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Implementacao e Avaliacao do Balanceamento Integrado em Baterias

de Ion-Lıtio

Ignacio de Azambuja Midosi Ricart

PROJETODEGRADUACAO SUBMETIDO AO CORPODOCENTE DO CURSO

DE ENGENHARIA ELETRONICA E DE COMPUTACAO DA ESCOLA PO-

LITECNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO

PARTE DOS REQUISITOS NECESSARIOS PARA A OBTENCAO DO GRAU

DE ENGENHEIRO ELETRONICO E DE COMPUTACAO

Autor:

Ignacio de Azambuja Midosi Ricart

Orientador:

Prof. Alessandro Jacoud Peixoso, D. Sc.

Orientador:

Prof. Ramon Romankevicius Costa, D. Sc.

Examinador:

Prof. Antonio Candea Leite, D. Sc.

Examinador:

Prof Eduardo Vieira Leao Nunes, D. Sc.

Rio de Janeiro

Outubro de 2015

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

Escola Politecnica - Departamento de Eletronica e de Computacao

Centro de Tecnologia, bloco H, sala H-217, Cidade Universitaria

Rio de Janeiro - RJ CEP 21949-900

Este exemplar e de propriedade da Universidade Federal do Rio de Janeiro, que

podera incluı-lo em base de dados, armazenar em computador, microfilmar ou adotar

qualquer forma de arquivamento.

E permitida a mencao, reproducao parcial ou integral e a transmissao entre bibli-

otecas deste trabalho, sem modificacao de seu texto, em qualquer meio que esteja

ou venha a ser fixado, para pesquisa academica, comentarios e citacoes, desde que

sem finalidade comercial e que seja feita a referencia bibliografica completa.

Os conceitos expressos neste trabalho sao de responsabilidade do(s) autor(es).

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DEDICATORIA

Dedico este trabalho aos meus colegas do LEAD, LABCON e do curso de Enge-

nharia Eletronica que me deram apoio e contribuıram para a minha formacao tanto

profissional quanto pessoal.

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AGRADECIMENTO

Agradeco a minha famılia, minha namorada e meus colegas por me darem suporte

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RESUMO

No GSCAR (Grupo de Simulacao e Controle em Automacao e Robotica) da

COPPE/UFRJ sao desenvolvidos projetos de robotica para centros de pesquisa e

indutria. Um dos robos e o veıculo submarino de operacao remota (ROV - Remotely

Operated Vehicle) LUMA - Light Underwater Mobile Asset, utilizado para fazer

inspecoes de dutos e barragens.

Atualmente deseja-se utilizar celulas de LiFePo4 nele por serem mais leves

e fornecerem mais corrente, dando maior autonomia ao robo. No entando, a faixa

de operacao delas e muito mais restrita do que de outras tecnologias de celulas, nao

sendo recomendado utiliza-las sem um sistema de monitoramento de bateria (BMS

- Battery Management System). Este seria capaz de controlar a correte de carga e

descarga, a temperatura e a tensao do conjunto de celulas.

A compra de tal sistema juntamente com as celulas customizadas para serem

embarcados no LUMA inviabilizaria o projeto. Como solucao para esse problema, e

proposto o desenvolvimento de um sistema de monitoramento de bateria proprios.

Um dos maiores desafios encontrados no desenvolvimento de um BMS e o

desbalanceamento da bateria, fenomeno que ocorre quando as celulas do conjunto

apresentam diferentes estados de carga. Neste trabalho e desenvolvido um prototipo

capaz de realizar manualmente o balanceamento de uma bateria. O projeto engloba

o desenvolvimento de uma placa de circuito impresso que sera acoplada a uma

inteligencia embarcada. Ao final deste projeto sao propostas melhorias ao prototiopo

para que o BMS juntamente com celulas de LiFePo4 sejam embarcados em projetos

do GSCAR e, principalmente, no ROV LUMA.

Para testar o algoritmo de balanceamento, comandos sao enviados serial-

mente por um computador e interpretados por um microcontrolador conectado a

placa Arduino MEGA2560. Este habilita o chaveamento dos reles responsaveis por

distribuir 4 celulas de LiFePo4 entre uma carga primaria e secundaria. A tensao

de cada uma delas e obtida a cada segundo e transmitida por um segundo micro-

controlador a uma interface grafica denominada Processing. Ao final do projeto sao

apresentados dados experimentais e tambem sao abordadas futuras melhorias para

se obter um sistema automatizado.

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Palavras-Chave:ROV, Balanceamento Integrado, Reles, Arduino, LiFePo4.

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SIGLAS

BMS - Battery Management System

GSCAR - Grupo de Simulacao e Controle em Automacao e Robotica

SoC - State of Charge

IC - Integrated Circuit

Op Amp - Operational Amplifier

GND - Ground

PWM - Pulse Width Modulation

V - Volt

A - Amper

mA - mili Amper

HIGH - Nıvel logico na saıda de portas digitais. No microcontrolador MEGA2560

e representado eletricamente como um sinal entre 5V e 3V

LOW - Nıvel logico na saıda de portas digitais. No microcontrolador MEGA2560

e representado eletricamente como um sinal entre 1,5V e 0V

MOSFET -Metal-oxide-semiconductor field-effect transistor ou transistor de efeito

de campo metal-oxido-semicondutor (TECMOS)

Arduino MEGA2560 - Placa de circuito impresso do Arduino utilizado, a qual

possui o microcontrolador ATmega2560 conectado a ela.

IDE - Integrated Development Environment

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MHz - Megahertz

ADC - Analog-to-Digital Converter

D.d.p. - Diferenca de potencial

SPI - Serial Peripheral Interface

I2C - Inter Integrated Circuit

UART - Universal Asynchronous Receiver/Transmitter

USB - Universal Serial Bus

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Sumario

1 Introducao 1

1.1 Descricao do Problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2 Revisao Bibliografica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.3 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.4 Resultados Obtidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.5 Organizacao do Trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2 Principais Parametros das Celulas e Balanceamento 7

2.1 Caracterısticas Basicas e Parametros de Celulas de Ion-Lıtio . . . . . 7

2.1.1 Tensao em Circuito Aberto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.1.2 Capacidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.1.3 Estado de Carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.1.4 Temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.2 Tipos de Balanceamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.2.1 Balanceamento Passivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.2.2 Balanceamento Ativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.2.3 Balanceamento Integrado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3 Placa de Balanceamento Desenvolvida 15

3.1 Especificacao dos Reles de Chaveamento . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3.2 Sinais de Comando do Microcontrolador . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.3 Conexoes para Assegurar Modularidade . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.4 Circuito de Condicionamento para Aquisicao de Tensao . . . . . . . . 18

3.5 Layout da Placa de Balanceamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

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4 Microcontrolador e Software Embarcado 23

4.1 Microcontrolador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

4.2 Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

4.2.1 Balanceamento Manual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4.2.2 Balanceamento Automatico via Contagem de Coulomb . . . . 26

5 Experimentos e Proposta de Aprimoramento 28

5.1 Descricao da Bancada de Teste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

5.2 Testes Preliminares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

5.3 Teste do Chaveamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

5.4 Balanceamento Manual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

5.5 Problemas Encontrados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

5.6 Proposta de Aprimoramentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

6 Conclusoes 41

6.1 Trabalhos Futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

Bibliografia 43

A Placa de Balanceamento Integrado 46

A.1 Layout da Placa de Balanceamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

A.2 Logica do Chaveamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

A.3 Circuito RC paralelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

B Carga e Descarga 54

B.1 Tecnicas de Carga e Descarga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

B.2 Circuito para Carga e Descarga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

C Codigo do Arduino 57

C.1 Codigo do Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

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Lista de Figuras

2.1 Grafico de Tensao x Tempo de uma Celula de LiFePo4 sob carga e

depois no perıodo de relaxamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.2 Grafico de OCV x SoC de uma celula de LiFePo4. . . . . . . . . . . 8

2.3 Demonstracao de 2 celulas desbalanceadas . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.4 Esquematizacao do Balanceamento Integrado . . . . . . . . . . . . . . 13

2.5 Esquematizacao do Balanceamento Integrado . . . . . . . . . . . . . . 14

3.1 Configuracao dos Pinos do Rele CPC1907B . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.2 Placa de Reles com a nomenclatura presente na Placa de Balanceamento 17

3.3 Esquematico da Placa de Rele com a celula 1 - E possıvel ver os blocos

representando os reles com os resistores pull-up, os pinos devidamente

demarcadas nos reles de acordo com a Figura 3.1, o Op Amp em con-

figuracao do subtrator alem dos conectores das conexoes de entrada

(em curto) e os conectores das ligacoes de saıda no canto direito inferior 19

3.4 Esquematizacao da Aquisicao via Amp Op em modo Subtrator . . . . 20

3.5 Bloco dos Conectores no Esquematico do Circuito . . . . . . . . . . . 22

4.1 Placa de hardware open-source Arduino MEGA 2560 . . . . . . . . . 24

5.1 Montagem dos circuitos para realizar os Experimentos com a Decada

e a Resistencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

5.2 Diagrama de blocos da montagem utilizada nos testes . . . . . . . . . 30

5.3 Demonstracao das conexoes realizadas na Placa durante os testes pre-

liminares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

5.4 Demonstracao das conexoes realizadas na Placa . . . . . . . . . . . . 32

5.5 Circuito utilizado para validar o funcionamento da Placa de Balan-

ceamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

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5.6 Grafico apresentado pelo Osciloscopio ao alternar a conexaao da celula

1 com a celula 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

5.7 Pulso de corrente do carregador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

5.8 Experimento 1 - Curva de Tensao em cada celula com a Placa de

Balanceamento sob carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

5.9 Grafico apresentado no Canal 2 do Osciloscopio ao alocar a celula 2

no lugar da 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

5.10 Experimento 1 - Curva de Tensao x Celulas sobrepostas com a Placa

de Balanceamento sob carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

5.11 Experimento 2 - Grafico de Tensao gerado durante o balanceamento

manual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

5.12 Proposta para evitar a interrupcao da alimentacao durante o chavea-

mento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

A.1 Alocacao das Tarefas na Placa de Balanceamento . . . . . . . . . . . 47

A.2 Layout da Placa de Balanceamento no Eagle . . . . . . . . . . . . . . 48

A.3 Layout da Placa de Balanceamento no Eagle com Plano de GND . . . 49

A.4 Face Frontal da Placa de Balanceamento com componentes soldados . 49

A.5 Face Traseira da Placa de Balanceamento com componentes soldados 50

A.6 Circuito RC em Paralelo com Rele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

B.1 Esquematico do Circuito Regulador de Corrente Controlado por PWM 55

B.2 Circuito e logica dos reles utilizados no regulador de corrente para

alternar entre Carga e Descarga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

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Lista de Tabelas

4.1 Acionamento dos reles de chaveamento em cada configuracao . . . . . 25

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Capıtulo 1

Introducao

Em sistemas dependentes de uma alimentacao para se locomover, busca-

se a maior autonomia possıvel quando a energia e fornecida atraves de baterias.

Essa independencia e atingida atraves da juncao de: elevada densidade de potencia,

seguranca, baixo volume, baixa densidade e uso eficiente [1]. Visando obter essa

performance otima, o emprego de diferentes composicoes quımicas foi estudado ate

desenvolverem as celulas de ıon-lıtio.

Dentre as diferentes composicoes de celulas de ıon-lıtio, deseja-se utilizar

LiFePo4 por apresentarem maior densidade de energia. No entanto, a sua faixa

de operacao e muito restrita, sendo necessario monitorar a temperatura, tensao -

dentre outras grandezas - durante sua utilizacao. Em funcao disso, e necessario um

sistema de monitoramento de bateria (BMS ), garantindo o controle da operacao e

gerenciando de maneira segura e eficiente o uso da energia [1].

A principal tarefa de um BMS e garantir a otimizacao do uso da energia

armazenada e minimizar qualquer chance de dano [2], utilizando sensores de tensao,

corrente e temperatura; controladores de carga, temperatura e atuadores [1]. Esses

sistemas sao responsaveis por garantir a manutencao da tensao e da temperatura

dentro do limite, informar o estado de carga da bateria, tempo de operacao restante

e realizar o balanceamento das celulas.

A compra do conjunto composto por celulas de LiFePo4 e o BMS e inviavel

para ser empregado no ROV LUMA por ser muito caro. A solucao seria desenvolver

o proprio sistema constituıdo por modulos de aquisicao de tensao, balanceamento e

controle de carga e descarga.

