Batteria di accumulo dell'energia

Che cos'è un sistema di gestione delle batterie (BMS)?

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Il sistema di gestione delle batterie (BMS) è una tecnologia dedicata alla supervisione di un pacco batterie, che è un insieme di celle di batteria, organizzate elettricamente in una configurazione a matrice riga x colonna per consentire l'erogazione di una gamma mirata di tensione e corrente per una durata di tempo a fronte di scenari di carico previsti.

Che cos'è un sistema di gestione delle batterie?

Il BMS è una tecnologia sviluppata per prevedere lo stato di carica (SOC) e lo stato di salute (SOH) della batteria. Il SOC è l'energia disponibile che può essere convertita in lavoro in quel momento specifico. SOH è un fattore che indica il ciclo di vita e la durata della batteria.

Quando è richiesta un'alta tensione, non si può fare affidamento su una singola cella per generarla. Solo un collegamento in serie o in parallelo di celle può soddisfare i requisiti. Molte celle disposte insieme costituiscono un modulo, mentre più moduli e un sistema di gestione della batteria formano un pacco batteria. Ad esempio, il pacco batteria di una Tesla Model S Plaid è composto da 7.920 celle agli ioni di litio installate in cinque moduli e ha una capacità di 99 kWh.

1. Stato di carica (SOC)

Un sistema BMS efficace tiene traccia dello stato di carica e scarica delle singole batterie e distribuisce la corrente di conseguenza. Assicura che nessuna cella venga sovraccaricata o scaricata al di sotto del suo limite inferiore e la fa funzionare all'interno dell'area operativa sicura (SOA). Assicura che il limite di tensione non venga mai superato.

Il BMS esegue alcuni calcoli fondamentali per stimare i limiti di corrente di carica e scarica della cella. Calcola il tempo di funzionamento, l'energia scaricata nel ciclo precedente e il numero totale di cicli di carica e scarica. Con l'aiuto di questi calcoli, prevede il SOC, che è come un indicatore del carburante dei veicoli elettrici.

2. Stato di salute (SOH)

Tutte le batterie ricaricabili possono essere sottoposte solo a un numero finito di cicli di carica e scarica, chiamato durata del ciclo. La durata del ciclo può essere ottimizzata monitorando efficacemente la carica della batteria durante la carica e la scarica. In condizioni di manutenzione adeguate, una batteria può durare a lungo.

3. Gestione termica

La gestione termica è la funzione più importante svolta dal Battery Management System. Controlla sempre la temperatura e raffredda la batteria quando necessario. Il raffreddamento delle batterie è fondamentale non solo per evitare la fuga termica, ma anche per ottimizzare l'efficienza. I sistemi di gestione termica sono progettati tenendo conto delle dimensioni della batteria, del valore della tensione di picco, del costo e della posizione geografica. Ogni batteria ha una temperatura operativa specifica alla quale può funzionare con la massima efficienza. Un aumento della temperatura della batteria può ridurne l'efficienza fino a 50%.

Un pacco batteria può utilizzare un refrigerante ad aria o liquido per mantenersi all'interno dell'intervallo di temperatura consentito. L'efficienza del refrigerante ad aria è relativamente inferiore a quella del refrigerante liquido. I sistemi di raffreddamento ad aria sono spesso passivi e necessitano di componenti aggiuntivi come un filtro dell'aria e una ventola, che aumentano il peso del sistema. Il refrigerante liquido ha un potenziale di raffreddamento più elevato e le batterie sono immerse nel liquido.

Il sistema di gestione della batteria controlla tutti questi parametri attraverso un monitoraggio efficace. Raccoglie tutti i dati relativi alla temperatura della batteria, al flusso di corrente in entrata e in uscita dalla cella, al flusso di refrigerante, alla velocità del veicolo e allo stato di alimentazione. Quando la batteria si riscalda, segnala all'unità di pompaggio di erogare più liquido refrigerante. Allo stesso modo, ogni volta che il requisito di tensione aumenta, invia richieste di riduzione dei limiti di corrente. In questo modo, il sistema di gestione della batteria contribuisce a garantirne la sicurezza e la durata.

