

• O balanceamento de células é relevante para grupos de tensão conectados em série, não para um pacote 1S convencional.

• Nem um PCM nem um BMS devem ser automaticamente tratados como carregadores de bateria.

• Os valores de disparo por sobrecorrente não são iguais aos valores nominais seguros de corrente contínua.

• As células de alta tensão requerem proteção e limites de carga correspondentes à sua química real.

• A proteção de temperatura só está presente quando o sensor, os limites e o caminho de controle necessários estão incluídos.

• Tamanho, corrente de espera, custo, capacidade atual e requisitos de comunicação devem ser avaliados em conjunto.

• Testes em nível de pacote e em nível de dispositivo são necessários antes que o projeto de proteção seja aprovado para produção.

O que é um PCM em uma bateria LiPo?

PCM significa Módulo de Circuito de Proteção . Também é comumente descrito como placa de proteção ou placa de circuito de proteção.

Um PCM típico contém um IC de proteção, MOSFETs de carga e descarga, resistores, capacitores e caminhos condutores para transportar a corrente da bateria. Dependendo do projeto, também pode incluir um elemento sensor de corrente, fusível, interface NTC ou outros componentes.

Seu principal objetivo é evitar que a célula ou conjunto permaneça em condições elétricas anormais especificadas.

Funções comuns do PCM

Um PCM básico pode fornecer:

• Proteção contra sobrecarga de tensão

• Proteção contra sobretensão de descarga

• Descarregue a proteção contra sobrecorrente

• Carregar proteção contra sobrecorrente

• Proteção contra curto-circuito

• Carregar e descarregar controle MOSFET

• Recuperação após uma condição de falha

Funções adicionais podem incluir:

• Sensor de temperatura

• Proteção secundária contra sobretensão

• Um fusível térmico

• Identificação do pacote

• Detecção de falha atrasada

• Caminhos de controle de carga e descarga separados

Nem todo módulo de proteção inclui todas essas funções. Por exemplo, uma bateria pode ter um fio NTC que é lido pelo carregador ou dispositivo host, e não pelo próprio PCM.

O que um PCM básico geralmente não oferece

Um módulo de proteção convencional normalmente não oferece funções avançadas como:

• Relatórios precisos sobre o estado da carga

• Estimativa do estado de saúde

• Contagem cíclica

• Previsão de tempo de execução restante

• Registro de eventos ou falhas

• Controle de equilíbrio celular

• Comunicação digital

• Autenticação de bateria

• Firmware configurável em campo

• Dados de diagnóstico detalhados

Essas funções requerem circuitos de medição, algoritmos, memória ou interfaces de comunicação adicionais.

Um PCM pode, portanto, proteger uma bateria sem informar ao dispositivo quanta energia resta ou por que ocorreu um desligamento anterior.

O que é um BMS?

BMS significa Sistema de gerenciamento de bateria . Refere-se a uma combinação mais ampla de funções de monitoramento, proteção, controle e gerenciamento de dados da bateria.

Um BMS pode ser implementado usando um IC de gerenciamento de bateria dedicado, um IC de medidor de combustível, um microcontrolador, sensores de corrente e temperatura, circuitos de balanceamento, MOSFETs, memória e componentes de comunicação. A arquitetura exata depende do número de células e dos requisitos do dispositivo.

Para uma introdução mais ampla a estas funções, o guia da ZERNE explica como um sistema de gerenciamento de bateria monitora e protege uma bateria.

Funções comuns do BMS

Dependendo do projeto, um BMS pode fornecer:

• Monitoramento de tensão de células ou grupos em série

• Monitoramento de tensão do pacote

• Medição de corrente de carga e descarga

• Monitoramento de temperatura

• Proteção contra sobrecarga e descarga excessiva

• Proteção contra sobrecorrente e curto-circuito

• Equilíbrio celular passivo ou ativo

• Estimativa do estado de carga

• Estimativa do estado de saúde

• Cálculo da capacidade restante

• Contagem cíclica

• Registro de falhas e eventos

• Autenticação de bateria

• Controle de carga e descarga

• Comunicação com o dispositivo host ou carregador

• Limites de proteção configuráveis

• Gerenciamento de suspensão, espera e despertar

Um BMS não inclui automaticamente todas as funções desta lista. Alguns sistemas fornecem proteção e balanceamento, mas não possuem medidor de combustível. Outros fornecem informações precisas sobre o estado da carga, mas contam com um protetor separado como camada de segurança secundária.