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1.1 Descricao do Problema

No grupo GSCAR sao desenvolvidos projetos na area de robotica para aplicacoes

nas mais diversas areas como: expedicoes marıtimas, inspecao de dutos, inspecao de

plataforma de petroleo, entre outras. Para realizar tais tarefas, sao utilizados siste-

mas dependentes de uma alimentacao interna, portanto, estes apresentam limitacoes

tanto no tempo de atuacao/operacao quanto os proprios componentes embarcados

no robo.

Por exemplo, ha o ROV (veıculo operado remotamente) Luma -Light Un-

derwater Mobile Asset - desenvolvido no laboratorio de controle, onde sua geometria

e especıfica para expedicoes em grandes profundidades e deve, portanto, suportar os

efeitos causados pela alta pressao. Inicialmente utilizou-se uma bateria de NiMH

como alimentacao, mas serao trocadas por LiFePo4, por apresentarem uma reducao

de 40% - 50% no peso, 20% - 30% no volume e um leve aumento na eficiencia, alem

de reduzir custos [3].

Por se tratar de baterias sem qualquer eletronica embutida, e indispensavel

garantir a operacao dentro dos limites de temperatura, tensao e corrente [1]. Estes

cuidados servem tanto para prolongar a vida util da bateria quanto por questoes de

seguranca. Em funcao disso, pretende-se criar um BMS, o qual implemente tecnicas

de estimacao de carga, balanceamento de celulas e controle da alimentacao, para ser

embarcado no ROV.

A compra de um sistema de monitoramento com celulas de LiFePo4 custo-

mizados para serem embarcados no Luma seria muito caro. Como solucao para esse

problema e proposto o desenvolvimento de um BMS proprio. Neste trabalho, o foco

e no desenvolvimento de um prototipo capaz de balancear as celulas de LiFePo4,

implementando a tecnica proposta em [4], a qual consiste em separar a alimentacao

de um conjunto de celulas entre 2 circuitos eletricos distintos atraves do chaveamento

de reles.

1.2 Revisao Bibliografica

O avanco da tecnologia proporcionou o desenvolvimento de baterias mais le-

ves e capazes de fornecer mais energia. Uma apresentacao sobre os tipos de baterias,

2

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a tecnologia empregada e suas respectivas vantagens e desvantagens e desenvolvida

em [5]. Neste, sao consideradas caracterısticas quımicas e aplicabilidade de cada

tecnologia. Como as antigas baterias do ROV LUMA sao de nıquel-metal-hidreto,

um estudo comparando celulas de ıon-lıtio e nıquel-metal-hidreto sao realizados em

[3], apresentando as vantagens com essa troca.

A estreita faixa de operacao das celulas de ıon-lıtio, dentre elas as de LiFePo4,

motiva o desenvolvimento de sistemas de monitoramento de bateria, garantindo o

uso eficiente e seguro da energia delas. Foi considerada a pesquisa realizada em

[1], por estudar as funcoes fundamentais nestes sistemas: aquisicao de tensao nas

celulas, estimacao do estado de carga, balanceamento de baterias e diagnosticacao

de falhas.

Em [6] e desenvolvido um BMS utilizando celulas de LiFePo4 e balancea-

mento ativo, sao apresentados conceitos essenciais desses sistemas e caracterısticas

basicas de celulas como: especificacoes eletricas, temperatura, tensao em circuito

aberto, taxa de auto-descarga e estado de carga, complementando o estudo para o

desenvolvimento do proprio BMS no GSCAR.

Um dos algoritmos de estimacao de carga desenvolvidos no presente projeto

visa utilizar a contagem de Coulomb por sua simplicidade, como discutida em [6],

[7] e [8]. No entanto, existem na literatura tecnicas baseadas na implementacao de

filtro de Kalman e modelos eletricos para estimacao de carga sao abordados em [9]

e [10].

Estas estimativas do estado de cargas sao utilizadas juntamente com o balan-

ceamento para tornar o sistema de alimentacao autonomo. Os metodos de balance-

amento normalmente implementados sao divididos em 3 grupos: passivo, estudado

em [11] e [12], ativo, estudado em [13], [14] e [15] utilizando conversores (indutores

e transformadores) ou capacitores, interligando-os atraves de reles. Em [14] e [16]

sao realizadas pesquisas comparando o balanceamento passivo e o ativo.

O balanceamento integrado e um conceito desenvolvido em [4], onde sao

alimentadas 2 cargas simultaneamente atraves da distribuicao de celulas entre estas.

Esta abordagem e testada no decorrer deste projeto, avaliando sua aplicabilidade em

BMS. Na pratica, esta topologia permite conectar um conjuntos de celulas formado

por diversas celulas independentemente entre 2 circuitos. No caso do ROV LUMA,

3

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um circuito primario seria representado pela eletronica de potencia formada pelos

motores e o secundario pela inteligencia embarcada. Neste caso, a alimentacao do

circuito primario exigiria muito mais corrente da bateria do que o secundario.

Vale a pena ressaltar que para outras aplicacoes os circuitos nao necessaria-

mente demandam corrente, eles tambem podem ser geradores de maneira a carregar

as baterias.

1.3 Objetivos

O objetivo principal deste trabalho e validar o funcionamento de uma topolo-

gia de balanceamento recentemente proposta, denominada balanceamento integrado

[4]. O objetivo especıfico e desenvolver e implementar um sistema microcontrolado

modular capaz de distribuir diversas celulas entre 2 cargas, fornecendo a alimentacao

para estas e balanceando as celulas simultaneamente.

Este objetivo e atingido definindo um prototipo, projetando a placa de cir-

cuito impresso, testando os conceitos desse balanceamento na pratica e, por fim,

interpretando os resultados obtidos durante os experimentos.

Inicialmente, precisa-se estudar caracterısticas de sistemas de monitoramento

de bateria, celulas de LiFePo4 e topologias de balanceamento para entao, definir

os parametros relevantes ao experimento e como medi-los. A partir deste ponto,

sao definidos os componentes, a comunicacao e tecnica de aquisicao de tensao que

sao implementados. Finalmente, os componentes sao conectados a placa e a logica

e gravada no microcontrolador.

Os testes sao realizados na placa de balanceamento avaliando os conceitos

propostos em [4] sobre modularidade e logica de acionamento dos reles e monitorando

as variacoes de tensao, nas celulas e na carga, atraves da interface grafica Processing

e de um osciloscopio.

O grande desafio desse trabalho e entao desenvolver uma placa capaz de re-

alizar o balanceamento integrado conectada a duas cargas resistivas denominadas

primaria e secundaria, uma vez que ha possibilidades de uma interrupcao na ali-

mentacao ou curto-circuito entre as celulas durante o chaveamento.

4

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1.4 Resultados Obtidos

A Placa de Balanceamento funcionou como esperado: recebendo os comandos

de acionamento provenientes do microcontrolador, chaveando os reles como especi-

ficado e monitorando a variacao de tensao nas celulas e/ou nas cargas.

Os principais conceitos do balanceamento foram analisados utilizando 4 celulas

de LiFePo4. Estas eram conectadas as cargas primaria e secundaria de acordo com

os comandos enviados pelo computador. Suas tensoes apresentavam oscilacao por

centenas de milissegundos durante os chaveamentos, estabilizando posteriormente.

Um dos experimentos consiste em um balanceamento, como descrito na Secao

5.4, avaliando a conexao da carga secundaria com uma corrente baixa - da ordem

de dezenas de mA - e a primaria com alta - aproximadamente 1A - para equalizar a

carga da bateria.

A alimentacao das cargas era interrompida nos instantes de chaveamento,

como ilustrado nas Figuras 5.6 e 5.9. Em funcao disso, foi proposto um novo al-

goritmo de chaveamento e a inclusao de 2 capacitores e reles na placa. A imple-

mentacao dessa proposta exige o reprojeto do layout e reprogramacao do microcon-

trolador.

Ao final sao especificados valores comerciais de capacitores que atendam as

necessidades do ROV Luma, exemplificando uma aplicacao pratica.

1.5 Organizacao do Trabalho

Sao apresentadas no capıtulo 2 tensao em circuito aberto, capacidade, estado

de carga e temperatura. Estes sao parametros essenciais sobre celulas, utilizados

em BMS. Em sequencia, ha a apresentacao do conceito de balanceamento e suas

diferentes topologias, priorizando o balanceamento integrado, por ser implementado

na placa de balanceamento.

No capıtulo 3, o foco do projeto e o desenvolvimento desta placa. Inicialmente

explicando as caracterısticas relevantes nos reles de chaveamento utilizados e qual o

metodo de ativacao. Em seguida, aborda-se a modularidade desse conceito, deter-

minando quais os pre-requisitos e como atende-los. Finalmente, sao apresentando

tecnicas de aquisicao de tensao, definindo qual a implementada.

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Levando em consideracao essas informacoes, o layout da placa e desenvol-

vido, ilustrando na Secao A.1 o resultado final e tambem a placa com componentes

conectados, como mostram as Figuras A.3 e A.4.

No capıtulo 4 ha a apresentacao do microcontrolador utilizado, expondo suas

caracterısticas e motivo de sua escolha. Posteriormente sao descritos dois algorit-

mos de balanceamento integrado. O primeiro algoritmo consiste em uma logica para

apenas realizar testes, portanto, demanda menos processamento e nao realiza ba-

lanceamento automatico. E necessaria a transmissao de um sinal composto pelas

tensoes para o microcontrolador, o qual aciona os reles. Ja o segundo foi idealizado

para aplicacoes reais, mas nao foi finalizado.

Os experimentos, resultados praticos dos ensaios e propostas de aprimora-

mento sao apresentados no capıtulo 5. Primeiramente realizando os testes prelimi-

nares com chaveamento em circuito aberto, evoluindo ate realizar um balanceamento

manual com celulas de LiFePo4, onde uma decada de resistencia - variando entre

11kΩ e 10Ω - representa a carga primaria e um resistor de 100Ω a secundaria. Ao

final, sao exibidas propostas as dificuldades apresentadas durante os testes. Dentre

elas, a interrupcao da alimentacao e a mais crıtica por impossibilitar qualquer acao

do sistema por um perıodo.

Finalmente, no capıtulo 6, sao feitas as conclusoes sobre o trabalho e as

sugestoes para trabalhos futuros e melhorias na placa desenvolvida.

6

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Capıtulo 2

Principais Parametros das Celulas

e Balanceamento

Neste capıtulo, sao abordados parametros fundamentais sobre celulas de ıon-

lıtio, descrevendo seus comportamentos e importancia em um sistema de monito-

ramento de bateria. Em seguida, aborda-se um problema sempre presente nestas

celulas, o desbalanceamento do estado de carga. Os tipos de topologia capazes de

balancear um sistema sao expostos posteriormente, enfatizando o balanceamento

integrado. Este sera implementado no sistema para que seja possıvel validar seu

funcionamento.

2.1 Caracterısticas Basicas e Parametros de Celulas

de Ion-Lıtio

Por apresentarem uma faixa de operacao restrita tanto na tensao quanto

na temperatura, as celulas de ıon-lıtio necessitam de um BMS, garantindo uma

operacao segura e uso eficiente da energia. No entanto, o sistema precisa dispor de

dados relevantes para executar essas funcoes [1].

Os principais parametros de celulas utilizados sao: Tensao em Circuito Aberto,

Capacidade, Estado de Carga e Temperatura.

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2.1.1 Tensao em Circuito Aberto

Definido em ingles como Open Circuit Voltage - OCV, esse parametro carac-

teriza a curva de tensao da celula ao longo do tempo quando a mesma se encontra

relaxada. Por relaxada, entende-se um ∆t no qual nao ha carga sendo aplicada e a

tensao esta estabilizada na celula. Em [6], considera-se um ∆t de 30 minutos para

obter o OCV.

Figura 2.1: Grafico de Tensao x Tempo de uma Celula de LiFePo4 sob carga e

depois no perıodo de relaxamento

Apos aplicar diversos pulsos de corrente na bateria, e possıvel mapear a sua

curva de OCV, semelhante a Figura 2.2. Esses dados sao utilizados juntamente com

a corrente para estimar a capacidade util de cada celula e, ao final, apresentar o

estado de carga [6].

Figura 2.2: Grafico de OCV x SoC de uma celula de LiFePo4.

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2.1.2 Capacidade

Juntamente com o material da celula, a capacidade media e sempre especi-

ficada nos involucros de baterias. Esta informacao representa quanto de corrente

uma celula e idealmente capaz de fornecer em uma hora.

E possıvel encontrar celulas de mesmo material, no entanto com capacidades

diferentes. Isto ocorre pela diferenca no volume do pack (conjunto de celulas), pois

cada tecnologia apresenta uma densidade energetica nominal (em Wh/Kg) e uma

energia especıfica (em Wh/L) propria [17].

