Corrente de Circulação em Strings de Baterias em Paralelo: Por que Acontece e como a Arquitetura do BMS a Previne | JKESS

O cenário de expansão que dá errado

Considere uma expansão comercial e industrial (C&I) ilustrativa: uma fábrica instala um sistema de baterias de 128 kWh em 2024 e precisa de 256 kWh em 2026 à medida que sua carga aumenta. A equipe de aquisições propõe comprar outro sistema idêntico e conectá-lo em paralelo. Três meses depois, a equipe de operações observa desequilíbrio contínuo de corrente e uma redução mais rápida do SOC relatada em uma das strings. Os números de modelo coincidem, mas as baterias já não possuem a mesma história operacional.

A corrente circulante é uma possível explicação, juntamente com partilha desigual de carga, diferenças de temperatura, resistência nas conexões, erro de sensor ou falhas nas células. Strings novas e envelhecidas podem apresentar capacidades e resistências internas diferentes, de modo que suas trajetórias de tensão interna e SOC divergem durante a operação, mesmo que suas leituras iniciais de SOC sejam iguais. Uma tensão de fonte mais elevada pode, então, impulsionar corrente para a outra string. Verifique as correntes de ramo com sinal e os dados das células antes de diagnosticar a causa.

A transferência interna não controlada gera perdas resistivas e aumento adicional na capacidade de ciclo da bateria. Pode aumentar a tensão térmica e cíclica, levar ao alcance dos limites de tensão das células e acionar a proteção do BMS; correntes suficientemente elevadas podem ativar um fusível ou disjuntor. Alguns problemas surgem no instante da conexão, enquanto outros tornam-se mais evidentes após semanas de dados operacionais. Este guia explica a física envolvida, três contramedidas de engenharia e o papel do hardware mestre e escravo da JKESS num projeto de ligação em paralelo projetado.

A física: por que a corrente circulante ocorre

A corrente circulante, por si só, não comprova qualidade inadequada da bateria. Ela decorre das leis dos circuitos quando fontes em paralelo apresentam tensões internas distintas. Uma estimativa inicial útil para duas strings sem carga externa é:

I_circulating = ΔV / R_loop

Uma vez conectadas, as strings compartilham uma tensão de barramento comum, exceto pelas quedas de tensão nas interconexões. A diferença motriz está entre suas fontes equivalentes, não entre duas tensões diferentes no mesmo nó de barramento ideal. Sob carga externa, a corrente em cada ramo inclui tanto o compartilhamento de carga quanto o efeito da diferença de tensão. Essa estimativa resistiva não modela transientes de conexão, indutância ou relaxamento eletroquímico.

2V ÷ 0.05Ω = 40A

P_loss = I² × R_loop       = 40² × 0.05 = 80W

Referência técnica: Weng et al., pesquisa sobre desequilíbrio de corrente em baterias conectadas em paralelo não idênticas , desenvolve um modelo de circuito equivalente e analisa como as diferenças de capacidade e resistência afetam a corrente, o SOC (State of Charge) e o envelhecimento. O exemplo numérico acima é um cálculo ilustrativo de circuito, não um resultado de teste de produto.

Proteção paralela sem proteção versus proteção independente por string

A proteção por ramo independente facilita a detecção e a isolação de falhas. Deve ser combinada com sensores específicos por string e com uma resposta de controle coordenada; dispositivos de proteção isolados não eliminam a corrente circulante.

Se uma string for desconectada, as strings restantes podem receber mais corrente. O EMS/PCS deve reduzir a potência ou interromper a operação, quando necessário, para evitar uma paralisação em cascata. A proteção independente não autoriza manutenção com equipamento energizado.

As 3 Contramedidas de Engenharia

1. Equipar cada string com disjuntores e fusíveis independentes

   O objetivo da proteção de ramais é o isolamento seletivo de falhas. Especifique um disjuntor e um fusível classificados para corrente contínua (CC) para cada string, juntamente com contactores controlados pelo BMS ou um mecanismo automático de desligamento adequado. Uma corrente circulante moderada pode permanecer abaixo do limiar de disparo por sobrecorrente; portanto, um fusível não substitui o isolamento controlado.

   Prioridades de seleção: coordene a classificação de corrente contínua, as curvas tempo-corrente, a classificação de tensão CC, a corrente de falha disponível, a capacidade de interrupção, a proteção dos condutores e os picos operacionais permitidos. Avalie as contribuições de falha de todas as strings conectadas. A interrupção seletiva e a operação contínua devem ser verificadas ao nível do sistema.

