Șef lucr. dr. i ng. Răzvan Prejbeanu Iulie 2017 CRAIOVA ii UNIVERSITATEA DIN CRAIOVA FACULTATEA DE AUTOMATICĂ, CALCULATOARE ȘI ELECTRONICĂ… [631513]

UNIVERSITATEA DIN CRAIOVA
FACULTATEA DE AUTOMATICĂ, CALCULATOARE ȘI
ELECTRONICĂ

DEPARTAMENTUL DE AUTOMATICĂ ȘI ELECTRONICĂ

PROIECT DE DIPLOMĂ
Virgil -Adrian Nedea

COORDONATOR ȘTIINȚIFIC
Șef lucr. dr. i ng. Răzvan Prejbeanu

Iulie 2017
CRAIOVA

ii

UNIVERSITATEA DIN CRAIOVA
FACULTATEA DE AUTOMATICĂ, CALCULATOARE ȘI
ELECTRONICĂ

DEPARTAMENTUL DE AUTOMATICĂ ȘI ELECTRONICĂ

Sistem de BMS (Batery Management System) local pentru baterii LiIon
Virgil -Adrian Nedea

COORDONATOR ȘTIINȚ IFIC
Șef lucr. dr. ing. Răzvan Prejbeanu

Iulie 2017
CRAIOVA

iii
„Un om care nu muncește nu știe să prețuiască munca altuia.”
Alexandru Vlahuță

iv
DECLARAȚIE DE ORIGINALITATE

Subsemnatul Virgil -Adrian Nedea , student: [anonimizat], Calculatoare și Electronică a Universit ății din Craiova, certific pr in prezenta că am
luat la cunoșt ință de cele prezentate mai jos și că î mi asum, în acest context, originalita tea proiectului
meu de licență :
• cu titlul Sistem de BMS (Batery Management System) local pentru baterii LiIon ,
• coordonată de Șef lucr. dr. ing. R ăzvan Prejbeanu
• prezentată în sesiunea Iulie 2017 .
La elaborarea proiectului de licență, se consideră plagiat una dintre următoarele acțiuni:
• reproducerea exactă a cuvintelor unui alt autor, dintr -o altă lucrare, în limba română sau prin
traducere dintr -o altă limbă, dacă se omit ghilimele și referința precisă,
• redarea cu alte cuvinte, reformularea prin cuvinte proprii sau rezumarea ideilor din alte
lucrări , dacă nu se indică sursa bibliografică,
• prezentarea unor date experimentale obținute sau a unor ap licații realizate de alți autori fără
menționarea corectă a acestor surse,
• însușirea totală sau parțială a unei lucrări în care regulile de mai sus sunt respectate, dar care
are alt autor.
Pentru evitarea acest or situații neplăcute se recomandă:
• plasare a într e ghilimele a citatelor directe și indicarea referinței într -o listă corespunzătoare la
sfărșitul lucrării,
• indicarea în text a reformulării unei idei, opinii sau teorii și corespunzător în lista de referințe
a sursei originale de la care s -a făcut preluarea,
• precizarea sursei de la care s -au preluat date experimentale, descrieri tehnice, figuri, imagini,
statistici, tabele et caetera ,
• precizarea referințelor poate fi omisă dacă se folosesc informații sau teorii arhicunoscute, a
căror paternitate e ste unanim cunoscută și acceptată.
Data , Semnătura candidat: [anonimizat] ,

v

UNIVERSITATEA DIN CRAIOVA
Facultatea de Automatică, Calculatoare și Electronică

Departamentul de Automatică și Electronică Aprobat la data de
…………………
Șef de departament,
Prof. dr. ing.
Marius BREZOVAN /
Emil PETRE /
Dorian COJOCARU

PROIECTUL DE DIPLOMĂ

Numele și prenumele student: [anonimizat]/ -ei:
Nedea Virgil -Adrian

Enunțul temei:

Sistem de BMS (Batery Management System) local pentru
baterii LiIon

Datele de pornire :

Conținutul proiectului :

Material grafic obligatoriu:

Consultații:

Conducătorul științific
(titlul, nume și prenume, semnătura): Șef lucr. dr. ing. Răzvan Prejbeanu

Data eliberării temei:

Termenul estimat de predare a
proiectului :

Data predării proiectului de către
student și semnătura acestuia:

vi

UNIVERSITATEA DIN CRAIOVA
Facultatea de Automatică, Calculatoare și Electronică

Departamentul de Automatică și Electronică

REFERATUL CONDUCĂTORULUI ȘTIINȚIFIC

Numele și prenumele candida tului/ -ei: Nedea Virgil -Adrian
Specializarea: Electronică Aplicată
Titlul proiectului : Sistem de BMS (Batery Management System) local pentru
baterii LiIon
Locația în care s -a realizat practica de
documentare (se bifează una sa u mai
multe din opțiunile din dreapta): În facultate □
În producție □
În cercetare □
Altă locație: [se detaliază ]

În urma analizei lucrării candidatului au fost constatate următoarele:
Nivelul documentării Insuficient
□ Satisfăcător
□ Bine
□ Foarte bine
□
Tipul proiectului Cercetare
□ Proiectare
□ Realizare
practică □ Altul
[se detaliază ]
Aparatul matematic utilizat Simplu
□ Mediu
□ Complex
□ Absent
□
Utilitate Contract de
cercetare □ Cercetare
internă □ Utilare
□ Altul
[se deta liază ]
Redactarea lucrării Insuficient
□ Satisfăcător
□ Bine
□ Foarte bine
□
Partea grafică, desene Insuficient ă
□ Satisfăcătoare
□ Bună
□ Foarte bună
□
Realizarea
practică Contribuția autorului Insuficientă
□ Satisfăcătoare
□ Mare
□ Foarte mare
□
Complexitatea
temei Simplă
□ Medie
□ Mare
□ Complexă
□
Analiza cerințelor Insuficient
□ Satisfăcător
□ Bine
□ Foarte bine
□
Arhitectura Simplă
□ Medie
□ Mare
□ Complexă
□

vii
Întocmirea
specificațiilor
funcționale Insuficientă
□ Satisfăcătoare
□ Bună
□ Foarte bună
□
Implementarea Insuficientă
□ Satisfăcătoare
□ Bună
□ Foarte bună
□
Testarea Insuficientă
□ Satisfăcătoare
□ Bună
□ Foarte bună
□
Funcționarea Da
□ Parțială
□ Nu
□
Rezultate experimentale Experim ent propriu
□ Preluare din bibliografie
□
Bibliografie Cărți
Reviste
Articole
Referințe web

Comentarii
și
observații

În concluzie, se propune:

ADMITEREA PROIECTULUI
□ RESPINGEREA PROIECTULUI
□

Data, Semnătura conducătorului științific,

viii
CUPRINSUL
1 INTRODUCERE ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……. 12
2 SISTEMUL BMS ȘI ACUM ULATORII LITIU -ION ………………………….. ………………………….. ……………………. 14
2.1.1 Celule,baterii și pachete ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………… 16
2.1.2 Rezistența internă a cel ulelor Li -Ion ………………………….. ………………………….. ………………………….. 17
2.2 CELULELE LITIU-ION ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. .. 17
2.2.1 Formate ale celulelor ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………. 18
2.2.2 Chimia celulelor Li -Ion ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………… 19
2.2.3 Siguranța celulelor Li -Ion ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………. 20
2.2.4 Zona sigură de operare a celulelor Li -Ion ………………………….. ………………………….. …………………… 21
2.2.5 Eficiența celulelor Li -Ion ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………… 22
2.2.5.1 Energia celulelor Li -Ion ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………. 22
2.2.5.2 Încărcarea celulelor Li -Ion ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………… 23
2.2.6 Efectul de îmbătrânire al celulelor Li -Ion ………………………….. ………………………….. …………………… 24
2.2.6.1 Durata de viață calendaristică a celulelor Li -Ion ………………………….. ………………………….. ……………….. 24
2.2.7 Ciclul de viață al celulelor Li -Ion ………………………….. ………………………….. ………………………….. …… 25
2.2.8 Modelarea celulelor Li -Ion ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………….. 26
2.2.9 Tensiuni inegale în șiruri ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………….. 29
2.3 BMS LITIU-ION ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……. 32
2.3.1 Definiția unui BMS ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………….. 33
2.3.2 Funcțiile unui sistem BMS Li -Ion ………………………….. ………………………….. ………………………….. ….. 33
2.4 BATERIILE LI-ION ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …… 35
2.4.1 SOC(State of Charge), DOD(Depth Of Discharge) și Capacitatea ………………………….. ………………. 35
3 CIRCUITUL ELECTRONIC ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………. 39
3.1 SCHEMA ELECTRIC Ă A BMS ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………… 39
3.2 LAYOUT .PCB ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………. 45
3.3 LISTA DE COMPONENTE ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………….. 48
4 CONCLUZII ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………. 50
5 BIBLIOGRAFIE ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …….. 52
6 REFERINȚE WEB ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ….. 54
C. CD / DVD ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………… 55