Por convencao, a corrente com a qual o pack e carregado ou descarregado e

expressa em funcao da capacidade. Exemplificando, aplicar carga de 1C em uma

bateria implica no carregamento ou descarregamento desta em uma hora. Realizando

este procedimento na metade do tempo, ou seja, com o dobro da corrente, caracteriza

uma carga de 2C. Essa taxa e conhecida como C rate e tambem e empregada para

definir os limites de carga e descarga na bateria [6].

2.1.3 Estado de Carga

Tambem conhecido como State of Charge (SoC), o estado de carga representa

percentualmente a capacidade util restante em relacao a total da celula. Normal-

mente apresentado graficamente em funcao da tensao da celula.

Analisando o SoC e a corrente aplicada a carga, e possıvel estimar o tempo

de operacao restante e evitar sobrecarga ou descarga excessiva nas celulas [6]. Como

consequencia disso, a vida util da celula e prolongada, algo desejavel em projetos

onde a bateria representa uma parcela significativa do custo total.

Os metodos mais utilizados para definir o estado de carga sao a tabela do

Estado de Carga em funcao da OCV, a Contagem de Coulomb e a utilizacao de

circuitos equivalentes as celulas ou modelos matematicos com filtro de Kalman.

A tabela consiste no mapeamento do SoC sob C rates diferentes com tempos

de relaxamento longos, em torno de 30 minutos, para a tensao na celula estabilizar.

Essas medidas nao sao exatas em funcao da variacao dos parametros durante a

operacao, como exemplo pode-se citar a temperatura, a capacidade e a resistencia

interna da bateria. Este metodo e utilizado para determinar o SoC inicial da celula

rapidamente. Uma abordagem similar a esta e vista tambem em [6].

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A contagem de Coulomb e o metodo mais implementado, onde a carga res-

tante e calculada integrando-se a corrente circulante na bateria em funcao do tempo.

E um metodo simples aplicavel em sistemas on-board, caso seja fornecido o estado

inicial das celulas utilizadas. No entanto, esse metodo e implementado em malha

aberta, sujeito a ruıdos nas medicoes e nao considera o envelhecimento da celula,

como abordado em [6], [7] e [8].

O ideal para estimar o SoC e a juncao de um circuito equivalente ou modelo

matematico com um filtro de Kalman nao linear ([9] e [10]), pois consideraria mais

parametros durante as estimativas. A dificuldade esta em definir os parametros,

pois inicialmente e fundamental equacionar a curva de OCV para cada uma das

celulas e, posteriormente, calibrar os modelos capazes de simular o comportamento

da bateria. Por fim, os parametros sao utilizados pelo filtro de Kalman para obter

o valor do SoC.

2.1.4 Temperatura

A temperatura e o parametro mais importante em relacao a seguranca, pois

afeta a estrutura quımica das celulas tanto durante o uso quanto no armazenamento,

podendo torna-la inutilizavel [6]. Experimentos certificadores disto sao validados em

[18], [19] e [20].

Carga ou descarga de baterias em baixas temperaturas resultara no aumento

da resistencia interna. Ja em altas temperaturas, ocorre o inverso. Como con-

sequencia direta de qualquer uma destas condicoes, a capacidade da celula diminui

e a taxa de auto-descarga aumenta [6].

2.2 Tipos de Balanceamento

Apesar de todo o avanco tecnologico, celulas, ainda que compradas do mesmo

fabricante e lote, jamais terao comportamentos identicos [21]. Essas divergencias

ficam em evidencia apos ciclos de carga e descarga ou com o passar do tempo devido

ao envelhecimento [12]. Este efeito e denominado desbalanceamento de carga ou

desbalanceamento simplesmente.

O desbalanceamento ocorre quando as celulas que compoem uma bateria

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apresentam diferentes estados de carga. Isto e causado nao so pela diferenca da

capacidade das celulas, mas tambem da resistencia interna, degradacao quımica e/ou

temperatura entre as celulas e ambiente, resultando na diminuicao da capacidade

util da bateria a medida em que for se agravando [12].

Exemplificando, o carregamento da bateria ocorrera ate uma das celulas atin-

gir o SOC maximo (100%), independente de quantas o atingirem simultaneamente.

Em um sistema alimentado por 2 celulas, a operacao sera encerrada assim que a pri-

meira carregar totalmente. Caso o processo continue, esta celula sofrera sobrecarga

e, consequentemente, a vida util reduzira ou ela se tornara inutilizavel. O mesmo

problema ocorre durante a descarga. Este problema esta ilustrado na Figura 2.3.

Figura 2.3: Demonstracao de 2 celulas desbalanceadas

Como solucao para garantir uma carga/descarga completa do sistema de ma-

neira segura, foram desenvolvidos diversos metodos de balanceamento. Estes sao

divididos em 3 grupos: Balanceamento Passivo, Balanceamento Ativo, Balancea-

mento Integrado.

2.2.1 Balanceamento Passivo

O metodo mais simples, barato e, portanto, mais utilizado e o balanceamento

passivo. Este consiste em utilizar um elemento resistivo para dissipar, sob forma

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de calor, o excesso de energia das celulas de maior tensao no pack. A desvantagem

desta aplicacao e o nao aproveitamento da energia dissipada [12].

O algoritmo de balanceamento pode ser divido em 2 abordagens. Balancea-

mento por mınimo ou balanceamento por medias [11].

No primeiro metodo, o algoritmo pode atuar tanto na descarga quanto na

recarga. Ele consiste em identificar a celula de menor SoC a cada perıodo determi-

nado e, entao, conectar as demais aos elementos resistivos atraves de reles. Ao final,

todas apresentarao o mesmo estado de carga com uma margem de aproximadamente

5% do SoC em relacao a celula de menor tensao, como realizado em [11] e em [12].

O balanceamento por medias consiste em calcular estado de carga medio das

celulas a partir das estimativas de SoC e entao, conectar as celulas com estado de

carga a cima da media aos elementos resistivos. Este metodo so pode ser executado

durante a recarga, pois as cargas primaria e secundaria nao fornecem energia as

celulas.

Quando o pack de celulas apresenta o SoC proximo da media, ocorrem cha-

veamentos com maior frequencia em funcao das tensoes oscilarem muito proximas

da media. Para evitar isso, define-se o perıodo ou diferenca de carga mınimo para

realizar o balanceamento. Por exemplo, definir um perıodo 1 minuto entre cada con-

junto de chaveamento ou apenas realiza-lo caso alguma celula exceda 5% do estado

de carga medio.

2.2.2 Balanceamento Ativo

Como solucao para reduzir o desperdıcio de energia das celulas durante o

balanceamento, foi desenvolvido o balanceamento ativo. Neste, parte da carga das

celulas e transferida das mais para as menos carregadas atraves de conversores (in-

dutores e transformadores) ou conectando a capacitores atraves de reles, como apre-

sentado em [13], [14] e [15].

O circuito eletrico necessario para esse sistema e bem mais denso, complexo e

caro, motivando estudos para torna-lo mais viavel e rentavel. Pesquisas comparando

a eficiencia entre balanceamento passivo e ativo sao apresentadas em [14] e [16].

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2.2.3 Balanceamento Integrado

Ao contrario das outras topologias de balanceamento, no integrado nao ha

conversao ou dissipacao de energia como forma de balancear. O balanceamento

ocorre conectando celulas a cargas primaria ou secundaria, onde circulam corrente.

Tambem existe a possibilidade de desconectar celulas das cargas, caso ocorra alguma

falha nelas. Este conceito e proposto em [4].

Figura 2.4: Esquematizacao do Balanceamento Integrado

Esse metodo consiste em realizar a conexao serial de inumeras celulas atraves

de modulos compostos por 7 reles conectados conforme a Figura 2.4.

Com essa proposta, e possıvel utilizar celulas com capacidades muito discre-

pantes sem comprometer a alimentacao do sistema; desconectar celulas defeituosas

do circuito; obter um banco de celulas reserva e balancea-las durante a operacao.

Alem disso, possui alta eficiencia por apresentar apenas a resistencia interna dos

reles como elementos dissipativos.

Na Figura 2.5, observa-se a conexao do modulo dos reles a celula e uma

possıvel distribuicao para alimentar as cargas primaria e secundaria.

A definicao do acionamento dos reles em cada placa depende da carga a qual a

celula atual e a seguinte estao conectadas. As possıveis configuracoes serao descritas

na Secao A.2

Supondo um sistema eletrico formado por uma placa solar, um BMS com-

posto por 6 celulas de LiFePo4 e uma eletronica para ativar turbinas, a qual de-

mande uma alimentacao de 15V. Com esta topologia de balanceamento e possıvel

definir arbitrariamente 4 celulas de LiFePo4 para alimentarem o sistema enquanto

as outras 2 celulas sao recarregadas atraves da placa solar. A medida em que es-

sas celulas forem recarregando, realiza-se um conjunto de chaveamentos na placa

de balanceamento para conectar a celula completamente carregada no conjunto res-

13

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Figura 2.5: Esquematizacao do Balanceamento Integrado

ponsavel pela alimentacao da eletronica, enquanto que as 2 de menor tensao serao

conectadas a placa solar para serem recarregadas.

Para um caso em que o circuito primario e o secundario demandem uma

corrente de alimentacao, o balanceamento ocorre em funcao da diferenca entre essa

alimentacao. Celulas mais descarregadas sao “poupadas”sendo alocadas no circuito

de menor corrente ou desconectadas, enquanto as que possuırem maior SoC sao

conectadas ao circuito que demandar mais corrente da bateria. Eventualmente o

estado de carga destas celulas passara a ser inferior ao das desconectadas ou alocadas

no outro circuito. Nesses instantes ocorre o chaveamento para garantir que ao final

da operacao todas as celulas apresentem o mesmo estado de carga, garantindo celulas

balanceadas e um maior tempo de funcionamento do sistema.

Nesse projeto sera sempre considerado que o circuito primario demanda uma

corrente maior do que o secundario. Tambem sera utilizada a notacao de carga

primaria e carga secundaria para se referir ao circuito primario e ao circuito se-

cundario, respectivamente.

Algumas situacoes devem ser consideradas ao implementar este balancea-

mento, pois durante o chaveamento pode ocorrer brevemente a formacao de curto-

circuito ou a interrupcao da alimentacao nas cargas. Como solucao, e proposta uma

nova placa ao final do projeto na Secao 5.6.

14

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Capıtulo 3

Placa de Balanceamento

Desenvolvida

Neste projeto, e desenvolvida a placa de balanceamento, responsavel por

receber os sinais de comando provenientes do microcontrolador, atuar nos reles de

chaveamento e obter a tensao nas celulas, permitindo a monitoracao delas durante

experimentos.

O processo de criacao da placa e descrito neste capıtulo de acordo com os

itens listados a seguir.

1. Especificacao dos Reles

2. Sinais de Comando do Microcontrolador

3. Conexoes Para Assegurar Modularidade

4. Aquisicao de Tensao

5. Desenvolvimento do Layout da Placa

3.1 Especificacao dos Reles de Chaveamento

Anterior a definicao de marcas e modelos dos reles de chaveamento, deve-

se especificar primeiramente quais caracterısticas sao relevantes em um rele. Estes

devem apresentar baixa resistencia interna, alta velocidade de chaveamento, isola-

mento entre entrada/saıda, bidirecionalidade, baixa corrente de ativacao e suportar

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tensoes da ordem de 20V e correntes de 3A. E desejavel que estes suportem altas

tensoes (ate 60V, por exemplo), correntes de (5A) e sejam de estado solido para

atenderem as necessidades do ROV LUMA.

A necessidade de ser bidirecional reside na possibilidade da carga primaria e

secundaria fornecerem ou drenarem energia do pack de celulas, substituindo estas

por painel solar, por exemplo. Caso seja usado rele unidirecional, a operacao e

limitada a um dos casos: apenas recarga ou descarga.

E preferıvel um rele de estado solido a um eletromecanico, por ser mais

compacto, possuir maior vida util, necessitar de uma menor corrente de ativacao e

nao apresentar partes moveis - maior robustez fısica.