   Local de instalação: utilize o diagrama unifilar aprovado e o arranjo de aterramento para determinar quais condutores necessitam proteção e isolamento. Não existe uma regra universal segundo a qual o disjuntor deve estar no condutor positivo e o fusível no condutor negativo. Confirme a sequência de pré-carga e conexão para o equipamento fornecido; um circuito de pré-carga de ligação em corrente contínua (DC-link) não é automaticamente dimensionado para equalizar conjuntos de baterias com tensões desiguais.

2. Monitore cada conjunto durante a carga, descarga e modo de espera

   Instale um canal independente de detecção de corrente bidirecional em cada conjunto em paralelo e mantenha seu sinal. Um sistema com apenas um sensor de corrente total não consegue identificar a transferência interna oculta pela soma das correntes. Por exemplo, com corrente de descarga positiva, +40 A em um conjunto e −40 A em outro resultam aproximadamente em 0 A na conexão externa.

   Registar dados atuais com tensões das células, tensão da string, temperatura, SOC, estado dos contactores e modo de operação. Configurar limiares e atrasos temporais com base na precisão dos sensores, na partilha esperada de carga, nas classificações das strings e na estratégia de controlo aprovada. Responder com alarmes, inibição de ligação, limites de potência ou isolamento conforme adequado; definir a potência externa como zero pode não interromper a corrente interna.

   Numa comparação entre duas strings com correntes na mesma direção e acima do limite inferior de medição, uma métrica descritiva de desequilíbrio é:

   Current imbalance (%) =100 × |I1 − I2| / max(|I1|, |I2|)

   Perto do modo de espera, utilizar amperes com sinal e limiares absolutos. Percentagens tornam-se instáveis perto de zero. Direções opostas de corrente exigem avaliação separada, e strings de capacidades diferentes podem, legitimamente, conduzir correntes distintas; comparar cada ramo com a sua atribuição e limites esperados.

3. Utilizar supervisão ao nível mestre para limitar a disparidade de SOC e tensão

   A incompatibilidade de SOC é um dos fatores que contribuem para a corrente circulante, mas a resposta de tensão também depende da resistência, da temperatura, do estado da célula e das operações recentes. Os mestres de string e o supervisor do sistema devem trocar medições e limites validados por meio do protocolo CAN/RS485 aprovado e, em seguida, aplicar os critérios de correspondência de tensão e de SOC antes de conectar um ramo.

   Durante a operação, o controle supervisionado pode analisar desvios, reduzir a potência do sistema, impedir a reconexão ou isolar um ramo inadequado. Um desvio de 5 pontos percentuais no SOC pode servir apenas como gatilho ilustrativo para análise, desde que aceito para o projeto; não constitui um limiar universal de conexão. Em um barramento CC diretamente em paralelo, o software do BMS não consegue definir independentemente a corrente contínua de cada string sem hardware de potência adequado, como uma etapa DC/DC específica por string.

   O JKESS descreve a gestão em cadeia de 4 a 16 caixas escravas por mestre. Combine o hardware apropriado de gestão de módulos com um canal definido de proteção e deteção para cada string em paralelo, e confirme as funções supervisoras entre strings para o firmware e o projeto do sistema selecionados. O equilíbrio ativo ao nível da célula apoia a consistência dentro dos módulos; não substitui o controlo de corrente entre strings.

Referência de arquitetura: Nota de aplicação para strings em paralelo: considerações sobre proteção e topologia (PDF) esta referência técnica externa aborda a monitorização independente de strings, o isolamento automático e os compromissos topológicos; não constitui uma prova de funcionalidade ou afirmação de compatibilidade de um produto JKESS.

Como a arquitetura HV BESS do JKESS gere strings em paralelo

Uma caixa mestre, BMUs escravos e um controlador de nível de sistema desempenham funções distintas. A plataforma mestre-escravo JKESS fornece blocos construtores para medição de módulos, comunicação e proteção. Um projeto com strings em paralelo também deve definir a detecção, isolamento e controle supervisor de cada string completa.

A configuração é fundamental. A página principal do produto publica duas faixas de número de células em série, portanto este guia não as considera intercambiáveis. A capacidade energética é determinada pelas células selecionadas e pela configuração elétrica, não apenas pela quantidade de caixas. Assegure que a especificação de compra corresponda exatamente ao hardware, ao firmware e ao desenho do sistema aprovado.