Qual è la funzione di un sistema di gestione delle batterie?

La funzione principale del BMS è quella di proteggere le celle della batteria dai danni causati dalla sovraccarica o dalla sovrascarica. Inoltre, il BMS calcola la carica residua, monitora la temperatura della batteria, controlla la salute e la sicurezza della batteria verificando la presenza di connessioni allentate e di cortocircuiti interni. Il BMS bilancia anche la carica tra le celle per mantenere il funzionamento di ciascuna di esse alla massima capacità.

Se rileva condizioni non sicure, il BMS spegne la batteria per proteggere le celle agli ioni di litio e l'utente.

Perché i sistemi di gestione delle batterie (BMS) sono necessari e come funzionano?

I sistemi di gestione delle batterie (BMS) sono circuiti di controllo elettronici che monitorano e regolano la carica e la scarica delle batterie. Le caratteristiche della batteria da monitorare includono il rilevamento del tipo di batteria, delle tensioni, della temperatura, della capacità, dello stato di carica, del consumo energetico, del tempo di funzionamento rimanente, dei cicli di carica e di altre caratteristiche ancora.

Perché un BMS è importante

I sistemi di gestione delle batterie sono fondamentali per proteggerne la salute e la longevità, ma ancora più importanti dal punto di vista della sicurezza. L'elettrolita liquido delle batterie agli ioni di litio è altamente infiammabile.

Pertanto, queste batterie devono funzionare sempre in modo ottimale ed entro i limiti di sicurezza per evitare un incendio.

Protezioni offerte da un sistema di gestione delle batterie

Esaminiamo le protezioni di un sistema di gestione della batteria:

Sotto e sovratensione

I danni si verificano quando si sovraccarica (la tensione della cella diventa troppo alta) o si scarica (la tensione della cella diventa troppo bassa) una cella della batteria agli ioni di litio. Il BMS aiuta a proteggere la batteria da situazioni di sotto e sovratensione, in modo da evitare danni alle celle della batteria.

Estremi di temperatura

La sicurezza e la stabilità delle celle delle batterie agli ioni di litio dipendono dal mantenimento della temperatura entro certi limiti. Se la temperatura supera il livello critico su una delle due estremità, può verificarsi una fuga termica. Di conseguenza, può verificarsi un incendio inestinguibile.

Il BMS monitora la temperatura e talvolta controlla le ventole di raffreddamento (nel caso di un veicolo elettrico) per contribuire a mantenere le condizioni corrette. Se necessario, può anche spegnere le celle per proteggere la batteria.

Protezione dai pantaloncini

Anche i cortocircuiti interni ed esterni possono portare a una fuga termica. Per questo motivo, la protezione dai cortocircuiti è un altro componente critico di un sistema di gestione delle batterie.

Tipi di sistemi di gestione delle batterie

I sistemi di gestione delle batterie variano da semplici a complessi e possono abbracciare un'ampia gamma di tecnologie diverse per raggiungere il loro obiettivo primario di "prendersi cura della batteria". Tuttavia, questi sistemi possono essere classificati in base alla loro topologia, che si riferisce al modo in cui sono installati e operano sulle celle o sui moduli del pacco batterie.

Architettura BMS centralizzata

Ha un BMS centrale nel gruppo di batterie. Tutti i pacchi batteria sono collegati direttamente al BMS centrale. La struttura di un BMS centralizzato è illustrata nella Figura 6. Il BMS centralizzato presenta alcuni vantaggi. È più compatto e tende a essere il più economico, dato che c'è un solo BMS. Tuttavia, il BMS centralizzato presenta degli svantaggi. Poiché tutte le batterie sono collegate direttamente al BMS, quest'ultimo ha bisogno di molte porte per collegarsi a tutti i pacchetti di batterie. Ciò si traduce in un gran numero di fili, cablaggi, connettori, ecc. nei pacchi batterie di grandi dimensioni, che complicano la risoluzione dei problemi e la manutenzione.