Levando em consideracao todas as condicoes acima citadas, foi escolhido o

rele CPC1907B da empresa IXYS. Dentre suas especificacoes, deve-se destacar:

• Resistencia interna = 0, 06Ω

• Corrente na carga = ±6ADC

• 5000Vrms de isolamento na entrada/saıda

• Nao apresenta partes moveis

• Terminais em SMD e compacto

• Corrente de ativacao entre 1,5 e 5mA

• Velocidade de chaveamento ao ativar = valor tıpico 2,7ms e maximo 5ms

• Velocidade de chaveamento ao desativar = valor tıpico 0,14ms e maximo 1ms

• Limite de tensao quando nao ativado = 60V

3.2 Sinais de Comando do Microcontrolador

O sinal digital proveniente do microcontrolador pode ser eletricamente cor-

respondente a uma tensao entre 3V e 5V (HIGH) ou entre 1, 5V e 0V (LOW). Nesse

trabalho foi utilizada a ativacao das portas dos reles em nıvel logico baixo. Sendo

assim, como mostrado na Figura 3.3, o pino 2 do rele e conectado a um resistor em

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Figura 3.1: Configuracao dos Pinos do Rele CPC1907B

serie com uma fonte de 5V e o 3 ao microcontrolador como apresentado na pinagem

da Figura 3.1. Esta configuracao e utilizada para forcar um estado - nıvel logico alto,

no caso - quando nenhum sinal for aplicado a saida/entrada, evitando um estado

indefinido nos pinos, o qual poderia gerar chaveamentos indesejaveis.

3.3 Conexoes para Assegurar Modularidade

Como apresentado na Figura 2.5, e possıvel conectar um modulo em serie com

diversos outros. A nomenclatura utilizada na placa de balanceamento e apresentada

na Figura 3.2.

Figura 3.2: Placa de Reles com a nomenclatura presente na Placa de Balanceamento

As conexoes da carga primaria, secundaria e da celula de cada modulo foram

dividas entre entrada e saıda. A primeira e composta por Primario - In, Secundario

- In e Cell-, enquanto a segunda apresenta os conectores Primario - Out, Secundario

- Out e Mid.

Os conectores Primario - In, Secundario - In e Cell- do primeiro modulo

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precisam ser interligados para garantir que as cargas estejam referenciadas a um

mesmo GND, como sera mencionado no comeco da Secao 3.4 e ilustrado na Figura

2.5. A operacao nao e prejudicada por este procedimento, mas a modularidade sim.

Caso nao houvesse interconexao, seria possıvel acoplar diversas placas, contemplando

um sistema composto por mais de 4 celulas.

A ligacao das placas as cargas ocorre conectando o terminal da carga primaria

ao Primario - In do primeiro modulo e ao Primario - Out do ultimo. De maneira

identica ocorre com a secundaria.

3.4 Circuito de Condicionamento para Aquisicao

de Tensao

A aquisicao de tensao fornece dados ao controlador, o qual atua nos reles,

garantindo uma operacao dentro dos limites eletricos da bateria, e determinando o

SoC das celulas.

Por haver cargas e ligacao de celulas em serie, e essencial realizar as medicoes

em relacao a um mesmo referencial. Isto ocorre conectando o terra - GND - entre

as cargas primaria, secundaria e o microcontrolador.

Uma abordagem para realizar medicoes utiliza um conversor analogico di-

gital com referencia interna (ADS1015 ou ADS1115), o qual se comunica com o

microcontrolador via I2C. Ele atuaria como um comparador com 12 ou 16 bits de

resolucao (ADS1015 ou ADS1115 respectivamente), onde cada circuito integrado te-

ria 2 entradas. Cada conversor mede entre 2.0V e 5.5V dependendo da alimentacao

no IC.

A abordagem utilizada na placa consiste em realizar a afericao com os ampli-

ficadores operacionais LM833N. Sao utilizados 2 componentes contendo 2 Op Amps

cada, os quais sao conectados as 4 celulas em modo subtrator como apresentado na

Figura 3.4, transmitindo seus sinais de saıda aos ADCs do microcontrolador.

Por apresentar baixo ruıdo de tensao na entrada, o LM833N e ideal para

esta aplicacao. Vale a pena ressaltar a necessidade de resistores da ordem de 100kΩ

conectados as entradas do amplificador no lugar de R, como visto na Figura 3.4,

para aproxima-lo do comportamento ideal.

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Figura 3.3: Esquematico da Placa de Rele com a celula 1 - E possıvel ver os blocos

representando os reles com os resistores pull-up, os pinos devidamente demarcadas

nos reles de acordo com a Figura 3.1, o Op Amp em configuracao do subtrator alem

dos conectores das conexoes de entrada (em curto) e os conectores das ligacoes de

saıda no canto direito inferior

A alimentacao do LM833N ocorre atraves dos pinos de +V cc e −V ee. Essas

tensoes sao os valores limitantes do sinal de entrada tanto em V+ quanto em V−,

de modo que estas precisam ser superiores a −V ee e inferiores a +V cc.

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Figura 3.4: Esquematizacao da Aquisicao via Amp Op em modo Subtrator

A tensao +V cc precisa ser suficientemente grande a ponto de a diferenca de

potencial eletrico das 4 celulas em serie nao ultrapassa-la. Do contrario, haveria

saturacao e as medicoes seriam prejudicadas.

Como sao utilizadas 4 celulas de LiFePo4, o ideal e fornecer uma tensao em

+V cc quatro vezes superior ao maximo delas. Como este nıvel pode atingir ate 4,2V

(Figura 2.2, [1] e [22]), o ideal seria utilizar uma alimentacao proxima de 18,2V em

+V cc e conectar o −V ee ao GND.

Os sinais de saıda no amplificadores operacionais LM833N corresponde a

diferenca de potencial entre V+ e V− em relacao a −V ee, como ilustrado na Figura

3.3, garantindo uma medicao referenciada com o microcontrolador.

Independente dos Op Amps, os ADCs do microcontrolador aceitam 5V de

d.d.p na entrada. Em funcao disso, a tensao na carga primaria nao pode ser ob-

tida atraves do microcontrolador sem o acrescimo de um divisor resistivo. Como

alternativa, pode-se realizar a soma algebrica do potencial de cada celula alocada

na carga. Como alternativa a esse metodo, utilizou-se um osciloscopio para avaliar

as variacoes de tensao nelas durante o chaveamento.

Para calcular a corrente circulante nas cargas primaria e secundario, foi conec-

tado um resistor de precisao a cada uma. No entanto, a tensao neles nao apresenta

uma amplitude suficientemente alta para ser transmitida aos ADCs do microcontro-

lador. Uma abordagem normalmente utilizada consiste em elevar o sinal de tensao

no resistor atraves de um Op Amp, resultando em um acrescimo de ruıdo. Um ou-

tro metodo para realizar diretamente a medicao de corrente e utilizar um sensor de

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efeito Hall - como o ACS712.

3.5 Layout da Placa de Balanceamento

Apos especificar todas as condicoes necessarias, precisa-se criar o Layout

da Placa de Balanceamento integrando todos os pontos anteriormente abordados.

Para essa funcao foi utilizado o Software Eagle (Easily Applicable Graphical Layout

Editor).

De maneira resumida, foram considerados os seguintes aspectos:

1. Necessidade de manter a referencia entre o microcontrolador, a fonte de ali-

mentacao dos amplificadores operacionais e as cargas primaria e secundaria;

2. Conectores para as 4 celulas, sinais de acionamento do microcontrolador, ali-

mentacoes, cargas primaria e secundaria e sinais de saıda dos amplificadores

operacionais;

3. Divisao da placa em 4 quadrantes (2 frontais e 2 traseiros)

4. Ativacao dos Reles em LOW

O projeto de layout se inicia a partir da esquematizacao do circuito, definindo

quais componentes sao utilizados e interligando resistores, blocos, conectores e Amp

Ops.

O esquema foi dividida em 5 grandes blocos:

1. Contendo os conectores

2. Contendo o modulo de chaveamento 1 com a celula 1 e o Op Amp subtrator

3. Contendo o modulo de chaveamento 2 com a celula 2 e o Op Amp subtrator

4. Contendo o modulo de chaveamento 3 com a celula 3 e o Op Amp subtrator

5. Contendo o modulo de chaveamento 4 com a celula 4 e o Op Amp subtrator

Observa-se na Figura 3.5 os conectores do sinal analogico, microcontrolador,

alimentacao, celulas e resistores de precisao. Os demais compoem os modulos de

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Figura 3.5: Bloco dos Conectores no Esquematico do Circuito

chaveamento, o conector entre eles e os amplificadores operacionais, como na Figura

3.3. Optou-se por distribuir os componentes em 2 faces, otimizando o espaco. Em

cada uma foi criado um plano de GND, cujas vantagens sao:

• Ter o GND distribuıdo continuamente pela placa facilita o roteamento do

circuito, pois e a conexao mais comum em um circuito.

• Aumentar a resistencia mecanica da placa

• Diminuir a impedancia de todas as conexoes de GND, isso reduz a conducao

de ruıdos indesejados

• Criar uma capacitancia distribuıda para cada ligacao no circuito, reduzindo a

propagacao de ruıdo

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Capıtulo 4

Microcontrolador e Software

Embarcado

Nesse capıtulo e apresentado o microcontrolador utilizado juntamente com os

algoritmos de balanceamento desenvolvidos. Inicialmente sao abordadas as carac-

terısticas as quais o microcontrolador precisaria atender para viabilizar o balance-

amento. Posteriormente, 2 algoritmos de balanceamento sao descritos. O primeiro

visa uma aplicacao imediata para validar o balanceamento integrado, ja o segundo

seria para a implementacao futura no BMS do ROV LUMA.

4.1 Microcontrolador

O microcontrolador utilizado no projeto e o ATmega2560 da ATMEL, com

oscilador de 16 MHz; 54 pinos de entrada/saıda de sinal digital, das quais 16 podem

ser utilizadas como entradas analogicas e 15 como saıda de sinal modulado por

largura de pulso; e realiza comunicacao via UART, I2C e/ou SPI.

Este foi escolhido principalmente pela disponibilidade de portas de entrada/saıda,

pois cada celula de LiFePO4 esta conectada a uma placa contendo 7 reles CPC1907B.

Logo, sao utilizados 28 reles para distribuir 4 celulas entre as cargas primaria e se-

cundaria. Como abordado na Secao 3.2, cada rele e ativado atraves de um sinal

digital, portanto sao necessario 28 sinais independentes provenientes das portas di-

gitais do microcontrolador. Juntamente com estes sinais, sao necessarios sinais para

comunicacao e ADCs, demandando ao menos 36 portas digitais.

23

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Figura 4.1: Placa de hardware open-source Arduino MEGA 2560

Um solucao alternativa a demanda excessiva por portas seria empregar um

IC Shift Register (74HC595, por exemplo) ao sistema. Ligando 3 portas do micro-

controlador ao IC, e possıvel obter ate 8 de saıda.

O microcontrolador esta conectado a placa de Arduino MEGA2560. Esta

dispoe de um modulo conversor UART-USB que e utilizado para receber os sinais

de balanceamento transmitidos por um computador, realizar a comunicacao com a

interface grafica responsavel pelo monitoramento das tensoes e gravar o codigo-fonte

no microcontrolador.

4.2 Software

O codigo implementado no microcontrolador foi escrito na linguagem C/C++,

utilizando bibliotecas desenvolvidas para a plataforma Arduino. Estas possuem di-

versas funcoes pre-definidas, conferindo agilidade no desenvolvimento de codigos,

diferentemente da linguagem de programacao em baixo nıvel implementada em mi-

crocontroladores.

Neste projeto, a funcao do microcontrolador e validar o funcionamento de

uma topologia de balanceamento integrado. Para tal, foram desenvolvidas duas

logicas de acionamento dos reles de chaveamento, o balanceamento manual e o ba-

lanceamento automatico via contagem de coulomb.

A interface grafica Processing e utilizada para monitorar as tensoes das celulas

nos experimentos desenvolvidos nas Secoes 5.3 e 5.4. Esta interface foi desenvolvida

24

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para interfacear computador e placas de Arduino. Sua programacao e realizada

atraves de bibliotecas semelhantes as do Arduino. Seu codigo foi desenvolvido em

[11].

4.2.1 Balanceamento Manual

Este metodo foi implementado no codigo-fonte do microcontrolador por ser

simplista. Consiste em definir entre 4 tensoes recebidas qual a celula com menor

tensao e conecta-la a carga secundaria. As demais celulas sao conectadas a carga

primaria. Por convencao, nesse projeto a carga secundaria demandara sempre uma

corrente menor do que a primaria.

Com as celulas ja conectadas a placa de balanceamento, e transmitido via

comunicacao serial do computador ao microcontrolador um sinal responsavel por

ativar os reles de maneira a distribuir as celulas entre a carga primaria e secundaria.

Apos a recepcao deste sinal, o Arduino MEGA executa a funcao “chaveamento(

tensao1, tensao2, tensao3, tensao4)”, onde o menor valor de tensao transmitido

definira qual a unica celula que sera conectada a carga secundaria, desencadeando

no chaveamento dos reles dos 4 modulos, alocando as celulas em seus respectivos

lugares, conectando primeiramente a de menor tensao e posteriormente as outras.

