Il Battery Management System (BMS) è una tecnologia appositamente progettata per supervisionare i pacchi batteria, che sono componenti delle celle della batteria organizzati elettricamente in una configurazione a matrice di righe e colonne per fornire un intervallo target di tensione e corrente per le condizioni di carico previste per un periodo di tempo .
La supervisione fornita dal BMS solitamente include:
- Monitoraggio della batteria
- Fornire protezione alla batteria
- Stimare lo stato di funzionamento della batteria
- Ottimizzazione continua delle prestazioni della batteria
- Segnala lo stato operativo ai dispositivi esterni
Qui il termine 'batteria' significa l'intero pacco batteria; Tuttavia, le funzioni di monitoraggio e controllo vengono applicate specificamente alle singole batterie o ai pacchi batteria indicati come moduli all'interno dell'intero gruppo del pacco batteria. Le batterie ricaricabili agli ioni di litio hanno la più alta densità di energia e sono la scelta standard per molte batterie di consumo, dai laptop ai veicoli elettrici. Sebbene funzionino bene, possono essere piuttosto spietati se utilizzati al di fuori della tipica area operativa protetta (SOA), con risultati che vanno dal danneggiamento delle prestazioni della batteria a conseguenze completamente pericolose. La descrizione del lavoro del BMS è senza dubbio impegnativa, poiché la sua complessità complessiva e la portata della supervisione possono coinvolgere molteplici discipline come quella elettrica, digitale, di controllo, termica e idraulica.
Come funziona il sistema di gestione della batteria?
Non esiste uno standard fisso o unico da adottare per i sistemi di gestione delle batterie. L'ambito della progettazione tecnica e le caratteristiche di implementazione sono solitamente correlati a quanto segue:
- Il costo, la complessità e le dimensioni dei pacchi batteria
- L'applicazione delle batterie e qualsiasi problema di sicurezza, durata e garanzia
- I requisiti di certificazione di varie normative governative, se non sono in atto misure di sicurezza funzionale, costi e sanzioni sono cruciali
Il BMS ha molte funzioni di progettazione e la gestione della protezione del pacco batteria e la gestione della capacità sono due funzioni di base. Discuteremo qui come funzionano queste due funzioni. Esistono due aree chiave nella gestione della protezione del pacco batteria: protezione elettrica, il che significa che le batterie non possono essere danneggiate se utilizzate al di fuori della SOA; Protezione termica, che prevede il controllo passivo e/o attivo della temperatura per mantenere o portare il pacco batteria in SOA.
Protezione gestione elettrica: corrente
Il monitoraggio della corrente del pacco batteria e della tensione della batteria o del modulo è un modo per ottenere la protezione elettrica. La SOA elettrica di qualsiasi cella della batteria è vincolata dalla corrente e dalla tensione. La Figura 1 mostra una tipica SOA di batteria agli ioni di litio, in cui un BMS ben progettato proteggerà il pacco batteria impedendogli di funzionare al di fuori della potenza nominale della batteria del produttore. In molti casi, è possibile applicare un ulteriore declassamento all'interno della zona di sicurezza SOA per prolungare la durata della batteria.
Le batterie agli ioni di litio hanno limiti di corrente di carica e di corrente di scarica diversi ed entrambe le modalità possono gestire correnti di picco più elevate, anche se il tempo è breve. I produttori di batterie in genere specificano i limiti massimi di corrente continua di carica e scarica, nonché i limiti di tensione di picco di carica e scarica. Il BMS che fornisce protezione corrente applicherà sicuramente la massima corrente continua. Tuttavia, prima di ciò è possibile prendere in considerazione cambiamenti improvvisi nelle condizioni di carico; Ad esempio, l’accelerazione improvvisa dei veicoli elettrici. Il BMS può combinare il monitoraggio della corrente di picco integrando la corrente e decidendo di ridurre la corrente disponibile o interrompere completamente la corrente di gruppo dopo il tempo Δ. Ciò consente al BMS di avere una sensibilità quasi istantanea ai picchi di corrente estremi, come situazioni di cortocircuito che non attirano l'attenzione del fusibile residente, ma può anche tollerare richieste di picco elevate purché non siano eccessive per troppo tempo.
Protezione gestione elettrica: tensione
La Figura 2 mostra che le batterie agli ioni di litio devono funzionare entro un determinato intervallo di tensione. Questi limiti SOA saranno in definitiva determinati dalle proprietà chimiche intrinseche della batteria agli ioni di litio selezionata e dalla temperatura della batteria in un dato momento. Inoltre, a causa della grande quantità di cicli di corrente, scarica dovuta alla domanda di carico e ricarica da varie fonti di energia a cui è sottoposto qualsiasi pacco batteria, queste limitazioni di tensione SOA sono spesso ulteriormente limitate per ottimizzare la durata della batteria. I BMS devono sapere quali sono queste limitazioni e prendere decisioni in base alla vicinanza di queste soglie. Ad esempio, quando ci si avvicina al limite di alta tensione, il BMS può richiedere una diminuzione graduale della corrente di carica oppure, se viene raggiunto il limite, può richiedere l'interruzione completa della corrente di carica. Tuttavia, questa limitazione è spesso accompagnata da ulteriori considerazioni sull'isteresi di tensione intrinseca per prevenire oscillazioni del controllo relative alla soglia di spegnimento. D'altra parte, quando ci si avvicina al limite di bassa tensione, il BMS richiederà carichi attivi critici non conformi per ridurre la loro richiesta di corrente. Nel caso dei veicoli elettrici, ciò può essere ottenuto riducendo la coppia consentita disponibile al motore di trazione. Naturalmente, il BMS deve dare priorità alla sicurezza del conducente e proteggere la batteria da danni permanenti.
