Equalização de células em baterias com circuito LC ressonante

Abstract

A crescente adoção de veículos elétricos (VEs) tem impulsionado o uso de baterias de íons de lítio, conhecidas pela alta densidade energética e baixa autodescarga. Contudo, essas baterias exigem monitoramento constante de suas células para assegurar a operação segura e o balanceamento do estado de carga (SOC, State-of-Charge) ou da tensão de circuito aberto (Voc, Open Circuit Voltage), otimizando a capacidade utilizável. A literatura recente apresenta métodos de balanceamento passivo e ativo: enquanto o passivo dissipa energia em resistores, o ativo transfere energia entre as células, sendo mais eficiente, mas frequentemente de maior complexidade e custo. A maioria dos métodos ativos privilegia a velocidade de balanceamento, enquanto métodos voltados à simplicidade usualmente sacrificam a eficiência. Neste cenário, este trabalho propõe um circuito de equalização de células (CEC, Cell Equalization Circuit) ativo, visando simplicidade, eficiência e viabilidade técnica-econômica. A topologia escolhida, célula-para-célula direta (DC2C, Direct Cell-to-Cell), utiliza um tanque LC ressonante, e apresenta um número reduzido de interruptores. Esse circuito foi projetado para operar em múltiplas modulações (modos de operação), possibilitando a transferência de energia entre qualquer par de células. Esses modos de operação foram equacionados e validados em simulações e experimentos. Os resultados mostraram que os modos de operação com três etapas mantêm consistência entre os dados teóricos e experimentais, enquanto os modos com duas etapas são afetados negativamente por perdas de comutação elevadas. No geral, o circuito demonstrou eficiência no balanceamento das tensões das células, assumindo que as células estejam em repouso. Como o método se fundamenta na tensão de circuito aberto, o balanceamento durante a carga e descarga não é recomendado, o que simplifica o controle e reduz o custo computacional do CEC.

Abstract: The growing adoption of electric vehicles (EVs) has driven the use of lithium-ion batteries, known for their high energy density and low self-discharge. However, these batteries require constant monitoring of their cells to ensure safe operation and to balance the state of charge (SOC) or open-circuit voltage (Voc), optimizing the battery?s usable capacity. Recent literature presents both passive and active balancing methods: while passive methods dissipate energy through resistors, active methods transfer energy between cells, offering higher efficiency but often at increased complexity and cost. Most active methods prioritize balancing speed, while those focused on simplicity typically sacrifice efficiency. In this context, this study proposes an active cell equalization circuit (CEC) targeting simplicity, efficiency, and techno-economic feasibility. The chosen topology, direct cell-to-cell (DC2C), uses a resonant LC tank and a reduced number of switches. This circuit was designed to operate with multiple modulations (operation modes), allowing energy transfer between any pair of cells. These operation modes were derived and validated through simulations and experiments. Results showed that three-stage operation modes maintain consistency between theoretical and experimental data, while two-stage modes are negatively affected by high switching losses. Overall, the circuit demonstrated efficiency in balancing cell voltages, provided the cells are at rest. Since the method is based on open-circuit voltage, balancing during charge and discharge is not recommended, which simplifies control and reduces the CEC?s computational cost.