As funções necessárias devem ser indicadas explicitamente nas especificações da bateria.

PCM vs BMS: a diferença mais importante

A diferença prática é de escopo.

Um PCM pergunta principalmente:

A bateria entrou em uma condição de falha elétrica definida e a carga ou descarga deve ser desconectada?

Um BMS também pode perguntar:

O que está acontecendo dentro da embalagem, quanta energia resta, como as células envelhecem e que informações ou ações o dispositivo requer?

Isto não significa que um PCM seja inseguro ou que um BMS seja sempre superior. Um PCM bem projetado pode ser totalmente apropriado para um produto 1S compacto com requisitos operacionais simples. Um sistema de gerenciamento desnecessariamente complexo pode adicionar custo, área de circuito, tempo de desenvolvimento, consumo de espera e trabalho de integração de software sem melhorar a experiência do usuário.

O objetivo é selecionar a arquitetura mais simples que satisfaça todos os requisitos elétricos, de segurança, de diagnóstico e de produto com margem de projeto adequada.

Comparação de PCM vs BMS

Esta tabela descreve práticas comuns do setor, em vez de um padrão de nomenclatura universal. Um produto rotulado como “BMS” pode oferecer apenas proteção básica contra corte, enquanto uma placa avançada rotulada como “PCM” pode incluir monitoramento ou balanceamento de temperatura.

Sempre compare as especificações funcionais, a classificação do circuito e os requisitos de teste.

Como funcionam as funções de proteção PCM e BMS

Os projetos PCM e BMS podem compartilhar diversas funções básicas de proteção. A principal diferença é o quanto eles monitoram e o que fazem com as informações coletadas.

Proteção contra sobrecarga

A proteção contra sobrecarga monitora se um grupo de células ou séries excede um limite de tensão definido durante o carregamento.

Se o limite for excedido durante o tempo de atraso especificado, o circuito de proteção pode desligar o MOSFET de carga e interromper o carregamento.

Três valores devem ser distinguidos:

• Tensão normal de terminação do carregador

• Tensão de detecção de proteção

• Tensão de recuperação de proteção

O limite de sobrecarga não deve ser usado como meta de cobrança normal. É um limite de falha destinado a responder quando a regulação normal da carga falhou ou ocorreu uma condição anormal.

Por exemplo, uma célula convencional de 4,2 V e uma célula de alta tensão projetada para 4,35 V ou 4,4 V requerem diferentes parâmetros de carga e proteção. Um produto usando baterias de polímero de lítio de alta tensão devem usar limites correspondentes à célula selecionada, em vez de uma placa genérica de proteção de bateria de lítio.

Proteção contra descarga excessiva

A proteção contra descarga excessiva desconecta a carga quando a tensão monitorada cai abaixo de um limite definido.

Esta função ajuda a evitar que a célula permaneça sob descarga excessiva. Entretanto, o desligamento normal do dispositivo geralmente deve ocorrer antes que o circuito de proteção atinja seu limite de corte de emergência.

Se o dispositivo funcionar rotineiramente até que o PCM ou BMS desconecte o pacote, a bateria poderá apresentar:

• Desligamento abrupto do dispositivo

• Ciclo de vida útil reduzido

• Estresse repetido de baixa tensão

• Dificuldade em reiniciar sob carga

• Relatórios imprecisos de porcentagem de bateria

• Problemas de recuperação quando a tensão da célula é muito baixa

A estratégia de subtensão do dispositivo host e o limite de proteção devem, portanto, ser coordenados.

Proteção contra sobrecorrente

A proteção contra sobrecorrente responde quando a corrente de carga ou descarga excede um nível de detecção definido por um período especificado.

A configuração deve acomodar eventos de carregamento válidos, como:

• Inicialização do processador

• Explosões de transmissão de rádio

• Partida do motor

• Parada do motor

• Ativação da bomba

• Inrush do aquecedor

• Carregamento de capacitor

• Inicialização de LED ou display

• Potência de pico temporária

Um limite muito baixo pode causar desligamentos incômodos. Um limite muito alto pode não proteger adequadamente a célula, os MOSFETs, as interconexões, o fio ou o conector.