O codigo desenvolvido contempla as 4 possıveis distribuicoes de celulas. Isso e

realizado atraves da ativacao dos reles de acordo com as 12 possibilidades abordados

na Apendice A.2.

Os reles ativos em cada configuracao esta especificado de acordo com a Tabela

4.1

Carga Primaria Carga Secundaria Reles Acionados

Celulas Celulas Placa 1 Placa 2 Placa 3 Placa 4

1 2, 3 e 4 S2, S4 e S6 S1 e S5 S1 e S5 S3 e S5

2 1, 3 e 4 S3, S5 e S7 S2, S4 e S6 S1 e S5 S3 e S5

3 1, 2 e 4 S1 e S5 S3, S5 e S7 S2, S4 e S6 S3 e S5

4 1, 2 e 3 S1 e S5 S1 e S5 S3, S5 e S7 S2 e S6

Tabela 4.1: Acionamento dos reles de chaveamento em cada configuracao

Como a frequencia do oscilador no microcontrolador (16 Mhz) e muito maior

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do que a de ativacao tıpica do rele CPC1907B (370 Hz), conforme comentado na

Secao 3.1 e Subsecao 4.1 respectivamente, o sinal de comando e transmitido para

todos reles antes de qualquer um ser efetivamente acionado, gerando assim uma

sequencia de chaveamentos em tempos aleatorios. Isto pode gerar um curto-circuito

das celulas e danificar os equipamentos.

Para exemplificar esta situacao, e suposta uma distribuicao conforme a da

Figura 2.5. Observando a conexao entre a placa 3 e 4, pode haver um curto na

celula 4 caso o rele S5 da placa 4 seja ativado antes da desativacao do S6 da placa

4 e o S7 da placa 3. A solucao implementada para evitar esta situacao consiste

em gerar um delay de 7 milissegundos entre cada ativacao/desativacao, ao custo de

aumentar o perıodo do chaveamento de todos modulos. Isto gerou a necessidade de

um aprimoramento descrito na Secao 5.6.

4.2.2 Balanceamento Automatico via Contagem de Coulomb

Esta segunda abordagem foi pensada sob um aspecto mais generico e proximo

da implementacao de um BMS, considerando a utilizacao das fontes reguladores de

corrente descritas no Apendice B.2 como cargas primarias.

Nesse metodo, as condicoes iniciais necessarias sao o SoC inicial de cada

celula; numero de pulsos de corrente totais em cada ciclo e com cada PWM; numero

de pulsos ja realizados desde a carga ou a descarga; e a correspondencia entre o

PWM da saıda do microcontrolador e a fonte reguladora de corrente.

Esses dados sao utilizados para estimar o SoC atraves da contagem de Cou-

lomb, calculando a energia remanescente nas celulas e, consequentemente, o tempo

de operacao. No entanto, precisa-se gerar pulsos de corrente com tempos de relaxa-

mento semelhantes e de 1 segundo para simplificar a conta da integral comentada

na Subsecao 2.1.3 e garantir uma estimativa mais exata.

Para dispor das condicoes iniciais, e essencial realizar ciclos de carga e des-

carga em cada uma das celulas com as possıveis saıdas das fontes reguladoras de

corrente. Os resultados obtidos sao consolidados em um software para realizar o

algoritmo de busca. Este retorna: o estado de carga correspondente a uma tensao,

a linha correspondente na planilha, qual o ciclo e o numero de pulsos restantes e

totais desse ciclo.

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Esse algoritmo de busca poderia ter sido implementado no software Matlab,

mas por preferencia propria utilizou-se o editor de planilhas Microsoft Excel.

De maneira resumida, o algoritmo de busca desenvolvido considera apenas

ciclos completos de carga e/ou descarga, e busca a tensao fornecida apenas em

instantes onde a corrente e igual a 0 na carga. Com esta consideracao, o experimento

reduz a influencia da resistencia interna durante a busca.

O codigo-fonte deste metodo de balanceamento foi parcialmente desenvolvido.

Ja existem rotinas para identificar o numero de celulas, as quais serao conectadas a

carga secundaria, e definir a distribuicao.

O algoritmo de chaveamento dos reles ainda nao foi escrito. O ideal seria criar

uma estrutura no codigo que represente os reles em cada modulo e entao, executar

uma funcao responsavel por identificar a configuracao a qual sera implementada

para ativar/desativar os reles automaticamente.

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Capıtulo 5

Experimentos e Proposta de

Aprimoramento

Este capıtulo se reserva aos testes realizados para verificar a aplicabilidade

do balanceamento integrado. Inicialmente e descrita a bancada de teste e o fluxo de

dados durante o experimento. Posteriormente, sao exibidos os testes e resultados

obtidos.

5.1 Descricao da Bancada de Teste

A bancada e constituıda por um notebook, a placa de balanceamento, duas

placas de Arduino MEGA2560 commicrocontroladores, um osciloscopio Rigol DS1102C,

uma fonte de alimentacao ICEL PS-4001, uma decada de resistencia e um resistor.

A montagem do experimento esta representada na Figura 5.1, onde e possıvel

observar 4 celulas conectadas a placa de balanceamento e 2 placas de Arduino

MEGA2560. Uma das placas e responsavel por acionar os reles do chaveamento

em funcao do sinal recebido do computador, a outra transmite a interface grafica

Processing os sinais de tensao, medidos pelos conversores ADCs, para serem moni-

torados.

No Processing, esse dados sao exibidos e paralelamente escritos em um ar-

quivo de texto. Apos o teste, estes dados sao utilizados pelo editor de planilhas,

gerando os Graficos 5.8 e 5.10.

O osciloscopio DS1102C foi configurado para a monitoracao da tensao nas

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Figura 5.1: Montagem dos circuitos para realizar os Experimentos com a Decada e

a Resistencia

cargas primarias e secundarias nos instantes do chaveamento, detectando o momento

no qual havia variacao na carga secundaria e entao, disponibilizando no visor graficos

semelhantes aos ilustrados nas Figuras 5.9 e 5.6.

A fonte PS-4001 e responsavel pela alimentacao dos amplificadores opera-

cionais com 18, 2V, como especificado na Secao 3.4. Tanto a saıda da decada de

resistencia quanto o microcontrolador foram conectados ao GND da fonte, dessa

maneira garante-se um sistema sob a mesma referencia. Esta decada, a qual repre-

senta a carga primaria, apresenta um alcance de valores de 0Ω ate 11kΩ e, para

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realizar o teste do chaveamento e o balanceamento manual, seu valor era alterado

manualmente entre 11kΩ - para simular circuito aberto - e 10Ω - uma carga primaria.

A placa de balanceamento e composta por quatro modulos, como explicado

na Secao 3.3. Estes sao interligados conectando os sinais de saıda do modulo atual

aos de entrada do proximo. Ao final, as cargas primaria e secundaria sao conectadas

ao sistema conforme mostrado na Figura 2.5. Caso desejado, pode-se aumentar ou

reduzir o numero de celulas no sistema. Para isto, e necessario retirar ou acrescentar

os modulos intermediarios.

Como explicado anteriormente, o primeiro modulo possui suas entradas em

curto-circuito para garantir que o sistema esteja no mesmo referencial de GND.

Apenas o primeiro e ultimo modulos possuem conexao direta com as cargas primaria

e secundaria, todas os demais - intermediarios - nao sao conectadas a elementos

externos.

Figura 5.2: Diagrama de blocos da montagem utilizada nos testes

5.2 Testes Preliminares

Inicialmente foram realizados testes sem carga conforme para verificar o fun-

cionamento dos modulos, realizando a ativacao dos reles e medindo a tensao em

cada uma das cargas. Na carga secundaria deveria haver uma d.d.p correspondente

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a soma da tensao das celulas conectadas a ela e na carga primaria haveria a soma

das tensoes das demais celulas. Na Figura 5.3 e possıvel observar a montagem para

esses testes, onde a tensao apresentada no canal 2 seria equivalente a soma de tensao

das celulas 1 e 4, enquanto no canal 1 seria das celulas 2 e 3.

Figura 5.3: Demonstracao das conexoes realizadas na Placa durante os testes preli-

minares

Os primeiros testes foram realizados com pilhas em circuito aberto, ao inves

de celulas de LiFePo4, pois sao mais baratas de repor e seguras caso ocorresse um

curto-circuito. Os modulos foram inter-conectados como destacado na Figura 5.4

com o numero 1 e os reles acionados atraves dos conectores marcados com o numero

2.

Durante os testes, foi identificado um problema ao conectar a celula do ter-

ceiro modulo a carga secundaria, nao obtendo a soma das tensoes das pilhas 1, 2 e

4 na primaria. Apos diversos testes, percebeu-se uma solda mal realizada, que foi

resolvido apos conectar novamente todos os componentes. Apos essa etapa, foram

realizados os experimentos com celulas de LiFePo4.

Na Figura 5.6, as celulas 1, 2 e 3 estao conectadas ao canal 2 do Osciloscopio e

a celula 4 no canal 1. Ao realizar o chaveamento para trocar as celulas 1 e 4 de carga,

fica evidenciado a variacao de tensao no Canal 1 e 2 do oscilocopio, apresentando

uma interrupcao na alimentacao do sistema durante aproximadamente 75ms. Em

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funcao disso, e proposto na Secao 5.6 uma solucao com a utilizacao de capacitores.

Figura 5.4: Demonstracao das conexoes realizadas na Placa

Figura 5.5: Circuito utilizado para validar o funcionamento da Placa de Balancea-

mento

5.3 Teste do Chaveamento

Para o experimento utilizando cargas, sao conectados aos modulos o resistor

de 100Ω como carga secundaria e a decada de resistencia como primaria. Por nao

dispor de uma fonte de corrente para gerar uma onda quadrada como a apresentada

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Figura 5.6: Grafico apresentado pelo Osciloscopio ao alternar a conexaao da celula

1 com a celula 4

na Figura 5.7, a decada tera sua resistencia alternada entre 10Ω e 100kΩ simu-

lando este comportamento. Todas as celulas conectadas a ela apresentarao variacao

de tensao, enquanto que a celula conectada ao resistor apresentara uma queda de

tensao quase nula por estar sujeita a uma corrente contınua baixa (aproximadamente

30mA). Este comportamento do sistema esta representado na Figura 5.8.

Figura 5.7: Pulso de corrente do carregador

No primeiro instante - entre 1s e 213s - da Figura 5.8, a celula 1 esta conectada

a carga secundaria e todas as demais a primaria. Isto e percebido tendo em vista

que todas as demais celulas tem suas tensoes alteradas de acordo com a alteracao

da resistencia na carga primaria, enquanto que a celula 1, conectada a um resistor

de 100Ω, apresenta variacao de tensao desprezıvel.

Com aproximadamente 11kΩ na carga primaria, circula uma corrente baixa,

simulando um circuito-aberto, pois gera uma queda de tensao desprezıvel. Ja com

10Ω, ha uma diferenca de potencial acentuada devido ao fluxo de aproximadamente

1A.

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Figura 5.8: Experimento 1 - Curva de Tensao em cada celula com a Placa de Ba-

lanceamento sob carga

Figura 5.9: Grafico apresentado no Canal 2 do Osciloscopio ao alocar a celula 2 no

lugar da 3

Proximo de 213 segundos, e transmitido o sinal de comando do computador

ao Arduino, acionando os modulos de chaveamento para conectar a celula 2 a carga

secundaria e, consequentemente, a celula 1 na primaria. A tensao passa a oscilar

em todas as celulas exceto na 2 ate aproximadamente 580 segundos, pois esta foi

realocada. Este processo se repete ate que todas as 4 celulas tenham sido conectadas

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a carga secundaria indivualmente.

A variacao da tensao das celulas esta ilustrada na Figura 5.8, ja a Figura

5.10 representa todas as tensoes sobrepostas, facilitando a visualizacao do instante

no qual a resistencia da decada alterna e a tensao de todas as celulas conectadas a

ela variam.

Figura 5.10: Experimento 1 - Curva de Tensao x Celulas sobrepostas com a Placa

de Balanceamento sob carga

5.4 Balanceamento Manual

Para simular um balanceamento, a descarga das celulas ocorre por 300 se-

gundos com a decada a 10Ω - perıodo ativo - e alterna para mais 120 segundos com

11kΩ - perıodo de relaxamento -, concluindo um perıodo de descarga. Durante cada

perıodo de relaxamento e realizado uma medicao da tensao das celulas e entao e

alocada na carga secundaria a celula com menor tensao. No grafico da Figura 5.11

e ilustrada a curva de tensao durante este teste.