ix
LISTA FIGURILOR
Figura 1.1 ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………….. 15
Figura 1.2 ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………….. 16
Figura 1.3 ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………….. 16
Figura 2 ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………….. 19
Figura 2.1 ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………….. 19
Figura 2.2 ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………….. 22
Figur a 2.3 ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………….. 23
Figura 2,4 ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………….. 25
Figura 2.5 ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………….. 26
Figura 2.6 ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………….. 27
Figura 2.7 ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………….. 28
Figura 2.8 ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………….. 29
Figura 2.9 ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………….. 30
Figura 2.10 ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………… 31
Figura 2.11 ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………… 32
Figura 2 .12 ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………… 33
Figura 2.13 ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………… 35
Figura 2.14 ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………… 36
Figura 2.15 ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………… 38
Figura 2.16 ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………… 39
Figura 3 ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………….. 40
Figura 3.1 ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………….. 41
Figura 3.2 ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………….. 42
Figura 3.3 ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………….. 43

x
Figu ra 3.4 ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………….. 44
Figura 3.5 ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………….. 45
Figura 3.6 ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………….. 46
Figura 3.6.1 ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………….. 47
Figura 3.7 ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………….. 47
Figura 3.8 ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………….. 48

xi

LISTA TABELELOR
Tabelul 1 ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………… 17
Tabelul 2 ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………… 20
Tabelul 3 ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………… 37

12

1 INTRODUCERE
Scopul lucrării este acela de dezvolta un sistem care sa poată monitoriza în cele mai bune condiții
un pachet de celule Litiu -Ion ,fără a exista riscul defectării acestora.

"[17] Acest sistem de monitorizare a pachetelor de baterii reprezintă o altern ativă buna de dezvo ltare,
pentru a ajuta la înlocuirea vehiculelor cu motore pe carburant cu cele electrice reducănd astfel si
nivelul de poulare din atmosferă.
În mod sigur soluția pentru obținerea unui vehicul cu efi ciență semnificativ mai mare în u tilizarea
energiei și cu un grad scăzut de poluare este dezvoltar ea unui sistem de acționare cu motor de
tracțiune de curent alternativ comandat de un co nvertor electronic alimentat de la o baterie de
acumulatoare Li -Ion.
Motorul de tracțiu ne de curent alternativ asigură condițiile necesare p entru a încărca bateria de la o
rețea trifa zată obișnuită prin intermediul convertorului de tracțiune.
Încărcar ea și descărcarea bateriei sunt supravegheat e de un sistem de management al bateriei care
controlea ză atât redistribuirea sarcinii între celulele bateriei cât și interfața c u calculatorul vehi culului
(cu scopul de a asigura funcționarea în siguranță a bateriei, atât în tracțiune cât și în încărcare).
Sistemul de man agement al bateriei împreună cu un sistem de redistribuire a sarcinii celulelor LiIon
este un sistem unitar, inovator și inteligent care permite o în cărcare rapidă a bateriei de la starea
descărcată la 99% încărcare în aproximativ o treime din timpul necesar altor sisteme obișnuite. "
"[3] Pentru încărcarea bateriei de acumulatoare de pe vehicul este necesară doar o sursă trifazat ă
standard, amplasată î n orice loc, fără a fi necesare surse externe de curent continuu, sau încărcătoare
separate de curent continuu .
Eficiența totală este îmb unătățită prin utilizarea frânei electrice re cuperative cât mai des posibil,
până aproape de oprire, energia fiind complet recuperată în bateria de acumulatoare prin intermediul
convertorului de tracțiune.
Toate echipamentele auxiliare de pe vehicul sun t alimentate de la un convertor static comandat de
calculatorul vehiculului. Pe scurt, avantajele vehiculelor electrice față de cele convenționale sunt
legate de costul combustibilului, costurile de întreținere, poluare, fiabilitate și eficiență, după cum
urmează:

13

• Eliminarea motoarelor diesel va avea cu siguranță un impact pozitiv prin scăderea
semnificativă a poluării din aglomerările urbane iar producerea energiei electrice "verzi"
(hidro, nucleară și neconvențională) în cantități crescânde de la an l a an pentru mult timp de
acum încolo va duce la scăderea globală a poluării mediului.
• Costuri mai mici de exploatare din moment ce prețul combustibilului fosil crește de la an la
an fiind o resursă limitată. Mai mult, încărcarea pe timpul nopții este posib ilă și de dorit din
moment ce tariful de noapte a energiei electrice este mai mic decât cel de zi .
• Creșterea fiabilității, mentenabilității și costuri mai mici pentru întreținere datorate reducerii
elementelor aflate în mișcare.
• Încărcarea bateriilor pe timpul nopții este nu numai economică ci și asigură o balansare a
solicitării rețelei prin reducerea consumului pe timp de zi.
• Reducerea semnificativă a zgomotului în funcționare.
• Performanțe deosebite în tracțiune cu pierderi minime de energie.
• Timpul mul t mai scurt de încărcare în comparație cu cel de mers.
• Nu necesită stație de încărcare externă de curent continuu ci numai o rețea trifazată standard
care este întâlnită peste tot. "

14
2 SISTEMUL BMS ȘI ACU MULATORII LITIU -ION
"[14]Acumulatorii Litiu -Ion sunt acumulatori de generație recentă și sunt frecvent utilizați de
dispozitive electronice de tipul telefoanelor mobile, laptopurilor etc. Datorită masei atomice scăzute a
elementului litiu au o densitate energetică ridicată.
Pot fi utilizați la pr opulsarea diferitelor vehicule electrice sau asistate ca de exemplu scutere sau
biciclete electrice.
Un avantaj al acestora î l reprezintă densitatea mai mare de acumulare a energiei comparativ cu
acumulatorul NiCd și acumulatorul NiMH.
Dezavantaju l ar fi prețul de fabricare ridicat și faptul că sunt mai sensibili la frig. "

Primul tip de celulă Li-Ion prezentat (vezi Figura 1) este modelul ICR18650 S3 de la LG Chem.