A relação entre a capacidade da bateria e a capacidade de descarga é discutida mais detalhadamente no guia para Classificação C da bateria LiPo.

Proteção contra curto-circuito

A proteção contra curto-circuito responde a uma corrente muito alta ou a uma mudança rápida de tensão consistente com uma falta de baixa resistência.

Seu funcionamento depende de mais do que o valor atual. Os parâmetros de projeto relevantes incluem:

• Método de detecção

• Limite de detecção

• Atraso na resposta

• Tempo de comutação MOSFET

• Resistência do caminho de corrente

• Indutância de circuito de falha

• Método de recuperação

• Comportamento do conector

• Capacidade de corrente de falha celular

Uma etiqueta informando “proteção contra curto-circuito” não prova que o conjunto se comportará corretamente sob todas as possíveis falhas externas. A montagem concluída ainda precisa de testes de falha definidos.

Proteção de temperatura

A proteção de temperatura pode usar um ou mais termistores NTC, sensores de temperatura IC ou outros elementos sensores.

O sensor pode ser monitorado por:

• O circuito de proteção

• O BMS

• O carregador

• O dispositivo host

• Mais de um sistema

A especificação deve identificar qual sistema lê o sensor e qual sistema pode parar de carregar ou descarregar.

Os limites de temperatura podem diferir para:

• Carregando

• Descarga contínua

• Pico de descarga

• Armazenar

• Operação em baixa temperatura

• Operação em alta temperatura

Uma bateria com cabo NTC não possui corte de temperatura autônomo automaticamente. O NTC só poderá fornecer informações a outro controlador.

Balanceamento Celular

O balanceamento limita as diferenças de tensão entre grupos conectados em série.

Um circuito de balanceamento passivo básico remove uma pequena quantidade de carga de um grupo de tensão mais alta durante o carregamento. Sistemas mais avançados podem controlar o balanceamento de acordo com a tensão, estado de carga, temperatura ou estado operacional.

O balanceamento não é necessário entre grupos em série em um pacote 1S convencional porque existe apenas um grupo de tensão. Um pacote 1S2P também é tratado como um grupo de tensão, embora suas células paralelas ainda devam ser estreitamente combinadas.

O balanceamento não pode reparar:

• Uma célula danificada

• Perda severa de capacidade

• Alta autodescarga

• Soldagem ruim

• Principais diferenças de resistência

• Uma configuração de pacote incorreta

• Um carregador inadequado

Um pacote que desenvolve repetidamente um desequilíbrio substancial requer investigação, em vez de apenas uma corrente de equilíbrio mais elevada.

Um PCM geralmente é adequado quando…

Um PCM pode ser apropriado quando o produto possui requisitos de bateria relativamente simples.

As condições típicas incluem:

• O pacote possui um grupo de tensão em série

• O dispositivo não requer relatórios precisos de porcentagem de bateria

• Nenhuma comunicação digital é necessária

• O sistema host já gerencia a interface do usuário e o desligamento normal

• Tensão básica, corrente e proteção contra curto-circuito são suficientes

• A temperatura é monitorada pelo carregador ou dispositivo host

• O tamanho do circuito é altamente restrito

• O consumo muito baixo em espera é importante

• A bateria não se destina a fornecer dados de serviço ou diagnóstico

• Os limites de proteção podem permanecer fixos

• O perfil de carga é previsível e foi validado

As possíveis aplicações incluem sensores compactos, rastreadores básicos, produtos de iluminação simples, pequenos eletrônicos de consumo e outros dispositivos que precisam de corte confiável de falhas sem funções de bateria inteligente.

A palavra “simples” refere-se aos requisitos de gerenciamento, não à importância da aplicação. Um dispositivo pequeno ainda pode exigir monitoramento sofisticado se a detecção de falhas, informações precisas de tempo de execução ou rastreabilidade forem importantes.

Um BMS é geralmente preferido quando…

Um sistema de gerenciamento mais amplo pode ser apropriado quando o dispositivo requer funções além da proteção básica contra corte.