Topologia BMS modulare

Analogamente a un'implementazione centralizzata, il BMS è suddiviso in diversi moduli duplicati, ciascuno con un fascio di cavi dedicato e connessioni a una porzione adiacente assegnata di uno stack di batterie. Si veda la Figura 7. In alcuni casi, questi sottomoduli BMS possono risiedere sotto la supervisione di un modulo BMS primario, la cui funzione è monitorare lo stato dei sottomoduli e comunicare con le apparecchiature periferiche. Grazie alla modularità duplicata, la risoluzione dei problemi e la manutenzione sono più semplici e l'estensione a pacchi batteria più grandi è immediata. Il rovescio della medaglia è che i costi complessivi sono leggermente più alti e che, a seconda dell'applicazione, potrebbero esserci funzionalità inutilizzate e duplicate.

BMS primario/subordinato

Concettualmente simile alla topologia modulare, in questo caso però gli slave si limitano a trasmettere le informazioni di misura, mentre il master è dedicato al calcolo e al controllo, oltre che alla comunicazione esterna. Quindi, pur essendo simili ai tipi modulari, i costi possono essere inferiori poiché la funzionalità degli slave tende a essere più semplice, con probabilmente meno spese generali e meno funzioni inutilizzate.

Architettura BMS distribuita

È notevolmente diverso dalle altre topologie, in cui l'hardware e il software elettronici sono incapsulati in moduli che si interfacciano alle celle tramite fasci di cavi collegati. Un BMS distribuito incorpora tutto l'hardware elettronico su una scheda di controllo collocata direttamente sulla cella o sul modulo da monitorare. In questo modo, la maggior parte del cablaggio si riduce a pochi fili di sensori e a fili di comunicazione tra moduli BMS adiacenti. Di conseguenza, ogni BMS è più autonomo e gestisce i calcoli e le comunicazioni come richiesto. Tuttavia, nonostante l'apparente semplicità, questa forma integrata rende potenzialmente problematica la risoluzione dei problemi e la manutenzione, poiché risiede in profondità all'interno di un gruppo di moduli schermati. Anche i costi tendono a essere più elevati, dato il maggior numero di BMS nella struttura complessiva del pacco batterie.

I vantaggi dei sistemi di gestione delle batterie

Un intero sistema di accumulo di energia a batteria, spesso indicati come BESS, possono essere costituiti da decine, centinaia o addirittura migliaia di celle agli ioni di litio impacchettate strategicamente, a seconda dell'applicazione. Questi sistemi possono avere una tensione nominale inferiore a 100 V, ma anche di 800 V, con correnti di alimentazione del pacco di 300 A o più. Qualsiasi gestione errata di un pacco ad alta tensione potrebbe provocare un disastro catastrofico e potenzialmente letale. Di conseguenza, i BMS sono assolutamente fondamentali per garantire un funzionamento sicuro. I vantaggi dei BMS possono essere riassunti come segue.

Sicurezza funzionale. Nel caso delle batterie agli ioni di litio di grande formato, si tratta di una misura particolarmente prudente ed essenziale. Ma anche i formati più piccoli, utilizzati ad esempio nei computer portatili, sono noti per prendere fuoco e causare danni enormi. La sicurezza personale degli utenti di prodotti che incorporano sistemi alimentati agli ioni di litio lascia poco spazio agli errori di gestione delle batterie.

Durata e affidabilità. La gestione della protezione del pacco batterie, elettrica e termica, assicura che tutte le celle siano utilizzate entro i requisiti SOA dichiarati. Questa delicata supervisione assicura che le celle siano protette da un uso aggressivo e da cicli di carica e scarica rapidi, e inevitabilmente si traduce in un sistema stabile che potenzialmente fornirà molti anni di servizio affidabile.

Prestazioni e autonomia. La gestione della capacità del pacco batteria tramite BMS, che prevede il bilanciamento tra le celle per equalizzare il SOC delle celle adiacenti in tutto il pacco, consente di ottenere la capacità ottimale della batteria. Senza questa funzione BMS, che tiene conto delle variazioni di autoscarica, dei cicli di carica/scarica, degli effetti della temperatura e dell'invecchiamento generale, un pacco batteria potrebbe diventare inutilizzabile.