No primeiro instante deste balanceamento, a celula 3, por apresentar menor

tensao, esta conectada a carga secundaria e as demais a primaria. Apos 406 segundos

ocorre o final do perıodo ativo, definido pela alteracao da resistencia da decada para

11kΩ. Como a tensao da celula 4 passa a ser o menor dentre todas, esta e chaveada

no lugar da 3 para ser conectada a carga secundaria.

A distribuicao e inalterada ate o terceiro perıodo de descarga, onde a tensao

da celula 3 se torna inferior as outras e e, portanto, conectada a carga secundaria.

Apos 1600 segundos, a celula 4 apresenta novamente a menor tensao e substitui a 3.

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Com esse experimento foi possıvel conectar, durante o perıodo de relaxa-

mento, a celula de menor tensao na carga secundaria em cada perıodo de descarga.

Este processo poderia ocorrer ate que uma das celulas atingisse a tensao mınima

limite, garantindo a utilizacao da bateria de maneira mais eficiente possıvel e que

as celulas estivessem o menos desbalanceadas possıvel.

Caso a decada e a resistencia fossem trocadas por circuitos para recarregar a

bateria, o mesmo algoritmo pode ser implementado. A unica alteracao seria que a

celula com maior estado de carga passaria a ser alocada no circuito que fornecesse

menor corrente, enquanto as outras recarregariam mais rapidamente por estarem re-

cebendo uma corrente maior. Durante cada perıodo de relaxamento seria necessario

medir a tensao das celulas para entao realizar o chaveamento necessario.

Vale a pena ressaltar o fato de as celulas 3 e 4 ja estarem proximas da faixa nao

linear da curva de OCV, ilustrada na Figura 2.2, e, portanto, a queda de tensao nas

duas e sempre superior as demais, demonstrando que ambas ja estao abaixo de 10%

do SoC. Para este caso, ao final do experimento haveria uma desbalanceamento das

demais celulas em relacao a 3 e 4, pois estas nao estavam minimamente carregadas

a ponte de ser possıvel as celulas 1 e 2 serem conectadas a carga secundaria.

Figura 5.11: Experimento 2 - Grafico de Tensao gerado durante o balanceamento

manual

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5.5 Problemas Encontrados

Durante os experimentos, ocorre variacao na tensao das cargas primarias e

secundarias por 2 motivos: uma corrente e aplicada ou chaveamento dos reles. Os

graficos ilustrados nas Figuras 5.8, 5.10 e 5.11 refletem a influencia do primeiro nas

celulas. O segundo motivo e observado nas Figuras 5.6 e 5.9.

Dependendo do sistema em que esta topologia de balanceamento esteja im-

plementada, pode ser inaceitavel a tensao de alimentacao das cargas primaria e/ou

secundaria atingirem 0V em qualquer instante durante a operacao.

Foi identificado que o modulo de conectores dos circuitos, apresentado na

Figura A.3, nao estava conectado aos devidos terminais. Estes conectores devem

apresentar a tensao e a corrente nas cargas primaria e secundaria.

Um outro problema encontrado e ja mencionado nesse projeto se refere ao

curto-circuito presente na entrada do primeiro modulo de chaveamento. Isso impos-

sibilita a conexao de placas de balanceamento em serie. E necessario criar um outro

layout em que nao haja este curto e o primeiro modulo receba sinais de uma placa

externa.

5.6 Proposta de Aprimoramentos

A solucao proposta para o problema descrito na Secao 5.5 consiste em incluir

um conversor DC-DC, 2 capacitores em paralelo aos circuitos primario e secundario

e 2 reles entre cada capacitor e a placa de balanceamento, conforme ilustrado na

Figura 5.12.

Durante a operacao, os novos reles desconectarao a placa de balanceamento

das cargas primaria e secundaria no perıodo de chaveamento, possibilitando a im-

plementacao de um algoritmo mais eficiente de chaveamento. Os capacitores ficarao

responsaveis por alimentar as cargas nesse perıodo e os conversores garantirao a

alimentacao do microcontrolador e dos circuitos de chaveamento.

Para esta nova configuracao, e considerado:

• frequencia do oscilador no microcontrolador igual a 16 MHz;

• tempo de ativacao e desativacao dos reles CPC1907B igual a - no maximo -

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Figura 5.12: Proposta para evitar a interrupcao da alimentacao durante o chavea-

mento

5ms e 1ms, respectivamente;

• com 1 perıodo do oscilador (clock) e possıvel enviar o sinal de comando do

microcontrolador para 1 registrador, o qual possui 7 portas usadas para ativar

os reles de 1 modulo;

• os reles dos capacitores tambem sao CPC1907B.

Baseando-se nessas consideracoes, sao necessario 4 perıodos de clock para

realizar a ativacao ou desativacao de todos os CPC1907Bs, os quais ocorrem em 250

ns. Este tempo e suficiente para transmitir o comando de acionamento de todos os

reles antes de qualquer um efetivamente ativar.

A solucao proposta consiste em:

i Identificar qual a configuracao necessaria para balanceamento;

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ii Escrever a configuracao dos reles em uma variavel;

iii Desconectar a placa de balanceamento do sistema, passando a utilizar os capa-

citores como alimentacao;

iv Desativar todos os reles, por seguranca;

v Ativar os reles de acordo com a variavel auxiliar;

vi Reconectar a placa de balanceamento ao sistema.

Neste caso, o algoritmo de chaveamento nao necessita de um atraso entre cada

ativacao de rele, pois os comandos de acionamentos serao transmitidos simultanea-

mente. Esta abordagem e possıvel por nao haver carga e, em funcao da desativacao

previa dos reles, nao haveria risco de causar curto-circuito.

Em iv, e necessario 1ms e em v e vi, 5ms, totalizando 11ms, nos quais os

capacitores precisam fornecer energia aos circuitos. Tambem deve-se especificar

qual a tensao mınima neles. Aplicando estes dados a Equacao A.5, obtem-se o valor

do capacitor. Sendo Vcc e R a tensao e a resistencia da carga.

Supondo um sistema em que a tensao mınima de alimentacao na carga

primaria seja 45V e a bateria apresente 48V, uma carga de 10Ω e 11ms de cha-

veamento para o balanceamento, obtem-se o valor do capacitor conectado a carga

primaria

45 = 48e−0.011

10C1

ln45

48=

−0.011

10C1

C1 = 17100µF (5.1)

No caso de uma carga secundaria, supoe-se uma alimentacao mınima de 10V

e que a bateria apresente 12V em seus terminais. Os demais dados sao semelhantes

a situacao anterior.

Tem-se portanto

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10 = 12e−0.011

10C2

ln10

12=

−0.011

10C2

C2 = 6000µF (5.2)

Os valores comerciais para os capacitores C1 e C2 seria 18000µF e 6800µF ,

respectivamente.

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Capıtulo 6

Conclusoes

No decorrer desse projeto, projetou-se uma placa de balanceamento capaz

de conectar 4 celulas em 2 cargas definidas como primaria e secundaria, atraves do

acionamento de reles distribuıdos em 4 modulos. Este conceito foi elaborado em [4],

mas sem qualquer experimento pratico.

O balanceamento integrado e viavel por possibilitar a ligacao de celulas ar-

bitrariamente entre 2 circuitos com perdas apenas nas trilhas, nas resistencias in-

ternas dos reles e no conversor DC-DC. As maiores preocupacoes sao: possıveis

curto-circuitos e picos de tensao gerados durante os chaveamentos.

Na placa desenvolvida, a primeira situacao foi contornado gerando um atraso

de 7ms entre a transmissao de cada comando de ativacao. A segunda pode ser

evitada atraves da utilizacao de capacitores, suavizando a subida ou descida do

nıvel de tensao.

Os experimentos foram realizados sob uma corrente de 1A, com tensao nas

cargas atingindo no maximo 12V. O ROV Luma exigiria reprojeto de trilhas, al-

teracao dos componentes e utilizacao de dissipadores para atender as especificacoes

mınimas - 10A e 48V. Atualmente, essa restruturacao resultaria no aumento da

placa e, em projetos com restricao de espaco, isso seria um problema.

A placa de balanceamento desenvolvido nao pode ser utilizada em um BMS,

pois a alimentacao das cargas e interrompida durante o chaveamento. Uma nova

placa e proposta na Secao 5.6 para contornar essa situacao. A sua logica de chave-

amento seria mais eficiente, chaveando o sistema em menos tempo, evitando curto-

circuitos e picos de tensao nas cargas durante o chaveamento.

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Nao e possıvel definir se o balanceamento integrado e mais viavel do que

qualquer outra topologia. Pode-se utilizar este prototipo juntamente com o desen-

volvido em [11] para comparar o balanceamento integrado e o passivo sob as mesmas

correntes, comparando a energia fornecida, energia dissipada, tempo de operacao e

densidade de componentes por area.

De maneira resumida, o conceito de balanceamento integrado e funcional,

mas a placa de balanceamento projetada nao e capaz de realiza-lo eficientemente.

Deve-se realizar as alteracoes citadas na Secao 5.6.

6.1 Trabalhos Futuros

Com os conhecimentos adquiridos, e possıvel desenvolver um BMS em aplicacoes

reais. Este estimaria o estado de carga, utilizaria um carregador autonomo, descrito

na Secao B.2, e implementaria o balanceamento integrado.

Para o sistema e interessante destacar possıveis melhorias e correcoes. Dentre

elas pode-se citar:

• Trocar os resistores de corrente Rsense por sensores de efeito Hall e adicionar

sensores de temperatura;

• Dimensionar corretamente os conectores das placas inter-modulos, conectar as

trilhas das cargas aos conectores e eliminar o curto-circuito do Primario-in,

Cell- e Secundario-in com GND no primeiro modulo das placas de balancea-

mento;

• Terminar de escrever o codigo-fonte para realizar o balanceamento integrado

automaticamente, implementando uma estimacao de carga mais eficiente e

com a possibilidade de desconectar celulas de ambas cargas;

• Implementar um algoritmo de estimacao de carga que possa ser executado pela

placa Arduino MEGA2560.

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Referencias Bibliograficas

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43

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Apendice A

Placa de Balanceamento Integrado

A.1 Layout da Placa de Balanceamento

Na face frontal estao dispostos 2 modulos de reles, os LM833Ns, conectores

do sinais transmitidos pelo microcontrolador, da alimentacao, das celulas, dos sinais

analogicos; e no verso ha outros 2 modulos de reles (Figura A.1).

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Figura A.1: Alocacao das Tarefas na Placa de Balanceamento

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Figura A.2: Layout da Placa de Balanceamento no Eagle

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Figura A.3: Layout da Placa de Balanceamento no Eagle com Plano de GND

Figura A.4: Face Frontal da Placa de Balanceamento com componentes soldados

49

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Figura A.5: Face Traseira da Placa de Balanceamento com componentes soldados

A.2 Logica do Chaveamento

Existem 12 possıveis configuracoes das placas de reles para realizar as ligacoes

de n celulas entre o circuito primario, o secundario e simplesmente desconecta-la de

ambos

1. tanto a celula atual quanto a seguinte ligadas ao primario. Nesse caso e ne-

cessario ativar os reles S1 e S5 - conexao entre Placas 2 e 3 ;

2. a celula atual ligada ao primario e a seguinte ligada ao secundario. Nesse caso

e necessario ativar os reles S3, S5 e S7- conexao entre Placas 3 e 4 ;

3. a celula atual ligada ao primario e a seguinte desligada dos circuitos. Nesse

caso e necessario ativar os reles S3 e S5;

4. a celula atual ligada ao secundario e a seguinte ligada ao primario. Nesse caso

e necessario ativar os reles S2, S4 e S6 - conexao entre Placas 1 e 2 ;

5. tanto a celula atual quanto a seguinte ligadas ao secundario. Nesse caso e

necessario ativar os reles S1 e S2 ou S2, S6 e S7;

50

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6. a celula atual ligada ao secundario e a seguinte desligada dos circuitos. Nesse

caso e necessario ativar os reles S2 e S6;

7. a celula atual desligada dos circuitos e a seguinte ligada ao primario. Nesse

caso e necessario ativar os reles S2, S4 e S5;

8. a celula atual desligada dos circuitos e a seguinte ligada ao secundario. Nesse

caso e necessario ativar os reles S2, S5 e S7;

9. a celula atual e a seguinte desligadas dos circuitos. Nesse caso e necessario

ativar os reles S2 e S5;

10. a ultima celula ligada ao primario. Nesse caso e necessario ativar os reles S3

e S5;

11. a ultima celula ligada ao secundario. Nesse caso e necessario ativar os reles S2

e S6;

12. a ultima celula desligada dos circuitos. Nesse caso e necessario ativar os reles

S2 e S5.