[18] Figura 1.1 Celulă de la LG Chem
Speci ficațiile acesteia se pot găsi î n Tabelul l

15
Al doilea tip de celulă (vezi Figura 1.2) este 18650 fabricată de firma KeepPower .

[18] Pentru specificații vezi Tabelul l
Figura 1.2 Celulă de la KeepPower
Cea de -a treia celulă este modelul ICR18650 -22F produs de către firma Samsung. (vezi Figura 1.3)

[18] Figura 1.3 Celulă de la Samsung
La fel ca și la celelalte două celule se pot vedea specificațiile oferite de fabricant în tabelul de mai
jos.(Tabelul l)

16
Celula 1 Celula 2 Celula 3

Model
ICR18650 S3
P1822K
ICR18650 -22F
Caracteristi ci
Capacitatea nominală 2,200mAh 2,200mAh 2,200mAh
Curentul minim 2,150mAh 2,100mAh 2,200mAh
Tensiunea nominală 3,6V 3,7V 3,6V
Tensiunea de încă rcare 4,2V 4,2V 4,2V
Tensiunea de descărcare 3V 3,7V 2,75V
Curent de încărcare 1075mA 1000mA 1100mA
Curent de descărcare 430mA 420mA 440mA
Temperatura de depozitare
(pe o durată de 3 luni)
-20 ~ 45℃ -20 ~ 45℃ -20~45℃

Tabelul 1 Specificații pentru 3 tipuri de celule

2.1.1 Celule,b aterii și pachete
"[19] Există o confuzie între term enii folosiți pentru a descrie componentele variate ale unui pachet
de baterii , probabil datorită faptului că atunci când spunem " baterii " ne referim la celulele alcaline,
astfel tindem să uităm că bateria de pornire a mașinii este de fapt alcătuită din 6 celule.
În continuare vom folosi următorii termeni:
• Celula: Elementul de bază al unei baterii (furnizează de la 3V la 4V în cazul bateriilor
Litiu -Ion);

17
• Bloc: O colecție de celule conectate direct în paralel, care de asemenea furnizează între 3
și 4V;
• Baterie: O colecție de celule (sau blocuri) conectate în serie care constituie un singur
modul fizic și care furnizează o tensiune mai mare (de exemplu un modul de baterie care
utilizează 4 celule con ectate în serie pr oduce o tensiune nominală de 12 V );
• Pachet(pachet de baterii): O colecție de baterii conectate în oricare din combinațiile serie
și/sau paralel. "

2.1.2 Rezistența internă a celulelor Li -Ion

"[1]Când producătorii de celule generează lista pentru rezistență în specificațiile lor,de obicei este
vorba despre impedanța de curent alternativ( vezi 2.2.8 Modelare a celulelor Li -Ion).Ceea ce
utilizatorul trebuie să știe este rezistența în serie în curent continuu și nu impedanța din curent
alternativ ,deoarece curentul continuu circulă prin celule.Așadar,în continuare prin termenul de
rezistență ne vom referi special la rezistența internă în serie în curent continuu a unei celule sau a
bateriei. "
2.2 Celulele Litiu -Ion
"[16]Celulele reîncărcabile Litiu -Ion au cea mai mare densitate de energie și au unele dintre cele
mai mari densități de putere de pe piață.Sunt capabi le de performanțe uimitoare( Figura 2) și
reprezintă alegerea standard a multor consumatori de produse electronice,cum ar fi laptop -urile s au
smartphone -urile.De asemenea încep să devină cea mai bună alegere pentru pachetele de tracțiune din
vehicule. "

18

Figura 2 Set de baterii montate pe Toyota Prius
2.2.1 Formate ale celulelor
" [1]Celulele Li -Ion sunt disponibile în 4 formate de bază( Figura 2.1 și T abelul 2):
• cilindrice(mici și mari)
• sub formă de prismă
• pungă

Unele dintre aceste formate sunt mai ușor de utilizat decât altele,făcându -le mai adecvate pentru
proiectele mici.Celulele cilindrice în mod i nerent își pastrează forma în ciuda expansiunii datorită
proceselor chimice atunci când sunt încărcate complet în timp ce pentru celelalte formate bateriile
trebuie încapsulate pentru a se menține expansiunea. "

[1] Figura 2.1 Fomate ale celulelor Li -Ion: cilindrice,sub formă de primă,pungă

19
Cilindrice mici Cilindrice mari Prismatice Pungă
Formă Încapsulat într -un
cilindru metalic, de
obicei lung de 65 mm Încapsulat într -un
cilindru din metal
sau din plastic dur Încapsulat într-
o carcasă din
plastic semi –
tare Conținute într -o pungă
moale
Conexiuni
Placi sudate cu nickel
sau cupru Șurub filetat pentru
piuliță pentru găuri
filetate pentru bolț Gaură filetată
pentru bolț Filele care sunt strânse,
sudate sau lipite
Retenție
împotriva
expansiunii
când este
complet
încărcată Inerente formei
cilindrice Inerente formei
cilindrice Necesită plăci
de reținere la
capetele
bateriei Necesită plăci de reținere
la capetele bateriei
Adecvate
pentru
proiectele
mici Slabe: efort ridicat de
proiectare, necesită
lipire, forță de muncă
intensivă Bune Excelente:efort
mic Foarte slabe:efort prea
mare de proiectare
Adecvate
producției Bune:lipiturile
pentru conexiune
sunt posibile Bune Excelente Bune:performante bune
Înlocuire Nu este posi bilă Dificilă Ușoară În general nu este
posibilă

Tabelul 2 Comparație între diferite formate ale celulelor
2.2.2 Chimi a celulelor Li -Ion
''[11] Numele de Litiu -Ion este dat unei categorii de celule reîncărcabile care folo sesc intercalarea
reacțiilor la ambii electrozi;ionii de litiu se deplasează între cei doi electrozi în așa zisul cadru de
balansuar.

20
Dintre celulele Li-Ion celulele litiu poli mer (LiPo) folosesc un polymer sau un gel electrolitic în timp
ce celelalte ce lule folosesc un lichid electrolitic neapos.
Există multe reacții chimice li -ion.De obicei acestea sunt denumite în funcție de compoziția
catodului.Se împart în:
• LiCoO 2 : Standard litiu -cobalt -oxid;
• LiMnNiCo: Litiu -magneziu -nichel -cobalt;
• LiFePO 4 și Li 2FePO 4F: Nano -fosfat/litiu -fier-fosfat/litiu -fero-fosfați;
• LiMnO 2 : Litiu -magneziu -oxid;
• Li4Ti5O12: Litiu -titan;
• LiMn 2O4: Litiu -magneziu -oxid;
• LiNiO 2: Litiu -nichel -oxid.
Tensiunea nominală,energia,și densitatea de putere ce aparțin acestor celule,variază od ată cu chimia
lor.Unele sunt considerate sigure și altele sunt considerate adecvate pentru pachetele mari de
tracțiune(în special LiFePO4 și litiu -titanate) în comparație cu celulele Litiu -Ion standard(LiCoO2). ''
2.2.3 Siguranța celulelor Li -Ion
"[4]Celulele Li -Ion se comportă excelent dacă sunt utilizate în zona "relativ mică" de operare,dar pot
exista și consecințe periculoase dacă sunt utilizate în parametrii anormali.
În majoritatea cazurilor micșorarea duratei de viață a bateriei este singurul efect sau d eteriorarea
celulelor fără să existe probleme de siguranță.Totuși utilizarea abuzivă a celulelor Li -Ion poate fi
periculoasă și ca efect pot rezulta pagube fizice.(străpungere sau zrobire)și/sau încălzire(de la supra –
tensiune,supra -curent sau caldura exte rnă).
Scurtcircuitarea unei baterii LiFePO4 poate face ca celule să -și elibereze conținutul foarte violent în
succes iuni ca niște pocnitori.( Figura 2.2)."

21

Figura 2.2 Bateria unui telefon mobil dup ă ce a luat foc
2.2.4 Zona sigură de operare a celulelor Li -Ion
"[5] Zona sigură de operare a celulelor Li -Ion este legată de curent,temperatură și tensiune:
• Celulele Li -Ion se vor distruge repede și vor izbucnii în flăcă ri dacă sunt supra –
încărcate cu o tensiun e prea mare;
• Majoritatea celulelor Li -Ion se vor distruge dacă vor fi descărcate sub un anumit nivel
de tensiune;
• Durata de viață a celulelor Li -Ion se va reduce drastic dacă sunt descărcate în afara
unui interval de temperatură specific sau dacă sunt încă rcate în afara unui interval de
temperatură și mai strict.
• Celulele Li -Ion se pot încălzi repede și pot lua foc dacă le este permis să depașească
zona de termperatură sigură;chiar și celulele care nu sunt predispuse la o încălzire
rapidă pot conține electr oliți organici care vor alimenta flăcările;
• Durata de viață a celulelor Li -Ion va fi redusă dacă vor fi descărcate la un curent prea
mare sau dacă vor fi încărcate prea repede;
Celule le Li-Ion pot fi distruse dacă l i se aplică impulsuri de curent mai mult de câteva secunde;
Aceste limite variază considerabil datorită chimiei celulelor.Spre exemplu celulele standard Li -Ion
LiC2 care nu au nici un mecanism de protecție adițional se vor încălzi mai repede chiar dacă au o
temperatură relativ scăzuta, în timp ce celulele LiFePO4 sunt în mod intrinsec imune la creșterile de