Os motivos comuns incluem:

• O pacote contém vários grupos conectados em série

• As tensões de grupo individuais devem ser monitoradas

• O equilíbrio celular é necessário

• O dispositivo exibe uma porcentagem precisa da bateria

• O tempo de execução restante deve ser estimado

• O dispositivo host precisa de dados de tensão, corrente ou temperatura da bateria

• O pacote deve relatar falhas

• É necessária contagem de ciclos ou estado de saúde

• A autenticação da bateria é necessária

• O sistema de carregamento se comunica com o pacote

• As configurações de proteção devem ser configuráveis

• O aplicativo usa uma bateria inteligente substituível em campo

• O pacote suporta vários modos de operação

• O produto requer diagnósticos de serviço ou registros de eventos

• O dispositivo tem um perfil de carga variável ou exigente

• O sistema deve coordenar o comportamento da bateria com outros subsistemas

Esses requisitos aparecem frequentemente em terminais portáteis, eletrônicos médicos, robótica, instrumentos industriais, equipamentos de teste portáteis, dispositivos de comunicação e produtos conectados.

Cada bateria LiPo 1S precisa apenas de um PCM?

Não.

Um pacote 1S possui apenas um grupo de tensão em série, portanto não precisa de balanceamento entre células conectadas em série. Isto reduz a complexidade do circuito, mas não elimina a necessidade de funções de gerenciamento.

Uma bateria de célula única ainda pode precisar de um BMS ou de um circuito de bateria inteligente quando o dispositivo exigir:

• Relatórios precisos sobre o estado da carga

• Estimativa de tempo de execução restante

• Medição atual

• Contagem cíclica

• Acompanhamento do estado de saúde

• Histórico de falhas

• Autenticação de bateria

• Comunicação digital

• Proteção configurável

• Múltiplas medições de temperatura

Por exemplo, um dispositivo médico conectado e um produto LED simples podem usar uma célula tipo bolsa de 3,7 V. A voltagem da bateria pode ser a mesma, mas os requisitos de monitoramento, diagnóstico e confiabilidade são muito diferentes.

A contagem de séries por si só não deve determinar a arquitetura de proteção.

Todo pacote multissérie precisa de um BMS?

Uma bateria multissérie requer proteção que monitore cada grupo de tensão conectado em série. Monitorar apenas a tensão total da bateria não é suficiente.

Por exemplo, um pacote 2S com tensão total de 8,0 V pode conter:

• Dois grupos de 4,0 V cada

• Um grupo de 4,15 V e outro de 3,85 V

• Um grupo de 4,25 V e outro de 3,75 V

A mesma tensão total pode ocultar um grupo que ultrapassou o limite permitido.

Uma placa de proteção multicélula relativamente simples pode fornecer detecção de tensão individual sem oferecer comunicação, medição de combustível ou diagnóstico avançado. Alguns fornecedores chamam esse circuito de PCM multicélula, enquanto outros o chamam de BMS básico.

Os requisitos essenciais são que:

• Corresponde à contagem exata da série

• Monitora cada grupo de série

• Usa limites de tensão corretos

• Suporta a corrente necessária

• Responde corretamente ao desequilíbrio

• Fornece balanceamento se o projeto exigir

• Combina o carregador e a química da célula

• Tem temperatura adequada e comportamento de falha

A especificação funcional é mais importante do que se a cotação usa PCM ou BMS.

Exemplos de dispositivos: PCM ou BMS?

Estes são pontos de partida e não prescrições finais. A avaliação de risco do dispositivo, o perfil operacional, os padrões aplicáveis, a arquitetura do carregador e a construção do pacote podem alterar a seleção.

Como escolher entre um PCM e um BMS

1. Confirme a química celular e os limites de tensão

Documento:

• Química celular

• Tensão nominal

• Tensão máxima de carga

• Limite de descarga recomendado

• Número de grupos de séries

• Número de células paralelas por grupo

• Limite de corrente de carga

• Capacidade de descarga contínua

• Capacidade de descarga máxima

• Faixa de temperatura permitida

Não selecione uma placa de proteção apenas com a etiqueta “bateria de 3,7 V”. Células com tensões nominais semelhantes podem usar limites máximos de carga diferentes.