Diagnostica, Raccolta dati e comunicazione esterna. Le attività di supervisione comprendono il monitoraggio continuo di tutte le celle della batteria, dove la registrazione dei dati può essere utilizzata da sola per la diagnostica, ma è spesso destinata al calcolo per stimare il SOC di tutte le celle del gruppo. Queste informazioni vengono sfruttate per gli algoritmi di bilanciamento, ma possono essere trasmesse collettivamente a dispositivi e display esterni per indicare l'energia residente disponibile, stimare l'autonomia prevista o l'autonomia/durata di vita in base all'utilizzo corrente e fornire lo stato di salute del pacco batteria.

Riduzione dei costi e della garanzia. L'introduzione di un BMS in un BESS comporta costi aggiuntivi e i pacchi batterie sono costosi e potenzialmente pericolosi. Più complicato è il sistema, più elevati sono i requisiti di sicurezza, con la conseguente necessità di una maggiore presenza del BMS. Ma la protezione e la manutenzione preventiva di un BMS per quanto riguarda la sicurezza funzionale, la durata di vita e l'affidabilità, le prestazioni e l'autonomia, la diagnostica, ecc. garantiscono una riduzione dei costi complessivi, compresi quelli relativi alla garanzia.

Compiti dei sistemi intelligenti di gestione delle batterie (BMS)

Il compito dei sistemi di gestione delle batterie è quello di garantire l'uso ottimale dell'energia residua presente in una batteria. Per evitare di sovraccaricare le batterie, i sistemi BMS le proteggono dalla scarica profonda e dalla sovratensione, che sono il risultato di una carica estremamente rapida e di una corrente di scarica estremamente elevata. Nel caso di batterie multicella, il sistema di gestione delle batterie fornisce anche una funzione di bilanciamento delle celle, per gestire che le diverse celle della batteria abbiano gli stessi requisiti di carica e scarica.

Domande frequenti

Quali sono i diversi tipi di sistemi di gestione delle batterie?

Esistono due tipi principali di BMS. Il primo è un BMS centralizzato, che utilizza un'unità di controllo per gestire tutte le celle della batteria del sistema. Il secondo tipo di BMS è un BMS distribuito, che utilizza più unità di controllo per gestire le celle della batteria nel sistema.

Tutte le batterie LiFePO4 sono dotate di BMS?

Il BMS, Battery Management System, è un componente obbligatorio per le batterie LiFePO4.

Qual è la tensione massima per il BMS LiFePO4?

Nel caso della chimica LiFePO4, il massimo assoluto è 4,2 V per cella, anche se si consiglia di caricare a 3,5-3,6 V per cella; la capacità aggiuntiva tra 3,5 V e 4,2 V è inferiore a 1%. La sovraccarica provoca il riscaldamento delle celle e una sovraccarica prolungata o estrema può potenzialmente causare un incendio.

Qual è il ruolo del BMS nella carica delle batterie?

Il compito dei sistemi di gestione delle batterie è quello di garantire l'uso ottimale dell'energia residua presente in una batteria. Per evitare di sovraccaricare le batterie, i sistemi BMS le proteggono dalla scarica profonda e dalla sovratensione, che sono il risultato di una carica estremamente rapida e di una corrente di scarica estremamente elevata.

La mia batteria ha bisogno di un BMS?

I sistemi di gestione delle batterie (BMS) sono fondamentali per il funzionamento sicuro e affidabile dei sistemi di accumulo di energia a batteria. Uno dei vantaggi più significativi di un BMS è che garantisce la sicurezza funzionale, in particolare per i pacchi di batterie agli ioni di litio di grande formato.

In che modo il BMS protegge la batteria?

Un BMS può proteggere la batteria impedendole di funzionare al di fuori della sua area di sicurezza, ad esempio: sovraccarico. Sovrascarica. Sovracorrente durante la carica.

Il BMS limita la tensione?

Questo valore è la tensione massima della cella che il BMS utilizza per limitare la tensione delle singole celle. Può essere utile per comunicare con i caricabatterie o le stazioni di ricarica che si aspettano un valore di tensione massima delle celle fino al quale sono in grado di caricare.

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