22
temperatură.Aceste limite variază până la un anumit nivel ,odată cu producătorul.De exemplu A123 si
K2 produc celule cilindrice mici foarte similare,dar totuși celulele A123 pot fi descărca te pana la 0V
făra nici un efect secundar rău, în timp ce celulele K2 nu pot fi descărcate sub 1,8V. "

[1] Figura 2.3 Zona sigură de operare a celulelor LiFePO 4
2.2.5 Eficiența celulelor Li-Ion
"[6]Avantajul semnificant al celulelor Li -Ion în comparație cu alte chimii (baterii) este acela că
acestea sunt în special eficiente în energie și putere. "
2.2.5.1 Energia celulelor Li -Ion
"[6],[7] Rezistența celulelor Li -Ion este destul de scăzută(în s pecial în așa zisa celulă de putere),ceea
ce înseamnă că puțină putere (I2*R) este risipită în căldura din înăuntrul lor.De exemplu celulele
M126,650 de la A123 au o rezistență standard de 10 mΩ; Când au o sarcină de 1 Couloumb
(2,3A),pierd o putere P=2,32 *10mΩ =53mW, și generează P=2,3A*3,2V=7,36W ceea ce reprezintă o
eficiență de 99,3%.
La curenți mai mari eficiența de energie a celulei scade.Mai multă energie este risipită pe căldura
din înăuntrul celulei(de -a lungul rezistenței)lăsând mai puțină ener gie disponibilă să lucreze în afara
celulei.

23
Dintr -o celulă se poate extrage puterea maximă atunci când rezistența de sarcină este egală cu
rezistența celulei.Jumate din putere va fi irosită pe căldura din înăuntrul celulei și jumate din putere va
funcț iona în afara celulei.
O celulă M126,650 de la A123 poate genera 150A și 500W în acest mod,dintre care 250 W se află
în căldura din interiorul celulei.Acest lucru poate dura pentru o perioadă scurtă de timp(mai puțin de
10 secunde),deoarece căldura de la celulă o va degrada și îi va crește temperatura destul de mult. "
2.2.5.2 Încărcarea celulelor Li -Ion
"[8] [9] Dacă sunt încărcate de la un stand,celulele Li -Ion sunt practic 100% eficiente(cât timp ciclul
de încărcare -descărcare s -a realizat într -o perioadă s uficient de scurtă astfel încât scurgerile să nu fie o
problemă).Cu alte cuvinte, numărul de electroni care intră într -o celulă la o încărcare completă,este
egal cu numărul de electroni care ies din celulă la o descărcare completă,indiferent de rata de
încărcare sau descărcare.A se lua la cunoștință că nu a fost menționat că energia poate fi recuperată,a
fost menționat că toată sarcina poate fi recuperată.Tensiunea celulei de încărcare este mai mică decât
tensiunea celulei de descărcare,astfel energia descă rcată este mai mică decăt energia din timpul
încărcarii chiar dacă sarcina de intrare -ieșire este aceeași.
Dacă se face excepție de la afirmația precedentă,deoarece o foaie tehnică arată că dintr -o celulă iese
o sarcină diminuată la un curent mare,trebu ie menționat faptul ca doar la o încărcare și o descarcăre
completă sarcina este egală, iar în formele de undă din specificațiile tehnice sunt prezentate la curent
constant si se opresc atunci când tensiunea pe celula în sarcină scade la un anumit nivel.La acel
moment celula nu este complet descărcată.Sarcina rămasă mai poate fi în continuare extrasă dacă se
descarcă celula la un curent mai mic,de exemplu descărcarea se poate face la o tensiune constantă
egală cu tensiunea de tăiere( Figura 2.4).Atunci când curentul a scă zut la 0 toată sarcina din celulă a
fost extrasă indiferent de rata de descărcare(chiar dacă descărcarea a avut loc la un curent scazut sau a
început la un curent ridicat si s -a terminat cu un curent scăzut).
Desigur ,multe aplicații(cum ar fi cele de rezervă de putere),sarcina trebuie să funcționeze la curent
mare și nu va fi capabilă să extragă toată sarcina din celulă. "

24

[8] Figura 2.4 Sarcina pe care celulele Li -Ion o pot livra nu depinde de rata de
descărcare .După o descărcare la curent mare sarcina rămasă încă mai poate fi descărcată la un curent
mai mic.

2.2.6 Efectul de îmbătrânire al celulelor Li -Ion
"[16] Celulele Li -Ion au o durată de viață mai mare decat alte baterii,dar tot au un ciclu de viață
limitat și pot avea o durată calendaristică de viață limitată. "
2.2.6.1 Durata de viață calendaristică a celulelor Li -Ion
"[1],[4] Celulele standard Li -Ion au o durată de viață calenda ristică destul de scurtă( Figura
2.5).Indiferent dacă celulele sunt f olosite sau nu,acestea își pierd din capacitate.(utilizatorii de
telefoane și de laptop -uri pot atesta acest lucru).Acest lucru se întamplă datorită procesului chimic
care are loc atunci când celulele stau încărcate complet la o tensiune mai mare de 4V.Alt e baterii Li –
Ion(de exemplu celulele LiFePO4).Alte baterii Li -Ion funcționează la o tensiune mai scăzută astfel
încât procesul chimic nu are loc,așadar nu par să aibă limite calendaristice de viață. "

25

[1] Figura 2.5 Durata de viață calendaristică a celulelor Li -Ion

2.2.7 Ciclul de viață al celulelor Li -Ion
"[10],[4] Din graficele capacitate/număr de ciclii ale celulei Li -Ion se poate observa cum capacitatea
scade liniar odată cu numărul de ciclii de desc ărcare -încărcare cu o viteză care depinde de curentul de
descărcare folosit.Din graficele rezistența/număr de ciclii se poate observa că rezistența scade puțin
după câțiva ciclii,apoi crește până la câteva sute de ciclii și continuă să crească mult mai rep ede.
Aceste două tipuri de grafice sunt conectate,în timp ce o parte din pierderea capacității se datorează
pierderii materialului activ din celulă, restul nu se pierde,doar rămâne nefolosit;Celula este
subîncărcată și subdescărcată datorită creșterii r ezistenței și datorită tensiunii de taiere fixă specificată
de fabricanții de celule.Folosind tensiuni de tăiere fixe,echipamentul de testare al producătorilor
încarcă și descarcă celulele din ce in ce mai puțin,datorită creșterii rezistenței ceea ce duce aparent la
o pierdere de capacitate; nu doar faptul că celulele își pierd din capacitate în timp ce sunt folosite,dar
și algoritmul de testare al celulei de la fabricant este limitat în așa fel încât celulele par să piardă din
capacitate mai mult decât a r trebui.

26
Acel fragment de capacitate care nu este disponibil datorită rezistenței mărite poate fi recuperată
dacă se crește tensiunea de tăiere superioară în timpul încărcării și dacă se scade tensiunea de tăiere
inferioară în timpul descărcării,folosin d compensați a de tensiune I*R(V=I*R) (vezi Figura 2.6)

[4] Figura 2.6 Capacitatea celulelor reîncărcabile , capacitatea eficientă a c elulelor și
rezistența celulelor după un număr de cicluri

Aceeași celulă care pare să fi pierdut 10% din capacitate defapt poate încă să mai conțină mult din
capacitatea inițială;pentru a accesa tensiunea de tăiere la încărcare trebuie crescută și tensiunea de
tăiere la descărcare trebuie scăzută pentru a compensa căder ea de tensiune suplimentară datorată
rezistenței mărite. "
"[15] Un BMS care este capabil să măsoare rezistența fiecărei celule și să compenseze tensiunea de
tăiere în mod corespunzător,se poate folosi mult mai bine de capacitatea bateriei. "
2.2.8 Modelarea celulelor Li -Ion
"[1]Spre deosebire de un chimist, unui inginer electric i se pare mai ușor să vadă celula sub forma
unui circuit electric;această metodă se numește modelul circuitului echivalent.Cel mai simplu model
de o celula Li -Ion,dar și cel mai ef icient când se folosește la curent constant este format dintr -o sursă
de tensiune ș i rezistențe în serie( Figura 2.7 a).