2. Defina o perfil de carga do dispositivo

Medir ou estimar:

• Corrente de sono

• Corrente de espera

• Corrente típica

• Corrente contínua máxima

• Corrente de pico

• Duração do pico

• Atual de inicialização

• Corrente de parada do motor

• Repetindo corrente de pulso

• Corrente de falha

• Corrente de carregamento

Pulsos de carga curtos podem afetar a seleção da proteção mesmo quando a corrente média é baixa.

Um rastreador sem fio, por exemplo, pode passar a maior parte do tempo em um estado de baixo consumo de energia e então extrair um breve pulso de corrente durante a transmissão de dados. O PCM ou BMS deve permitir o pulso válido sem queda excessiva de tensão ou corte incômodo.

3. Decida o que o dispositivo precisa saber

Pergunte se o dispositivo host precisa apenas de energia ou também de informações sobre a bateria.

Os possíveis requisitos de dados incluem:

• Tensão do pacote

• Tensão de grupo individual

• Atual

• Temperatura

• Estado de carga

• Capacidade restante

• Tempo de execução restante

• Estado de saúde

• Contagem de ciclos

• Código de falha

• Identidade da bateria

• Dados de fabricação

Se o dispositivo precisar apenas de um aviso de bateria fraca, um ADC host poderá ser suficiente. Se for necessário exibir uma porcentagem confiável da bateria sob cargas e temperaturas variáveis, uma função de medidor de combustível pode ser necessária.

4. Determine se a comunicação é necessária

Um BMS inteligente pode comunicar através de:

• I²C

• SMBus

• UART

• PODE

• RS-485

• Uma interface proprietária de fio único

• Outro protocolo específico do produto

A interface deve ser acordada antecipadamente porque afeta o conector da bateria, a contagem de pinos, o software host, o processo de teste e a estratégia de substituição.

O nome do protocolo por si só não é suficiente. A equipe do dispositivo e o fornecedor da bateria também devem definir:

• Campos de dados

• Endereçamento

• Taxa de atualização

• Comportamento de despertar

• Tratamento de erros

• Permissões de comando

• Propriedade de firmware

• Compatibilidade entre revisões

5. Defina a responsabilidade do sensor de temperatura

Especificar:

• Número de sensores de temperatura

• Tipo de sensor e resistência

• Localização do sensor

• Limites de temperatura de carregamento

• Limites de temperatura de descarga

• Temperaturas de recuperação

• Qual controlador lê cada sensor

• Qual controlador pode parar de carregar

• Qual controlador pode parar de descarregar

Um pacote compacto pode usar um NTC próximo ao corpo celular. Um conjunto maior ou de corrente mais alta pode precisar de sensores separados perto das células e dos componentes de proteção.

6. Avalie o monitoramento e balanceamento de grupos de séries

Para configurações multisséries, determine:

• Número de grupos monitorados

• Precisão de medição de tensão

• Limites de sobrecarga e descarga excessiva

• Atraso de detecção

• Comportamento de recuperação

• Diferença de tensão de grupo permitida

• Balanceamento de tensão inicial

• Balanceamento atual

• Condições de balanceamento

• Comportamento de falha quando um fio sensor é desconectado

O balanceamento deve ser selecionado de acordo com a consistência da célula, contagem de séries, método de carregamento, envelhecimento esperado e perfil operacional.

7. Verifique o caminho atual real

Não escolha uma prancha apenas pela corrente anunciada.

A corrente utilizável depende de:

• Resistência MOSFET

• Número e disposição dos MOSFETs

• Espessura de cobre PCB

• Resistência ao sentido de corrente

• Resistência de aba e solda

• Bitola e comprimento do fio

• Resistência do conector

• Condições de resfriamento

• Temperatura do gabinete

• Duração do pico

• Tempo de proteção

Uma placa de proteção descrita como “10 A” pode não ser capaz de transportar 10 A continuamente dentro de um dispositivo compacto selado sem aumento excessivo de temperatura.

A classificação atual deve ser validada no pacote e gabinete pretendidos.

8. Considere a energia em espera

Os circuitos PCM e BMS consomem energia.