Sendo mais objetivo ainda, pode-se definir o objetivo de cada rele como:

• S1 - Responsavel por conectar a celula do modulo atual e seguinte em serie

(conexao entre Placas 2 e 3);

• S2 - Responsavel por conduzir a corrente presente na carga primaria (conexao

entre Placas 3 e 4);

• S3 - (1) Responsavel por conduzir a corrente do primario para a saıda central,

entre os reles S4 e S7 denominada mid (sem exemplo na Figura 2.5) ou (2)

conduzir a corrente da celula da placa para o primario (conexao entre Placas

3 e 4);

• S4 - Responsavel por realizar curto-circuito entre a tensao da carga primaria

e a de mid (conexao entre Placas 1 e 2);

• S5 - Responsavel por conduzir a corrente presente no secundario (conexao

entre Placas 1, 2 e 3);

51

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• S6 - (1) Responsavel por conduzir a corrente do secundario para a saıda mid

(sem exemplo na Figura 2.5) ou (2) conduzir a corrente da celula da placa

para o secundario (conexao entre Placas 4 e 5);

• S7 - Responsavel por realizar curto-circuito entre a tensao da carga secundaria

e a de mid (conexao entre Placas 3 e 4).

A.3 Circuito RC paralelo

Na Secao 5.6, a utilizacao de um circuito RC em paralelo e proposta para

evitar a interrupcao da alimentacao quando houver chaveamento.

De maneira simplificada, o circuito sera representado conforme ilustrado na

Figura A.6

Figura A.6: Circuito RC em Paralelo com Rele

Supondo que o rele ilustrado seja desconectado do circuito no instante t(0),

sendo a tensao Vc(t) no capacitor igual a tensao Vcc na bateria. Em t(0+), o circuito

fica reduzido a um capacitor C descarregando a uma corrente ic atraves do resistor

R.

A corrente na malha e equacionada por

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ic(t)− ir(t) = 0

CdVc(t)

dt=

Vc(t)

RdVc(t)

Vc(t)=

dt

RCt∫

0

dVc(τ)

Vc(τ)dτ =

t∫

0

RCdτ

ln(Vc(t)) =−t

RC+K

Vc(t) = Ke−t

RC (A.1)

Tem-se como condicoes iniciais

ic(0+) = −

Vcc

R(A.2)

Vc(0+) = Vc(0

−) = Vcc (A.3)

Aplicando A.3 em A.1 obtem-se

Vc(0) = K = V cc (A.4)

Substituindo em A.1, conclui-se finalmente

Vc(t) = Vcce−t

RC para t ≥ t(0) (A.5)

53

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Apendice B

Carga e Descarga

B.1 Tecnicas de Carga e Descarga

Em funcao do comportamento nao linear das celulas de ıon-lıtio, surgiram

diferentes metodos de carga e descarga que priorizam parametros diferentes, por

exemplo: o tempo necessario para recarregar, a medicao de OCV e o ajuste fino

do estado de carga. Em [6], sao abordados 4 procedimentos. Recarga com tensao

constante, corrente constante, pulso de corrente e um metodo hıbrido.

Os mais utilizados sao o pulso de corrente e o metodo hıbrido. No primeiro,

aplica-se uma onda quadrada, cujos picos duram ∆tp segundos e ha ∆tr segundos

de relaxamento. Esse metodo e utilizado para coletar dados sobre a dinamica de

uma celula e tambem recarrega com OCV mais preciso.

A variacao de tensao apresentada na curva, o tempo de decaimento de tensao

na celula e a diferenca no nıvel medio entre a recarga e a descarga compoem as

informacoes sobre a dinamica de uma celula [11]. Com estas, e possıvel estimar

parametros para o modelo matematico ou circuito equivalente abordados em [23]

No caso de um ajuste fino, os pulsos devem apresentar um ∆tr que permita o

retorno ao regime estacionario. Dessa maneira, a recarga sera mais lenta, no entanto

garantira o maior armazenamento de energia e a estimacao mais exata.

Ja o metodo hıbrido, carrega a bateria com tensao constante proxima a 90%

do estado de carga. Apos esta etapa, aplica-se uma corrente constante ate o termino

do carregamento da celula. Com esse procedimento, a carga ocorre mais rapidamente

em relacao as outras abordagens e de maneira mais precisa.

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B.2 Circuito para Carga e Descarga

Para realizar os experimentos e futuramente empregar o projeto como um

BMS, e desejavel utilizar um sistema automatizado capaz de carregar e descarregar

as celulas de LiFePo4.

Utilizando como base o regulador de corrente projetado em [11], foi desenvol-

vida mais uma placa com esta funcao para substituir a carga primaria ou secundaria

em testes. O esquematico do regulador pode ser visto na Figura B.1 e a ligacao dos

reles para alternar entre carga e descarga do circuito esta representado na Figura

B.2.

Figura B.1: Esquematico do Circuito Regulador de Corrente Controlado por PWM

Dividindo em processos, o circuito pode ser representado primeiramente por

uma diferenca de potencial de 12V em relacao a Vref modulada de acordo com

um PWM enviado pelo microcontrolador ao opto-acoplador PC817. Em seguida, o

sinal, uma onda quadrada com amplitude de 12V, sera atenuado no divisor resistivo

representado pelo trimpot de 2kΩ. Esse sinal atenuado entao e passado ao CI do

Amp Op LM358, configurado como buffer, cuja saıda e filtrada pelo circuito RC. O

sinal eletrico gerado na saıda do filtro e proporcional ao ciclo de trabalho do PWM,

de maneira que a tensao esteja aproximadamente contınua e possa ser comparada

por um segundo Amp Op em relacao a medida no resistor de 0, 5Ω. Sua saıda atua

diretamente na porta (gate) de um MOSFET, regulando o potencial no resistor em

relacao a saıda do circuito RC e fornecendo uma corrente de ate 1,5A.

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Esse modulo de carga e descarga pode ser conectado a placa de balanceamento

integrado, mas ainda precisa de alguns ajustes, pois o algoritmo consiste em mapear

as celulas entre 2 circuitos. Quando usados como primario e secundario, o sistema

parou de funcionar, pois o GND de cada um estava variando. Portanto, deve-

se repensar no projeto para garantir a manutencao da referencia entre todos os

circuitos (aquisicao de tensao, balanceamento, arduino e os 2 circuitos reguladores

de corrente).

Figura B.2: Circuito e logica dos reles utilizados no regulador de corrente para

alternar entre Carga e Descarga

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Apendice C

Codigo do Arduino

C.1 Codigo do Arduino

O codigo de um placa de Arduino e divido 4 partes:

1. Declaracao dos pinos, definindo fisicamente onde saira/entrara cada sinal da

placa;

2. Declaracao de funcoes e variaveis. Similar a linguagem C;

3. Funcao void setup() responsavel por inicializar os pinos entre pinos de entrada

e pinos de saıda, habilitar a comunicacao, e inicializar as demais variaveis ou

funcoes. Como exemplo, o pino de entrada e usado nos conversores analogico-

digital para receber a tensao nas celulas, a qual varia entre 0 (0V) e 1023 (5V),

e o pino de saıda e usado para enviar o sinal aos reles para ativa-los ou nao;

4. Parte principal do codigo - void loop() - onde as funcoes sao chamadas e o

codigo e executado rotineiramente.

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[fontsize = \tiny]

//Criado por Ignacio Ricart

//Codigo para realizar o Balanceamento Integrado Manualmente

//---- Variaveis de teste

char data;

//----CHAVEAMENTO

//----Portas de Cada Rele para as 4 celulas

const int P1R1 = 22;

const int P1R2 = 23;

const int P1R3 = 24;

const int P1R4 = 25;

const int P1R5 = 26;

const int P1R6 = 27;

const int P1R7 = 28;

const int P2R1 = 35;

const int P2R2 = 34;

const int P2R3 = 33;

const int P2R4 = 32;

const int P2R5 = 31;

const int P2R6 = 30;

const int P2R7 = 29;

const int P3R1 = 36;

const int P3R2 = 37;

const int P3R3 = 38;

const int P3R4 = 39;

const int P3R5 = 40;

const int P3R6 = 41;

const int P3R7 = 42;

const int P4R1 = 46;

const int P4R2 = 47;

const int P4R3 = 48;

const int P4R4 = 49;

const int P4R5 = 50;

const int P4R6 = 51;

const int P4R7 = 52;

//----Saıda do primario e secundario para ter o controle da tens~ao em cada uma

const int saida_prim = 0;

const int saida_sec = 1;

const int cell1 = 1;

const int cell2 = 5;

const int cell3 = 0;

const int cell4 = 4;

//----Matriz de chaveamento

char primario_secundario[4];

const int capacidade_carga[] = 690, 660, 620, 710; //METODO 3

const int capacidade_descarga[] = 690, 660, 600, 700; //METODO 3

const int n_cell_primario = 3; //METODO 3

const int n_cell_secundario = 1; //METODO 3

int n_celulas = n_cell_primario + n_cell_secundario;

int corrente_menor;//METODO 2

float corrente1, corrente2;//METODO 2

float tempo_estimado_prim[n_cell_primario + n_cell_secundario];//METODO 2

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float tempo_estimado_sec[n_cell_primario + n_cell_secundario];//METODO 2

//----FONTE DE CORRENTE

//----Pinos da Fonte de Corrente Controlada

float pulso_convert1[] = 532, 590, 646, 702, 760, 818, 874, 932, 990;//----PWM de 90 a 170

float pulso_convert2[] = 530, 591, 649, 709, 767, 824, 882, 942, 1000;//----PWM de 50 a 130

//----Variaveis para Processing

long Leitura_Corrente,Output; // these are just variables for storing values

long Leitura_Tensao1,Leitura_Tensao2,Leitura_Tensao3, Leitura_Tensao4;

void setup()

Serial.begin(9600);// Serial pro Processing

Serial1.begin(9600);// Serial pro Matlab

//---- ATIVAC~AO DOS RELES OCORRE EM LOW !!!!

//----Saida Controle Rele 1

pinMode(P1R1, OUTPUT);

pinMode(P1R2, OUTPUT);

pinMode(P1R3, OUTPUT);

pinMode(P1R4, OUTPUT);

pinMode(P1R5, OUTPUT);

pinMode(P1R6, OUTPUT);

pinMode(P1R7, OUTPUT);

digitalWrite(P1R1, HIGH);

digitalWrite(P1R2, HIGH);

digitalWrite(P1R3, HIGH);

digitalWrite(P1R4, HIGH);

digitalWrite(P1R5, HIGH);

digitalWrite(P1R6, HIGH);

digitalWrite(P1R7, HIGH);

//----Saida Controle Rele 2

pinMode(P2R1, OUTPUT);

pinMode(P2R2, OUTPUT);

pinMode(P2R3, OUTPUT);

pinMode(P2R4, OUTPUT);

pinMode(P2R5, OUTPUT);

pinMode(P2R6, OUTPUT);

pinMode(P2R7, OUTPUT);

digitalWrite(P2R1, HIGH);

digitalWrite(P2R2, HIGH);

digitalWrite(P2R3, HIGH);

digitalWrite(P2R4, HIGH);

digitalWrite(P2R5, HIGH);

digitalWrite(P2R6, HIGH);

digitalWrite(P2R7, HIGH);

//----Saida Controle Rele 3

pinMode(P3R1, OUTPUT);

pinMode(P3R2, OUTPUT);

pinMode(P3R3, OUTPUT);

pinMode(P3R4, OUTPUT);

pinMode(P3R5, OUTPUT);

pinMode(P3R6, OUTPUT);

pinMode(P3R7, OUTPUT);

59

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digitalWrite(P3R1, HIGH);

digitalWrite(P3R2, HIGH);

digitalWrite(P3R3, HIGH);

digitalWrite(P3R4, HIGH);

digitalWrite(P3R5, HIGH);

digitalWrite(P3R6, HIGH);

digitalWrite(P3R7, HIGH);

//----Saida Controle Rele 4

pinMode(P4R1, OUTPUT);

pinMode(P4R2, OUTPUT);

pinMode(P4R3, OUTPUT);

pinMode(P4R4, OUTPUT);

pinMode(P4R5, OUTPUT);

pinMode(P4R6, OUTPUT);

pinMode(P4R7, OUTPUT);

digitalWrite(P4R1, HIGH);

digitalWrite(P4R2, HIGH);

digitalWrite(P4R3, HIGH);

digitalWrite(P4R4, HIGH);

digitalWrite(P4R5, HIGH);

digitalWrite(P4R6, HIGH);

digitalWrite(P4R7, HIGH);