27

[1] Figura 2.7 Modelele electrice echivalente ale unui celule Li -Ion și graficele de tensiune
și curent: (a) cu o singură rezistență (b) cu relaxare RC (c) cu impendanță RC de curent alternativ (d)
cu ambele circuite RC
Aceasta este r ezistența despre care vom vorb i în continuare,atunci când termenul de rezistență va fi
menționat. "
"[12],[7] Într-o celulă Liti u-Ion standard rezistența este de ordinul a cațiva mΩ(de la 10 până la 50
mΩ pentru o celulă de putere 26,650 LiFePO4 și de la 0,5 până la 5 mΩ pentru o celulă prismatică).
Acea rezistență este rezultatul combinării în serie a rezistențelor efective care apar datorită
procesului chimic și rezistența metalică grosieră din colectorii de curent și terminale.Căderea de
tensiune datorită acestei rezistențe și curentul celulei r eprezintă ceea ce chimistii numesc potențial
polarizat.
Aici nu este vorba despre o rezistență simplă(care se poate măsura cu ohmetru sau care se poate
calcula după formula R=V/I.Aici este vorba defapt despre o rezistență dinamică, care este diferită
datorită prezenței unei surse de tensiune conectată în serie cu această rezistență.Rezistența dinamică
este definită ca fiind raportul dintre ∆V si ∆I:
R=∆V/∆I

28

Așadar pentru a calcula rezistenț a dinamică trebuie să existe un delta in curent(de exemplu pachetul
de curent nu poate fi constant), ceea ce duce la existența unui delta in tensiune.Această rezi stență
variază odată cu(vezi Figura 2.8):
• Starea de incărcare(SOC): valoarea sa este ridicată atât la nivelul superior de încărcare cât si
la nivelul inferior;
• Temperatura: valoarea sa este mai ridicată la temperaturi scăzute;
• Curentul: valoarea sa este mai ridicată la curenti ridicati si când se încarcă(comparativ cu
același curent de descărcare) ;
• Odată cu utilizarea: valoarea sa crește în timp odată ce celula devine uzată. "

[7] Figura 2.8 Rezistența variabilă a celulelor față de mai mulți parametri:(a) c urent,
(b)temperatură, (c) SOC, (d) Cicluri

"[1],[13] Din puntul de ve dere al utilizatorului , urmatorul nivel de complexitate este atins dacă se
împarte rezistența în doi rezistori și se adaugă un condensator mare in p aralel cu unul din
rezistori( Figura 2.7 b).Aceasta permite modelului să emuleze cor ect comportamentul actual al unei
celule care este încarcata instantaneu.Căderea de tensiune inițială în celulă este mică(datorită lui
R1),doar ca sa scadă in continuare 'exponențial' până la nivelul celor două rezistențe cu o constantă
de timp T=R2*C2, care este de oridinul unui minut.Acest efect este denumit de chimiști relaxare.
Din păcate producatorii de celule folos esc un model diferit( Figura 2.7 c) care la început arată la fel,
dar in loc folosesc un circuit RC (R3 si C3) a cărui constantă de timp este de ordinul 1ms.
Aceasta permite modelului să emuleze corect impedanța de curent alternativ (la frecvențe de
ordinul 1kHz) văzută de echipamentul de test al producătorilor.Producătorii de celule măsoară acest

29
parametru fară sarcină,pe o celulă no uă, la 1 kHz care reprezintă un set de condiții care este foarte
diferit față de cum sunt folosite celulele în realitate.Producătorii folosesc această metodă de măsurare
pentru ca echipamentul de măsurare la 1kHz este deja disponibil, impedanța de 1kHz răm ânând
constantă de -a lun gul duratei de viață a celulei ș i chimiștilor nu par să le fie foarte clar referitor la
conceptul de rezistență în curent continuu sub sarcină.Totuși,acest model nu este folositor
utilizatorilor de celule.Dacă acest model ar fi fost precis atunci căderea de tensiune când o celulă a
fost inițial încărcată ar fi practic instantanee și ar fi mult mai superficială.Producatorii dau rezistența
de curent alternativ la 1kHz ca fiind reală.Acest lucru este derutant pentru utilizatorii care confundă
această valoare pe post de valoare a rezistenței în curent continuu a celulei.Combinarea celor două
modele rezultă un model mult mai prec is cu două circuite RC( Figura 2.7 d ) care ajută atât
producătorul de celule cât și utilizatorul. "

2.2.9 Tensiuni i negale în șiruri

"[11],[19] Într-o baterie care conține doar câteva celule conectate în serie, tensiunea de încărcare este
împărțită aproape în mod egal pe celule.De e xemplu( Figura 2.9) atunci când se încarcă o baterie
standard de tipul plumb -acid pentru o mașină i se aplică o tensiune constantă de 13,5V și fiecare din
cele 6 celule are aproape 2,25 V.

[19] Figura 2.9 Baterie de pornire plumb -acid:(a) echilibrată, (b)neechilibrată

30

Dacă una din celule este încărcată mai mult,atunci tensiunea ei ar fi puțin mai ridicată,luând puțin și
din tensiunea celorlalte celule.De exemplu dacă o celula are 2,5V atunci celelalte celule vor avea,în
medie, 2,2V.Variația de tensiune este acceptabilă; celulele plumb -acid sunt mult mai tolerante la
variațiile de tensiune.
Pentru alt exemplu( Figura 2.10), o baterie mică LiPo folosită la un consumator poate avea două
celule în serie.Când este încărcată la 8,4V,dacă celulele sunt în echilibru fiecare cel ulă va avea
4,2V.Dacă celulele nu sunt echilibrate,in cel mai rău caz cea mai descărcată baterie va avea 3V
lăsând 4,9V pe cea mai încărcată, 4,9V sunt deasupra maximului recomandat pentru o celula
LiPo(4,2V),dar este în continuare destul de puțin astfel încât să nu provoace o încălz ire rapidă și să ia
foc.

[19] Figura 2.10 Celule în serie într -o baterie LiPo cu două celule :(a) echilibrate, (b)
neechilibrate

La o baterie cu tenisune ridicată cu multe celule conectate in serie exista riscul ca tensiunea pe tot
pachetul sa nu fie distribuita in mod egal între celule.(acest lucru este valabil pentru orice baterie). "
"[11] Considerăm o baterie de tipul LiPo cu 4 celule încărcată până la 16,8V.Dacă celulele sunt
perfect echilibrate tensiunea totală va fi distribuită în mod egal, având 4,2V pe fiecare celulă( Figura
2.11 a).
În practică celulele nu sunt echilibrate și una din ele va fi prima care se va încărca com plet și va
deveni suprîncărcată.Celulele Li -Ion nu suportă sa fie supraîncărcate.Odată încărcate acestea nu pot
lua mai mult curent.În schimb tensiunea lor crește rapid,posibil până la nivele periculoase .În acest

31
exemplu( Figura 2.11 b) este supraîncărcat ă până la 6,3V în timp ce celelale au aproximativ 3,5V.În
ciuda faptului că tensiunea totală este de 16,8V, trei celule din baterie nu sunt încărcate complet și una
din celule este în pericol de a avea o creștere rapidă de temperatură. "

[1] Figura 2.11 4 celule în serie încărcate:(a) echilibrate, (b) neechilibrate. O celulă are
tensiunea crescută.