Isto se torna especialmente importante em:

• Células de baixa capacidade

• Produtos de longo armazenamento

• Dispositivos de rastreamento

• Sensores remotos

• Equipamento de emergência

• Produtos com longos períodos de envio

• Dispositivos que passam a maior parte do tempo dormindo

Um sistema de gerenciamento inteligente pode oferecer um modo de baixo consumo de energia ou de envio, mas seu comportamento deve ser verificado. Especificações importantes incluem:

• Corrente operacional normal

• Corrente de sono

• Corrente de desligamento

• Método de despertar

• Comportamento do modo de armazenamento

• Recuperação após sono profundo

Um circuito avançado que esgota a bateria durante o armazenamento pode ser menos adequado do que um PCM mais simples, mesmo que ofereça mais recursos.

9. Combine o carregador com o pacote completo

O carregador deve fornecer o perfil de carregamento, limite de tensão e regulação de corrente corretos para a química e configuração da célula selecionada.

O PCM ou BMS geralmente é uma camada protetora, não o regulador de carga normal.

Algumas soluções integradas combinam funções de carregamento e gestão, mas isto deve ser confirmado a partir do design real. Um fornecedor não deve presumir que um conselho controla a cobrança apenas porque é chamado de BMS.

Confirmar:

• Tensão de saída do carregador

• Faixa de corrente de carga

• Método de rescisão de cobrança

• Controle de temperatura

• Comportamento de pré-carga

• Limite de recarga

• Requisitos de comunicação

• Comportamento após corte de proteção

• Compatibilidade com o caminho de alimentação do host

10. Defina o comportamento de falha e recuperação

A proteção não se trata apenas de quando a bateria é desconectada. A equipe do dispositivo também deve entender o que acontece depois.

Definir:

• Se os caminhos de carga e descarga são controlados separadamente

• Se um carregador é necessário para recuperação

• Se a carga deve ser removida

• Se a recuperação é automática

• Se uma falha permanente está travada

• Se o host recebe um código de falha

• Se os dados armazenados são retidos

• Se o usuário pode reiniciar o dispositivo

• Se a intervenção do serviço é necessária

O comportamento de recuperação inesperado pode criar falhas de campo mesmo quando o circuito de proteção opera corretamente.

Por que o nome da proteção por si só não é suficiente

Uma citação que afirma apenas “PCM incluído” ou “BMS incluído” está incompleta.

No mínimo, o fornecedor deve identificar:

• Química suportada

• Contagem de séries

• Tensão máxima de carga

• Detecção de sobrecarga e tensão de recuperação

• Detecção de descarga excessiva e tensão de recuperação

• Limite de sobrecorrente de carga

• Limite de sobrecorrente de descarga

• Resposta a curto-circuito

• Capacidade de corrente contínua

• Capacidade e duração da corrente de pico

• Funções de monitoramento de temperatura

• Funções de equilíbrio celular

• Consumo atual

• Interface de comunicação

• Função de medidor de combustível

• Conector e pinagem

• Comportamento de recuperação

• Dimensões físicas

Se for necessário um BMS inteligente, a documentação também poderá precisar de:

• Protocolo de comunicação

• Registrar mapa

• Arquivo de configuração

• Versão do firmware

• Algoritmo de estado de carga

• Processo de calibração

• Método de autenticação

• Comportamento de retenção de dados

• Procedimento de atualização e controle de revisão

O nome da placa é apenas o começo da especificação.

Erros comuns de seleção de PCM e BMS

Informações a serem fornecidas a um fabricante de bateria LiPo

Uma solicitação completa permite que o fornecedor da bateria recomende um PCM ou BMS baseado no dispositivo, em vez de uma placa genérica.