Lista de Verificação Pré-Expansão: 8 Itens Antes de Conectar em Paralelo uma Nova String

1. Verifique a compatibilidade elétrica. Confirme a química aprovada idêntica e a contagem de células em série, as janelas de tensão compatíveis e a polaridade correta. Meça as Tensões em Circuito Aberto (OCV) das strings em repouso e utilize o limite de conexão aprovado pelo fabricante; ≤2 V não é universalmente seguro num circuito de baixa resistência.
2. Revise as células e seu estado. Compare modelo, registros de lote, capacidade, resistência interna, idade, estado de saúde (SOH) e dispersão de tensão entre células. Uma etiqueta de produto correspondente ou uma leitura inicial de SOC não garante compatibilidade.
3. Confirme a proteção independente por ramo. Verifique o disjuntor, o fusível, o caminho controlado de isolamento, a coordenação de corrente de falha e o arranjo aprovado de pré-carga/conexão para cada string.
4. Valide a detecção de corrente. Confirme a detecção bidirecional independente para cada string, incluindo polaridade do sensor, desvio zero, precisão, registro de dados e capacidade de medição em modo de espera.
5. Verifique a estratégia de supervisão. Confirmar os limites de aceitação de SOC e tensão, permissões de conexão, limites de corrente, respostas à perda de comunicação e redução de potência após a desconexão de um string.
6. Verificar as condições térmicas. Comparar as temperaturas das células e do ambiente e inspecionar o desempenho do fluxo de ar ou do sistema de refrigeração líquida. Uma diferença de temperatura ≤ 3 °C pode ser um objetivo do projeto, não um limiar universal de aprovação/reprovação; utilizar os critérios térmicos aprovados.
7. Executar as verificações de isolamento especificadas. Pessoal qualificado deve utilizar o procedimento de isolamento aprovado para o equipamento, a tensão de ensaio e a resistência de aceitação. Um critério tal como ≥ 1 MΩ a 1.000 VCC aplica-se apenas quando explicitamente especificado; não aplicar um ensaio de isolamento de alta tensão em eletrônicos conectados, a menos que o procedimento o permita.
8. Planejar a colocação em operação e o monitoramento subsequente. Definir alarmes antes da conexão, verificar a sequência aprovada de energização e registrar a corrente do ramo, o SOC, as tensões das células e as temperaturas durante um período inicial de observação de 72 horas. Continuar o monitoramento de tendências após esse período.

5 erros comuns ao conectar baterias em paralelo

1. 1. Conectar diretamente em paralelo strings com SOCs diferentes

   Uma string nova totalmente carregada e uma string existente com 80% de SOC podem trocar uma corrente substancial no momento da conexão. Igualar a tensão e o SOC mediante o procedimento aprovado e verificar também os limites das células, além da tensão do pacote. Não utilizar o contactor principal para equalizar uma discrepância não aprovada.

2. 2. Proteger todo o grupo com apenas um disjuntor

   Um disjuntor compartilhado não permite a isolação seletiva de cada ramo. Especificar disjuntores e fusíveis coordenados por string, além de um mecanismo controlado de desconexão. Correntes internas moderadas podem nunca atingir o limiar de operação de um fusível.

3. 3. Monitorar apenas a corrente total da bateria

   O total pode parecer normal, enquanto uma string descarrega na outra. Forneça medições bidirecionais por string e examine a direção da corrente, sua magnitude absoluta e a distribuição esperada de carga em todos os modos de operação.

4. 4. Ignorar as diferenças de temperatura

   O resfriamento desigual altera a resistência, a capacidade disponível e o comportamento do SOC. Inspecione as temperaturas medidas das células e as tendências térmicas, não apenas a temperatura ambiente. Mantenha a instalação dentro dos limites aprovados de uniformidade térmica; 3 °C não é uma regra universal de aceitação.

5. 5. Pular a análise inicial de tendências nas primeiras 72 horas

   Um breve teste de inicialização pode deixar de detectar comportamentos que surgem em um SOC, carga ou temperatura diferentes. Revise as correntes assinadas nos ramos e os alarmes associados durante um período inicial de observação de 72 horas, seguido de monitoramento contínuo de longo prazo. Nem a primeira conexão nem 72 horas sem alarmes comprovam compatibilidade ao longo da vida útil.

Perguntas frequentes