"[8],[1] Așadar un sistem care se bazează pe tensiunea totală a bateriei ca sa determine cân d să se
oprească încărcarea da utilizatorului un sentiment fals de securitate;Acel sistem va supraîncărca unele
celule si va crea o problemă de siguranță,deorece unele celule vor fi supraîncărcate până la un nivel
periculos.Deci este esențial un sistem BM S pentru a preveni supraîncărcarea oricarei celule si opțional
să echilibreze bateria astfel încât sa îi crească performanța la maxim.
Considerăm aceeasi baterie după ce a fost descărcată până la 12V.Dacă celulele sunt perfect
echilibrate atunci tensiune a totală va fi distribuită în mod egal, 3V pe celulă( Figura 2.12 a).
În practică,celule nu vor fi echilibrate și una va fi complet descărcată și celelalte nu vor fi descărcate
complet.Celulele Li -Ion nu se împacă bine cu descărcarea completă.Dacă i se pe rmite tensiunii să
scadă sub un anumit nivel,pot apărea pagube ireversibile.

32

[1] Figura 2.12 4 celule în serie descărcate :(a )echilibrate, (b) neechilibrate

În acest exemplu( Figura 2.12 b ) o celulă nu este descărcată complet rămânând 1,5V, în timp ce
celelalte au 3,5 V.În ciuda faptului că tensiunea totală este de 12V trei din celulele din această baterie
nu sunt descărcate complet și una din celule va fi afectată.Asadar un sistem care se bazează pe
tensiunea totală a bateriei ca să detemine atunci cand se oprește decărcarea bateriei va da
utilizatorului senzația falsă de securitate;acel sistem nu va descărca complet toate celulele,
deteriorându -le.Este esențial ca un sistem BMS s ă fie folosit pentru a preveni descărcarea incompletă
sau distrugerea celulei. "
2.3 BMS Litiu -Ion
"[6],[8] În paragrafele precedente s -a văzut cum folosirea necorespunzătoare a celulelor Li -Ion le
poate reduce durata de viață,le poate deteriora și pot provo ca chiar si probleme de siguranță.
"Este treaba unui BMS să asigure utilizarea corectă a bateriei în zona ei de siguranță.Acest lucru
este în deosebi important pentru pachetele mari de baterii Li -Ion,deoarece:
• Celulele Li -Ion sunt mai sensibile la folos irea excesivă decâ t celelalte tipuri de celule ;

33
• Pachetele mari de bate rii, cu multe celule conectate î n serie,sunt predispuse spre a fi încărcate
sau descă rcate în mod neegal,datorită dezechilibrului dintre celule.Celulel e Li-Ion nu trebuie
supraîncă rcate sau d escărcate incomplet. "

2.3.1 Definiția unui BMS
"[8],[15] Nu există o definiție unică pentru ceea ce este un BMS și ceea ce face și cateodată alți
termeni[cum ar fi sistem de administrare al tensiunii(Voltage Management Sistem) sau circuit
modular d e protecție(Protection Circuit Module)],sunt utilizați pentru ceea ce reprezintă un BMS.Un
BMS poate fi orice produs sau reprezintă orice tehnologie folosită cu intenția de a gestiona o baterie,
într-un mod sau altul.Acesta poate include oricare din următo arele funcții:
• De a monitoriza bateria;
• De a proteja bateria;
• De a estima starea bateriei;
• De a maximiza performanț ele bateriei;
• De a informa utilizatorul ș i/sau alte dispozitive externe. "
2.3.2 Funcțiile unui sistem BMS Li -Ion
"[6] Pentru siguranța utilizator ului și pentru siguranța celulelor un sistem BMS Li -Ion trebuie să
îndeplinească,minim,(în ordinea importantei)următoarele funcții:
• Prevenirea tensiunii oricărei celule de a depăș i lim ita prin oprirea curentului de încărcare sau
cerând ca acesta sa fie oprit.Aceasta este o probl emă de siguranță pentru toate celulele Li -Ion;
• Prevenirea temperaturii oricărei celule de a depaș i limita oprind cu rentul de la baterie
direct,cerând sa fie oprit sau cerâ nd ca aceasta să fie răcită.Aceasta este o masură de siguranță
pentru celulele Li -Ion care sun t predispuse la încălzirea rapidă .
• Prevenirea tensiunii oricărei celule de a scădea sub o anumită limită prin oprirea curentului de
încărcare sau prin a cere oprirea acesteia;
• Prevenirea curentului de încărcare de a depăși o anumita limită(care variază odată cu
tensiunea celulei,temperatura celulei si nivelul anterior de curent)prin cererea reducerii sau
opririi curentului sau prin oprirea curentului direct;
• Prevenirea descărcării curentului spre a depăși o anumiă limită cum este descris ș i la punctul
anterior.

34
Un BMS este esențial când se încarcă o baterie Li-Ion.Cand o celulă ajunge la tensiunea maximă de
încărcare,încărcă torul trebuie oprit imediat (Figura 2.13)"

[6] Figura 2.13 Încărcarea echilibrată cu un BMS care controlează încărcătorul :(a) încarcare, (b)
oprirea încărcării când o celuă atinge tensiunea de tăiere,(c) repornirea încărcării când tensiune a pe
celulă a fost echilibrată,(d) procesul se repetă până când (e,f) pachetul este echilibrat.
[1] Un BMS poate de asemenea să echilibreze bateria astfel încât sa îi maximizeze capacitatea.Poate
face acest lucru prin îndepartarea sarcinii de pe celula cea mai încărcată până când tensiunea ei este
suficient de scăzută,astfel încât încărcătorul poate reveni și p oate încărca și celelalte celule.După
multe cicluri din acest proces toate celulele vor avea cel puțin aceeași tensiune,vor fi încărcate
complet,însemnând ca pachetul va fi echilibrat.Un BMS este de asemenea esențial atunci când bateria
Li-Ion este descărc ată.Imediat ce o celula ajunge la tensiunea inferioră de tăi ere,sarcina este
oprită( Figura 2.14).

35

[1] Figura 2.14 Descărcare controlată a sarcinii cu BMS:(a,b) descărcare, (c) oprirea
descărcarii când o celulă ajunge sub tensiunea de tăiere.
2.4 Bateriile Li -Ion
2.4.1 SOC(State of Charge), DOD(Depth Of Discharge) și Capacitatea

"[7],[11] Starea de încărcare(SOC) a unei celule sau a unei baterii la un moment dat de timp
reprezintă proporția sarcinii disponibile în ace l punct,comparativ cu sarcina totală disponibilă atunci
când este încărcată complet.Este exprimata în procente,de la 100% cand este plină până la 0% când
este goală.Funcția de evaluare a stării de încărcare mai este cunoscută și ca bara de combustibil în
special la vehiculele electronice datorită analogiei cu indicatorul de combustibil.Fiecare celulă dintr -o
baterie are propria ei stare de încărcare și fiecare baterie are propria ei stare de încărcare.
Adâncimea de descărcare(DOD) a unei celule sau a un ei baterii,reprezintă o masură a sarcinii
consumate.Se exprimă în amperi -oră(Ah).DOD poate fi exprimată și în procente și se întâlnește mai
des la bateriile plumb -acid.Însă este mult mai util ca adăncimea de descărcare să fie exprimată în Ah
astfel încât c ombinația dintre SOC(în %) si DOD(în Ah),transmite mai multe informații decât cazul în
care amândoua ar fi fost exprimate în procente.Aceasta devine vizibilă la o celula care are o capacitate

36
mai mare decât cea nominală(spre exemplu o celulă de 100Ah care are de fapt 105Ah),când o sarcină
egală cu capacitatea nominală a fost consumată de pe o celulă(100Ah),SOC -ul va fi 0% si DOD poate
fi exprimată ca 100% sau ca 100Ah.Dacă ar fi să se extragă toată sarcina din celula SOC va rămâne
blocat la 0%(pentru că nu este permisă o valoare negativă) și DOD exprimată în procente va rămâne
blocată la 100%(pentru că nu este permis să meargă mai mult de atât.Totuși dacă DOD ar fi fost
exprimată în Ah atunci ar fi indicat 105Ah,ceea ce ar fi corect.Știind că o celulă are D OD de 105Ah
este mult mai util decât să știi faptul ca a ajuns la 100% și că încă mai are 100% chiar dacă s -a
consumat o parte din sarcina de atunci.Încă un motiv pentru care este bine ca DOD sa fie exprimat în
Ah este acela că nu depinde de rata de descă rcare.
În timp ce la prima vedere s -ar putea crede ca SOC reprezintă DOD inversat(una crește în timp ce
cealaltă scade),acest lucru nu este adevărat (Tabelul 3). Nu numai că unitățile lor de măsura ar trebuii
să fie diferite,dar de asemenea și ceea ce s e întamplă atunci când bateria este goală.
SOC DOD
Unități % Ah
Referință Două puncte:gol și încărcat Un singur punct:încărcat
Referință completă 100% 0Ah
Referință goală 0% Nu se aplică
Rata de schimbare Nu se aplică Proporțional cu curentul baterie i
Descărcare Nu va scădea sub 0% Creștere continuă