Requisitos de bateria

• Tensão nominal

• Tensão máxima de carga

• Capacidade necessária

• Configuração em série e paralelo

• Química celular preferida

• Dimensões máximas da bateria

• Limite de peso

• Ciclo de vida esperado

• Temperatura operacional e de armazenamento

• Meta de tempo de carregamento

Requisitos de carga

• Corrente típica

• Corrente contínua máxima

• Corrente de pico

• Duração do pico

• Atual de inicialização

• Corrente de parada do motor ou de partida do aquecedor

• Corrente de sono

• Tempo de execução necessário

• Limite de subtensão do dispositivo

Requisitos de proteção

• Proteção contra sobrecarga

• Proteção contra descarga excessiva

• Carregar proteção contra sobrecorrente

• Descarregue a proteção contra sobrecorrente

• Proteção contra curto-circuito

• Sensor de temperatura

• Fusível secundário ou camada de proteção

• Equilíbrio celular

• Comportamento de recuperação de falhas necessário

Requisitos de bateria inteligente

• Exibição da porcentagem da bateria

• Precisão do estado de carga

• Estimativa do estado de saúde

• Contagem de ciclos

• Cálculo do tempo de execução restante

• Registro de falhas

• Autenticação de bateria

• Protocolo de comunicação

• Requisitos de firmware ou registro

Requisitos de conexão

• Fabricante e série de conectores

• Conector correspondente

• Contagem de alfinetes

• Pinagem

• Polaridade

• Calibre do fio

• Comprimento do fio

• Líder NTC

• Líder de equilíbrio

• Fios de comunicação

• Direção de saída do cabo

ZERNE soluções personalizadas de bateria de polímero de lítio podem integrar seleção de células, funções PCM ou BMS, detecção de temperatura, conectores, fiação e estrutura de pacote em torno dos requisitos elétricos e mecânicos de um dispositivo OEM.

Como validar o sistema de proteção selecionado

O PCM ou BMS selecionado deve ser avaliado primeiro no nível da bateria e depois dentro do dispositivo final.

A verificação relevante pode incluir:

• Compatibilidade de carregamento

• Tensão de carga total

• Detecção de sobrecarga

• Detecção de descarga excessiva

• Operação de corrente contínua

• Resposta de corrente de pico

• Comportamento de inicialização

• Resposta a curto-circuito

• Aumento da temperatura do MOSFET

• Aumento da temperatura do conector

• Queda de tensão

• Precisão do sensor de temperatura

• Comportamento de baixa e alta temperatura

• Medição de tensão em grupo em série

• Equilíbrio celular

• Precisão do estado de carga

• Estabilidade de comunicação

• Comportamento de sono e despertar

• Corrente do modo de envio

• Registro de falhas

• Recuperação após corte de proteção

• Ciclos repetidos de carga e descarga

• Armazenamento de longo prazo

• Comportamento de desligamento do dispositivo

Os testes devem usar células, interconexões, fios, conectores, materiais de gabinete, firmware e configurações do carregador com intenção de produção.

Uma bateria que passa em um teste de corrente em bancada aberta pode se comportar de maneira diferente dentro de um dispositivo selado. O ambiente térmico e o caminho completo da corrente podem afetar a queda de tensão, a temperatura do MOSFET, o compartilhamento de corrente e o comportamento de corte.

O O sistema de controle de qualidade da bateria de polímero de lítio fornece mais informações sobre a consistência da célula, monitoramento do processo, verificação elétrica e controle da bateria acabada.

Conclusão

Um PCM e um BMS podem proteger uma bateria LiPo, mas são projetados para diferentes níveis de responsabilidade do sistema.

Um PCM geralmente fornece proteção essencial contra tensão, corrente e curto-circuito em um circuito compacto e de baixa complexidade. Pode ser adequado quando o dispositivo tem uma carga previsível, não requer informações detalhadas sobre a bateria e lida com carregamento e desligamento normais por meio de outras partes do sistema.

Um BMS torna-se mais relevante quando a bateria deve monitorar vários grupos de séries, equilibrar células, estimar a capacidade restante, registrar falhas, autenticar o pacote ou comunicar-se com o dispositivo host.

A escolha não deve ser baseada apenas no tamanho da embalagem, na capacidade ou no número de séries. Um pequeno dispositivo unicelular pode exigir gerenciamento inteligente, enquanto um pacote maior pode precisar apenas de proteção básica bem definida. Da mesma forma, nem a etiqueta PCM nem BMS garantem funções específicas de temperatura, balanceamento, medição ou comunicação.