//----Entradas Analogicas

pinMode(saida_prim, INPUT);

pinMode(saida_sec, INPUT);

pinMode(cell1, INPUT);

pinMode(cell2, INPUT);

pinMode(cell3, INPUT);

pinMode(cell4, INPUT);

void chaveamento1(int SOC1, int SOC2, int SOC3, int SOC4)//Utilizado durante DESCARGA APENAS!!!!

int SOC[] = SOC1, SOC2, SOC3, SOC4; //SOC varia de 0 a 100

// char atual; //n~ao utilizado

// char seguinte; // n~ao utilizado

// int minIndex, minValue_prim,minValue_sec;

// const int valores_minimos = 2;

// int indices_minimos[valores_minimos];

int soc_minimo;

int indice_soc_minimo;

//----Situac~oes de Chaveamento

// atual = ’P’ , seguinte = ’P’ => S1 e S5 em LOW

// atual = ’P’ , seguinte = ’S’ => S3, S5 e S7 em LOW

// atual = ’P’ , seguinte = ’D’ => S3 e S5 em LOW

// atual = ’S’ , seguinte = ’P’ => S2, S4 e S6 em LOW

// atual = ’S’ , seguinte = ’S’ => S1 e S2 ou S2, S6 e S7 em LOW

// atual = ’S’ , seguinte = ’D’ => S2 e S6 em LOW

// atual = ’D’ , seguinte = ’P’ => S2, S4 e S5 em LOW

// atual = ’D’ , seguinte = ’S’ => S2, S5 e S7 em LOW

// atual = ’D’ , seguinte = ’D’ => S2 e S5 em LOW

// ultima celula = ’P’ => S3 e S5 em LOW

// ultima celula = ’S’ => S2 e S6 em LOW

//---- CHAVEAMENTO PARA DESCARGA

//---- METODO 1

//----Definir o SOC mınimo entre as celulas e alocar a celula de menor SOC no secundario (assumidamente a menor corrente)

soc_minimo = 100;// Evitar a reutilizac~ao da variavel soc_minimo em outros ciclos

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Serial.print("n_celulas ");

Serial.println(n_celulas);

for (int i=0; i<n_celulas; ++i)

Serial.print("SOC");

Serial.print(i);

Serial.print(" = ");

Serial.println(SOC[i]);

if(i==0)

soc_minimo = SOC[i];

indice_soc_minimo = i;

if (SOC[i] < soc_minimo)

soc_minimo = SOC[i];

indice_soc_minimo = i;

Serial.print("indice do SoC mınimo: ");

Serial.println(indice_soc_minimo);

Serial.print("valor do SoC mınimo: ");

Serial.println(soc_minimo);

//----Alocar as celulas

for (int i=0; i<sizeof(SOC)-1; ++i)

if(i!=soc_minimo)

primario_secundario[i] = ’P’;

else

primario_secundario[i] = ’S’;

//----Realizar o chaveamento

//----Celula do secundario tem prioridade para n~ao suspender a atividade

//----No caso desse projeto so havera uma celula no secundario, mas ja tem o codigo para mais de 1

//----Metodo 1.1

//----Ja considero que apenas uma celula estara no secundario. Portanto posso prever todas as outras conex~oes

//----LIGAC~AO DO SECUNDARIO TEM PRIORIDADE

if(indice_soc_minimo == 0)

Serial.print("indice_soc_minimo dentro do metodo : ");

Serial.println(0);

// atual = ’S’ , seguinte = ’P’ => S2, S4 e S6 em LOW

digitalWrite(P1R1, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P1R2, LOW);

delay(10);

digitalWrite(P1R3, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P1R4, LOW);

delay(10);

digitalWrite(P1R5, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P1R6, LOW);

delay(10);

digitalWrite(P1R7, HIGH);

delay(10);

61

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// atual = ’P’ , seguinte = ’P’ => S1 e S5 em LOW

digitalWrite(P2R1, LOW);

delay(10);

digitalWrite(P2R2, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P2R3, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P2R4, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P2R5, LOW);

delay(10);

digitalWrite(P2R6, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P2R7, HIGH);

delay(10);

// atual = ’P’ , seguinte = ’P’ => S1 e S5 em LOW

digitalWrite(P3R1, LOW);

delay(10);

digitalWrite(P3R2, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P3R3, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P3R4, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P3R5, LOW);

delay(10);

digitalWrite(P3R6, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P3R7, HIGH);

delay(10);

// ultima celula = ’P’ => S3 e S5 em LOW

digitalWrite(P4R1, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P4R2, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P4R3, LOW);

delay(10);

digitalWrite(P4R4, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P4R5, LOW);

delay(10);

digitalWrite(P4R6, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P4R7, HIGH);

delay(10);

else if(indice_soc_minimo == 1)

Serial.print("indice_soc_minimo dentro do metodo : ");

Serial.println(1);

// atual = ’S’ , seguinte = ’P’ => S2, S4 e S6 em LOW

digitalWrite(P2R1, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P2R2, LOW);

delay(10);

digitalWrite(P2R3, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P2R4, LOW);

delay(10);

digitalWrite(P2R5, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P2R6, LOW);

delay(10);

62

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digitalWrite(P2R7, HIGH);

delay(10);

// atual = ’P’ , seguinte = ’S’ => S3, S5 e S7 em LOW

digitalWrite(P1R1, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P1R2, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P1R3, LOW);

delay(10);

digitalWrite(P1R4, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P1R5, LOW);

delay(10);

digitalWrite(P1R6, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P1R7, LOW);

delay(10);

// atual = ’P’ , seguinte = ’P’ => S1 e S5 em LOW

digitalWrite(P3R1, LOW);

delay(10);

digitalWrite(P3R2, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P3R3, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P3R4, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P3R5, LOW);

delay(10);

digitalWrite(P3R6, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P3R7, HIGH);

delay(10);

// ultima celula = ’P’ => S3 e S5 em LOW

digitalWrite(P4R1, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P4R2, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P4R3, LOW);

delay(10);

digitalWrite(P4R4, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P4R5, LOW);

delay(10);

digitalWrite(P4R6, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P4R7, HIGH);

delay(10);

else if(indice_soc_minimo == 2)

Serial.print("indice_soc_minimo dentro do metodo : ");

Serial.println(2);

// atual = ’S’ , seguinte = ’P’ => S2, S4 e S6 em LOW

digitalWrite(P3R1, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P3R2, LOW);

delay(10);

digitalWrite(P3R3, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P3R4, LOW);

delay(10);

digitalWrite(P3R5, HIGH);

63

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delay(10);

digitalWrite(P3R6, LOW);

delay(10);

digitalWrite(P3R7, HIGH);

delay(10);

// atual = ’P’ , seguinte = ’P’ => S1 e S5 em LOW

digitalWrite(P1R1, LOW);

delay(10);

digitalWrite(P1R2, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P1R3, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P1R4, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P1R5, LOW);

delay(10);

digitalWrite(P1R6, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P1R7, HIGH);

delay(10);

// atual = ’P’ , seguinte = ’S’ => S3, S5 e S7 em LOW

digitalWrite(P2R1, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P2R2, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P2R3, LOW);

delay(10);

digitalWrite(P2R4, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P2R5, LOW);

delay(10);

digitalWrite(P2R6, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P2R7, LOW);

delay(10);

// ultima celula = ’P’ => S3 e S5 em LOW

digitalWrite(P4R1, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P4R2, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P4R3, LOW);

delay(10);

digitalWrite(P4R4, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P4R5, LOW);

delay(10);

digitalWrite(P4R6, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P4R7, HIGH);

delay(10);

else if(indice_soc_minimo == 3)

Serial.print("indice_soc_minimo dentro do metodo : ");

Serial.println(3);

// ultima celula = ’S’ => S2 e S6 em LOW

digitalWrite(P4R1, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P4R2, LOW);

delay(10);

digitalWrite(P4R3, HIGH);

delay(10);

64

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digitalWrite(P4R4, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P4R5, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P4R6, LOW);

delay(10);

digitalWrite(P4R7, HIGH);

delay(10);

// atual = ’P’ , seguinte = ’P’ => S1 e S5 em LOW

digitalWrite(P1R1, LOW);

delay(10);

digitalWrite(P1R2, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P1R3, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P1R4, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P1R5, LOW);

delay(10);

digitalWrite(P1R6, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P1R7, HIGH);

delay(10);

// atual = ’P’ , seguinte = ’P’ => S1 e S5 em LOW

digitalWrite(P2R1, LOW);

delay(10);

digitalWrite(P2R2, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P2R3, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P2R4, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P2R5, LOW);

delay(10);

digitalWrite(P2R6, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P2R7, HIGH);

delay(10);

// atual = ’P’ , seguinte = ’S’ => S3, S5 e S7 em LOW

digitalWrite(P3R1, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P3R2, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P3R3, LOW);

delay(10);

digitalWrite(P3R4, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P3R5, LOW);

delay(10);

digitalWrite(P3R6, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(P3R7, LOW);

delay(10);

/*

//----METODO 2

//---- Definir a menor corrente, o tempo de operac~ao sob cada corrente e a partir daı alocar as celulas

corrente1 = pulso_convert1[(Output - 90)/10];

65

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corrente2 = pulso_convert2[(Output - 50)/10];

if (corrente1 > corrente2)

corrente_menor = 2;

else

corrente_menor = 1;

//---- METODO 2.1

//----Estimar o tempo de operac~ao para ambos os circuitos

//----DESNECESSARIO

for (int i=0; i<4; ++i)

for (int circuito=1; circuito<=2; ++circuito)

if (circuito == 1 && Rele_descarga == HIGH)

tempo_estimado_prim[i] = (capacidade_descarga[i]*SOC[i])/(100*corrente1);

else if (circuito == 1 && Rele_descarga == LOW)

tempo_estimado_prim[i] = (capacidade_carga[i]*SOC[i])/(100*corrente1);

else if (circuito == 2 && Rele_descarga == HIGH)

tempo_estimado_sec[i] = (capacidade_descarga[i]*SOC[i])/(100*corrente2);

else if (circuito == 2 && Rele_descarga == LOW)

tempo_estimado_sec[i] = (capacidade_carga[i]*SOC[i])/(100*corrente2);

//---- METODO 2.2

//----Estimar o tempo de operac~ao individualmente

//----DESNECESSARIO

for (int i=0; i<4; ++i)

if (primario_secundario[i] == ’P’ && Rele_descarga == LOW)

tempo_estimado_prim[i] = (capacidade_carga[i]*SOC[i])/(100*corrente1);

else if (primario_secundario[i] == ’S’ && Rele_descarga == LOW)

tempo_estimado_sec[i] = (capacidade_carga[i]*SOC[i])/(100*corrente2);

else if (primario_secundario[i] == ’P’ && Rele_descarga == HIGH)

tempo_estimado_prim[i] = (capacidade_descarga[i]*SOC[i])/(100*corrente1);

else if (primario_secundario[i] == ’S’ && Rele_descarga == HIGH)

tempo_estimado_sec[i] = (capacidade_descarga[i]*SOC[i])/(100*corrente2);

else //(status_celula[i] == ’D’)

//NADA

66

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//----Algoritmo para encontrar os ’valores_minimos’ menores tempos de operac~ao dentre as ’n_celulas’ indices;

//----TALVEZ SEJA DESNECESSARIO, VALENDO MAIS A PENA CALCULAR O TEMPO DE OPERAC~AO PARA CADA CELULA NO PRIMARIO OU SECUNDARIO E A PARTIR DAI REALIZAR O BALANCEA

for(int i=0; i<valores_minimos; ++i)

minIndex = i;

minValue_prim = tempo_estimado_prim[i];

minValue_sec = tempo_estimado_sec[i];

for (int j=i+1; j<n_celulas; ++j)

if (tempo_estimado_prim[j]<minValue_prim)

minValue_prim = tempo_estimado_prim[j];

indices_minimos[i] = j;

else if (tempo_estimado_sec[j]<minValue_sec)

minValue_sec = tempo_estimado_sec[j];

indices_minimos[i] = j;

//Serial.println();

//Serial.println(analogRead(saida));

*/

void loop()

if (Serial.available() > 0)

data = Serial.read();

if (data == ’0’)

chaveamento1(10,20,30,40);

Serial.println("Primeira celula");

else if (data == ’1’)

chaveamento1(20,10,30,40);

Serial.println("Segunda celula");

else if (data == ’2’)

chaveamento1(30,20,10,40);

Serial.println("Terceira celula");

else if (data == ’3’)

chaveamento1(40,20,30,10);

Serial.println("Ultima celula");

delay(1000);

67