Tabelul 3 Comparație între SOC și DOD
De reținut este faptul că dacă o baterie de 100Ah îsi pierde jumătate din capacitate atunci SOC va
indica în continu are de la 100% pana la 0%,dar DOD(care obișnuia să fie între 0Ah si 100Ah) acum
va fi între 0Ah si 50 Ah( Figura 2.15).
Capacitatea curentă a unei celule sau a unei baterii(exprimată în Ah este egală cu DOD),de asemenea
este exprimată în Ah atunci când este complet descărcată.Valoarea nominală a capacității unei celule
este specificată de către producători. "

37
"[1],[11] O limitare semnificativă a eficienței capacității unei celule este reprezentată de punctul în
care încărcarea și descărcarea sunt oprite.P roducătorii de celule instruiesc utilizatorii să nu o mai
descarce la un anumit prag de tensiune . Rezultatul apare în capacitatea celulei de a varia cu sarcina și
descărcarea de curent.La un curent minim de descărcare pragul de tensiune al celulei este es ențial la
fel cu circuitul deschis de tensiune(Open Circuit Voltage),care este cel mai bun indicator extern al
SOC.Când celula ajunge la tensiunea inferioară de tăiere,atunci celula este complet descărcată.

[11] Figura 2.15 Grafice SOC și D OD:(a) capacitatea nominală, (b) după ce bateria
pierde 50% din capacitate.
Din aceasta un observator obișnuit poate trage concluzia că, actuala capacitate a celulei a fost redusă
datorită ratei mare de descărcare.Totuși, acest lucru nu este adevărat.Capacitatea actuală nu a fost
modificată, doar capacitatea utilă a fost afectată de curentul mare de descărcare.Dacă celula ar fi în
continuare descărcată la o rată scăzută,celula va fi capabil ă sa genereze întreaga sarcină.

38
O aplicație care este capabilă să măsoare rezistența celulei se poate folosi mai bine de sarcina în acea
celulă prin compensarea tensiunii pragurilor de tensiune,ca să estimeze circuitul de tensiune deschis și
să oprească descărcarea mai târziu,atunci când circuitul de tensiune deschis ajunge la limita tensiunii
inferioare de tăiere și nu atunci când terminalul de tensiune o atinge( Figura 2.16).

[1] Figura 2.16 Algoritmi de descărcare :(a) așa cum sunt definiț i de producăto rul de
celule, (b) cu compensare de tensiune
Acest proces funcționează până la un anumit punct;dacă tăierea este mai mică decât 1/2 din
tăierea circuitului de tensiune deschis(spre exemplu în jur de 1.25V),se trece de punctul
maxim de puter e și într -o zonă de diminuare/ trecere se întoarce.( vezi secțiunea 2.2.5.1 )."

39
3 CIRCUITUL ELECTRONIC
3.1 Schema electric ă a BMS
Figura 3 Schema electrică BMS
În Figura 3 avem prezentată schema electrică a Sistemului de BMS (Batery Management
System) local pentru baterii LiIon .Circuitul este realizat cu LM339, folosind două din
compartoarele acestuia.Acestea comandă tranzistorii Q1 și Q2 care la rândul lor atrag cele 3
relee în funcție de cum trebuie gest ionată tensiunea pe celula.

40

Figura 3.1 LM339
În figura de mai sus(vezi Figura 3.1) avem desenate cele două comparatoare folosite in
montaj, din structura internă a circuitului integrat LM339.
Circuitu l trebuie sa îndeplineasca două funcții:
• balancing activ;
• balancing pasiv.
Părtile din montaj care îndeplinesc funcțiile prezentate mai sus, le vom prezenta în figurile
urmatoare :

41

Figura 3.2 Balancing Pasiv
În această secțiune din schemă avem partea de montaj responsabilă pentru balancing -ul
pasiv.( Figura 3.2)
Pentru fuctionarea balancing -ului pasiv comparatorul este conectat la celulă prin +VCEL și
la P2 prin VP1.Acesta intră în funcțiune atunci când te nsiunea pe celulă este mai mare decât
pragul superior reglat din P2 (+VCEL>VP1).
Comparatorul comandă tran zistorul Q2,acesta intră în conducție,se aprinde LED -ul roșu
arătându -ne starea circuitului și Releul 3 se atrage,conectând celula la R3 pe care se face
descă rcarea acesteia .După ce tensiunea pe celulă +VCEL ajunge sa fie mai mică decât pragul
superior VP1 comparatorul oprește tranzistorul Q2,releul deconectând celula.

42

Figura 3.3 Balancing Activ
Acea stă secțiune realizează balancing -ul activ. La fel ca și comparatorul de la balancing –
ul pasiv și acesta este conectat la celula și la P1(vezi Figura 3.4 ) Acesta pornește atunci
cand tensiune pe celula scade sub pragul inferior reglat din P1.
Atunci când +VCEL < VP2 comparatorul comandă tranzistorul Q1,iar atunci se apr inde
LED -ul ALB ceea ce ne arată starea circuitului și totodată Releul 1,respectiv Releul 2
(vezi Figura 3 ) sunt atrase , conectând sursa externă de încărcare a celulei. După
încărcarea bater iei comparatorul oprește tranzistorul Q1,ceea ce duce la eliberarea r eleelor
1 și 2 deconectând sursa de încărcare a celulei.

43

Figura 3.4 Circuit de reglare

În figura de mai sus avem circuitul de reglare a pragurilor de tensiune în funcție de
tipul de baterie folosit. Cel mai folosit prag la celulele Litiu -Ion este de obicei 2,7V
respectiv 4,2V.
VP1 este responsabil pentru reglarea pragului superior (4,2V), iar VP2 este folosit
pentru ajustarea celui infe rior (2,7V).
Pentru o stabilizare mai bună a tensiunii am folosit o diodă zener de 5V conectată în
paralel cu un condensator electrolitic.

44

Figura 3.5 Borne de conectare

Între bornele +CEL și -CEL se con ectează bateria pe care dorim ca BMS -ul să o
monitorizeze.
Pe borna de +CEL se află si rezistența R3 4,7Ω 5W responsabila cu descărcarea celulei
atunci când aceasta este incărcată peste pragul superior reglat de utilzator.

45

3.2 Layout.PCB

Figura3.6 PCB

46

Figura 3.6.1 Desenul de asamblare
Desenul de asamblare este important de urmărit, deoarec e acesta ne arată modul de conectare in
circuit a componenelor fără a risca montarea gresita a vreunei piese.

Figura 3.7 Amplasarea componentelor pe placă urmărind și traseul circuituilui

47
Aceasta ne ajută la echipare a PCB -ului.Dacă avem dificultăți în depistarea locului în care trebuie
amplasată o componentă, prin vizualizarea acesteia o să găsim exact spațiul destinat acesteia. (vezi
Figura 3.7)

Figura 3.8 Placa asamblată
În imaginea de mai sus este prezentată placa după ce s -au montat toate componentele necesare
realizarii.Este prezentată o vedere de sus a plăcii pe partea de montare a pieselor electronice(nu de
lipire).