A especificação final da proteção deve corresponder à química da célula, ao perfil de carga, ao carregador, ao caminho da corrente, à temperatura operacional, ao alvo de espera, ao software do dispositivo e ao comportamento de falha esperado. A confirmação desses requisitos antes da produção da amostra ajuda a evitar desligamentos incômodos, relatórios imprecisos da bateria, aquecimento excessivo e reprojeto do produto em estágio final.

Perguntas frequentes

Qual é a principal diferença entre um PCM e um BMS?

Um PCM fornece principalmente proteção contra falhas elétricas, enquanto um BMS pode combinar proteção com monitoramento, balanceamento, estimativa de estado, diagnóstico e comunicação. As funções exatas variam entre os produtos, portanto a especificação é mais confiável que o nome.

Toda bateria LiPo precisa de um PCM ou BMS?

Uma bateria recarregável de polímero de lítio requer uma estratégia apropriada de proteção em nível de sistema. A proteção pode ser integrada à bateria, dispositivo ou outro circuito qualificado, dependendo da arquitetura do produto. A célula não deve ser usada sem sobrecarga validada, descarga excessiva, sobrecorrente, curto-circuito, carga e controles térmicos apropriados para a aplicação.

Um PCM é o mesmo que um PCB de proteção?

Os termos são frequentemente usados ​​de forma intercambiável. PCB refere-se tecnicamente à própria placa de circuito impresso, enquanto PCM se refere ao módulo completo do circuito de proteção. Nas cotações de baterias comerciais, entretanto, os fornecedores podem usar PCM, PCB e placa de proteção para montagens semelhantes.

Um PCM pode equilibrar células?

Alguns módulos de proteção multicélulas incluem balanceamento, mas muitos PCMs básicos não. Se for necessário balanceamento, sua tensão inicial, corrente, precisão e condições operacionais devem ser especificadas explicitamente.

Um BMS pode carregar uma bateria LiPo?

Não necessariamente. Um BMS pode monitorar ou controlar se o carregamento é permitido, mas um carregador separado geralmente regula o perfil de corrente e tensão necessário. Alguns circuitos integrados combinam funções de carregamento e gerenciamento de bateria, portanto a arquitetura real deve ser confirmada.

Uma bateria LiPo 1S precisa de um BMS?

Um pacote 1S básico pode precisar apenas de um PCM, mas um BMS pode ser apropriado se o dispositivo exigir relatórios precisos do estado de carga, medição de corrente, comunicação, autenticação, registro de falhas ou outras funções inteligentes.

Uma bateria 2S precisa de um BMS 2S?

Necessita de um circuito de proteção e monitoramento projetado para dois grupos de tensão conectados em série. O produto pode ser chamado de 2S BMS ou 2S PCM, mas deve monitorar ambos os grupos e atender aos requisitos de química, corrente, tensão de carga e balanceamento.

Um BMS é sempre mais seguro que um PCM?

Não. A segurança depende do projeto completo, classificações dos componentes, configurações de proteção, qualidade da célula, carregador, fiação, conector, construção mecânica e validação. Um PCM corretamente especificado pode ser mais apropriado do que um BMS mal adaptado.

Um NTC fornece proteção de temperatura por si só?

Não. Um NTC é um componente sensor de temperatura. O carregador, dispositivo host, PCM ou BMS deve lê-lo e tomar as medidas necessárias quando a temperatura exceder os limites definidos.

Como devo escolher a classificação atual de um PCM ou BMS?

Use a corrente contínua máxima, corrente de pico, duração de pico, corrente de inicialização ou parada, corrente de carga e temperatura operacional do dispositivo. Verifique também as perdas do MOSFET, o layout da placa, o fio, o conector, a queda de tensão, os limites de detecção e o desempenho térmico.

Qual opção consome menos energia em espera?

Um PCM básico geralmente consome menos energia do que um BMS rico em recursos, mas os valores reais variam significativamente. Compare as correntes de operação, suspensão, desligamento e modo de envio usando as especificações reais do circuito.

O PCM ou BMS pode ser personalizado para um dispositivo OEM?

Sim. Limites de proteção, contagem de séries, capacidade de corrente, sensores de temperatura, balanceamento, comunicação, medição de combustível, conector, pinagem, comprimento do fio, dimensões físicas e comportamento de recuperação podem ser projetados de acordo com os requisitos do dispositivo.