48

3.3 Lista de componente
Circuite integrate:
• LM 339
Diode:
• D1,D2= BA159
• ZD1,ZD2,ZD3= 5V6
Tranzistori:
• Q1,Q2= 2N222
Condensatori:
• C1=100nF
• C2=100uF 16V
Rezistori:
• R4,R7= 5k1
• R5,R6,R12,R13,R14,R15,R21= 1k
• R1,R2= 330Ω/1w
• R9,R11= 1M
• R8,R10,R17= 1k5
• R3=4,7Ω/5w
• R16= 100Ω
• R18=1K2
• R19=5K
• R20,R22=10K
Relee :
• 3x 12V

49
Siguranțe:
• FLA -30(32V,3 A)
Led-uri:
• Alb
• Roșu
Potențiometre:
• P1,P2= 5K

50
4 CONCLUZII
Acest sistem de BMS (Battery Management System) local pentru baterii Li -Ion a început să fie
folosit din ce în ce des în toate aparatele electronice folosi te de om și va deveni cu sigurață un sistem
revoluționar pentru aproape toate aplicațiile unde este necesar un consum de energie.
BMS es te un sistem bazat pe o combinaț ie de soft ware si hardware de securitate î n domeniul ba teriilor
stationar -industr iale Litiu -Ion.
Bateriile Li -Ion sunt surse de alimentare , cu densitate mare de energie folosite pentru o gamă mare
de dispozitive. Pentr u a acționa dispozitive mai complexe , cum ar fi mașinile electrice, conectarea
multor baterii mici într -un circui t paralel es te mai eficientă decât cone ctarea unei singure baterii cu o
puetere mare .
Astfel de dispozi tive cuprind :
• Dispozitive por tabile: acestea includ telefoan e mobile , smartphone -uri, laptopuri și tablete,
lanterne , camere video digitale.
• Scule electrice: Ba teriile Li -ion sunt utilizate pentru unelte cum ar fi bormașină cu
acumulator, șlefuitoare, ferăstraie electrice, mașini de tuns iarba .
• Vehiculele electric e: datorită greutății mici, bateriile Li -Ion sunt u tilizate pentru propulsarea
unor vehicule electrice și ve hicule hibride, cum ar fi , locomotivele, automobilele electrice ,
scaune cu rotile electrice .
Utilitatea acumul atorilor cu tehnologie Litiu -Ion, se datorează prin necesit atea duratei mare de
utilizare în toate aplicaț iile energet ice. În ace st sens cea mai bună variantă este utilizarea bateriilor
capsulate, fără întretinere tehnologie Litiu -Ion. Acești acumulatori au numeroase avantaje
prezentate in această lucrare, în comparație cu acumulatorii tradiț ionali cu plumb.
Acumulatorii Li tiu-Ion sunt mult mai rezistenț i din punc t de vedere al autonomiei. Ofe ră mai
multă energie stocată î n capus ule mici ș i usoare fată de alte tehnologii. Încărcarea și reîncărcarea în
aplicații ciclice este mult mai rapidă decît î n cazul celorlalte tipuri de acum ulatori cu plumb.
Acumulatorii Litiu -Ion au o dur ată mare de viață / cicluri , de asemenea greutatea lor este de cel
mult o treime din greutatea baterii lor clasice cu plumb la aceeaș i tensiune / capacitate .
Pentru o exploatare în condiții bune, în aplicaț iile unde se folosesc acestea, bateriile Litiu -Ion se
vor conecta la echipa mentul BMS, care va monitoriza î ncărcarea ș i descărcare a (celulele sa aibă

51
aceeași tensiune) dar ș i temperatura elementilor. BMS -ul trebuie să aibă controlul total asupra
bateriilor Litiu -Ion.
Sistemul BMS este echipat cu o ieșire folosită pentru conectarea unui indicator digit al sau analog
care face posibilă adăugarea unui afișa j care să permită supravegherea tuturor informaț iilor
relevant e cu privire la bateria Litiu -Ion. Î n plus, acesta poate fi echipat cu un sistem de
diagnosticare a marimilor de ieș ire ce poate fi accesat folosi nd un laptop. Ac est sistem oferă
informații desprel starea bateriei, ciclurile de încă rcare a bateri ei precum și multe alte informaț ii.
Toate BMS -urile permit încărcarea sau descărcarea pentru fiecare celulă î n parte, controlul
temperaturii pentru fiecare celulă, echilibrarea acestora dar și incălzirea acestora la funcț ionarea la
temperaturi reduse.
Toate bateriil e ce cuprind acumulatori Li-Ion necesită utilizarea unui B MS, (Battery Management
System) pentru a preveni deteriorarea acestora
Monitorizarea bateriei de catre sistemul BMS consta in :
• încărcarea și descărcarea fiecărei celule î n parte,
• controlu l temperaturii pe fiec are celulă î n parte, echilibrarea celulelor la apro ape orice
nivel de tensiune, .

52
5 BIBLIOGRAFIE
➢ [1] Davide Andrea -Battery Management Systems
➢ [2] E. Meinders, A. V. Mijritskii, L. van Pieterson and M. Wuttig: Phase -Change
Optical Recording Media. 2006 ISBN 1 -4020 -4216 -7
➢ [3] Friedrich J. Kirk 2011 – ENERGY MANAGEMENT IN ELECTRIC VEHICLE
ENGINEERING
➢ [4] G. Spekowius and T. Wendler (eds): Advances in Healthcare Technol ogy.Shaping
the Future of Medical Care. 2006 ISBN 1 -4020 -4383 -X
➢ [5] H.J Bergveld, V. Pop, P.H.L. Notten, Apparatus and method for determination of the
state -of-charge of a battery when the battery is not in equilibrium,Patent
PH006795EP1,filed October 30 (2006)
➢ [6] H.J. Bergveld, W.S. Krujit and P.H.L. Notten: Battery Management Systems.2002
ISBN 1 -4020 -0832 -5
➢ [7] H.J Bergveld, V. Pop, P.H.L. Notten, Method of estimating the state -of-charge and of
the use time left of a rechargeable battery,and appartus for executing such a method,
Patent WO2005085889, field 23 February (2005)
➢ [8] J.H.D.M. Westerink, M. Ouwerkerk, Th. Overbeek, F. Pasveer, and B. de Ruyter
(Eds.):Probing Experience: from Academic Research to Commercial Propositions. 2008
ISBN 978 -1-4020 -6592 -7
➢ [9] P. van der Stok (ed.): Dynamic and Robust streaming in and between Connected
Consumer -Electronic Devices. 2005 ISBN 1 -4020 -3453 -9
➢ [10] S. Mukherje e, E. Aarts, R. Roovers, F. Widderhoven and M. Ouwerkerk
(eds.):AmIware. Hardware Technology Drivers of Ambient Intelligence. 2006
ISBN 1 -4020 -4197 -7
➢ [11] Valer Pop, Hank Jan Bergveld, Dmitry Danilov, Paul P.L Regtien and Peter H.L.
Notten: Battery Management Systems – Acurate State -of-Charge Indication f or battery –
Powered Applications ISBN 978 -1 -4020 -6944 -4

53
➢ [12] W. Verhaeg, E. Aarts and J. Korst (eds.): Algorithms in Ambient Intelligence.2004
ISBN 1 -4020 -1757 -X
➢ [13] W.F.J. Verhaegh, E. Aarts and J. Korst (eds.): Intelligent Algorithms in Ambient
and Biomedical Computing. 2006 ISBN 1 -4020 -4953 -8

54
6 REFERINȚE WEB
➢ [14] https://ro.wikipedia.org/wiki/Acumulator_Li -ion
➢ [15] https://en.wikipedia.org/wiki/Battery_management_system
➢ [16] https://en.wikipedia.org/wiki/Lithium -ion_battery#Uses
➢ [17] http://www.devigeto.ro/bateriiindustriale.html
➢ [18] http://www.tme.eu/ro/katalog/#search=acumulatori li -ion&cleanParameters=1
➢ [19]https://books.google.ro/books?id=o –
QpFOR0PTcC&printsec=frontco ver&hl=ro&source=gbs_ge_summary_r&cad=0#v=on
epage&q&f=false
➢ http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet -pdf/view/3064/MOTOROLA/LM339.html
➢ http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet -pdf/view/75121/MICRO –
ELECTRONICS/2N2222.html
➢ http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet -pdf/view/14648/PANJIT/BA159.html
➢ http://www.datasheetspdf.com/datasheet/HHC66A.html

55
C. CD / DVD