Protezione della gestione termica: Temperatura
In superficie, le batterie agli ioni di litio hanno un ampio intervallo di temperature operative, ma a causa della velocità di reazione chimica notevolmente più lenta, la capacità complessiva della batteria diminuisce alle basse temperature. In termini di capacità alle basse temperature, le loro prestazioni sono infatti molto migliori rispetto alle batterie al piombo o NiMh; Tuttavia, la gestione della temperatura è fondamentale poiché la ricarica al di sotto di 0 gradi C (32 gradi F) è fisicamente problematica. Durante la carica sotto congelamento, sull'anodo potrebbe verificarsi il fenomeno della galvanizzazione del litio metallico. Si tratta di un danno permanente che non solo porta ad una diminuzione della capacità, ma aumenta anche la probabilità di guasto della batteria se sottoposta a vibrazioni o altre condizioni di stress. Il BMS può controllare la temperatura del pacco batteria attraverso il riscaldamento e il raffreddamento.
L'implementazione della gestione termica dipende interamente dalle dimensioni e dal costo del pacco batteria, dagli obiettivi prestazionali, dagli standard di progettazione BMS e dalle unità di prodotto, che possono includere considerazioni sull'area geografica di destinazione. Indipendentemente dal tipo di riscaldatore, solitamente è più efficiente estrarre energia da una fonte di alimentazione CA esterna o da batterie residenti alternative utilizzate per far funzionare il riscaldatore quando necessario. Tuttavia, se il riscaldatore elettrico ha un consumo di corrente moderato, l'energia della batteria principale può essere utilizzata per riscaldarsi. Se si utilizza un sistema idraulico caldo, viene utilizzato un riscaldatore elettrico per riscaldare il liquido di raffreddamento pompato e distribuito nell'intero componente.
Indubbiamente, gli ingegneri progettisti BMS hanno alcune competenze nel settore della progettazione per trasferire l’energia termica nei pacchi batteria. Ad esempio, è possibile accendere vari dispositivi elettronici di potenza dedicati alla gestione della capacità all'interno del BMS. Sebbene non sia efficiente quanto il riscaldamento diretto, può comunque essere utilizzato in ogni caso. Il raffreddamento è particolarmente importante per ridurre al minimo la perdita di prestazioni dei pacchi batteria agli ioni di litio. Ad esempio, forse una determinata batteria funziona meglio a 20 gradi C; Se la temperatura dell'imballaggio viene aumentata a 30 gradi C, la sua efficienza prestazionale potrebbe diminuire del 20%. Se la batteria viene continuamente caricata e ricaricata a una temperatura di 45 gradi C (113 gradi F), la perdita di prestazioni potrebbe raggiungere il 50%. Se esposta continuamente ad ambienti surriscaldati, soprattutto durante cicli rapidi di carica e scarica, la durata della batteria potrebbe anche invecchiare e deteriorarsi prematuramente. Il raffreddamento viene solitamente ottenuto tramite due metodi, passivo o attivo, ed è possibile utilizzare entrambe le tecniche. Il raffreddamento passivo si basa sul movimento del flusso d'aria per raffreddare la batteria. Per quanto riguarda i veicoli elettrici, ciò significa che circolano solo su strada. Tuttavia, potrebbe essere più complesso di quanto sembri, poiché il sensore di velocità dell'aria può essere integrato insieme per regolare strategicamente e automaticamente la diga di deflessione dell'aria per massimizzare il flusso d'aria. L'implementazione di ventole attive con controllo della temperatura può essere utile a basse velocità o quando il veicolo è fermo, ma tutto ciò serve solo a mantenere il pacco batteria alla stessa temperatura dell'ambiente circostante. Se il clima è caldo, ciò potrebbe aumentare la temperatura iniziale dell'imballaggio. Il raffreddamento attivo idraulico a caldo può essere progettato come sistema supplementare, in genere utilizzando refrigerante a base di glicole etilenico con un rapporto di miscelazione specificato, circolante attraverso tubi/flessibili, collettori di distribuzione, scambiatori di calore a flusso incrociato (radiatori) e piastre di raffreddamento contro i componenti del pacco batteria utilizzando un sistema elettrico pompa. Il BMS monitora la temperatura dell'intero pacco batteria e apre e chiude varie valvole per mantenere la temperatura dell'intera batteria entro un intervallo ristretto per garantire prestazioni ottimali della batteria.
Gestione della capacità
Massimizzare la capacità del pacco batteria può essere considerata una delle caratteristiche prestazionali più importanti fornite dal BMS. Se questa manutenzione non viene eseguita, la batteria potrebbe diventare inutilizzabile. La radice del problema risiede nel fatto che lo "impilamento" dei pacchi batteria (array di batterie in serie) non è completamente uguale e presenta essenzialmente tassi di perdita o autoscarica leggermente diversi. Le perdite non sono un difetto del produttore, ma piuttosto le proprietà chimiche della batteria, sebbene possano essere influenzate statisticamente da piccole modifiche al processo di produzione. Inizialmente, i pacchi batteria possono avere batterie ben abbinate, ma col tempo la somiglianza tra le batterie diminuisce ulteriormente, non solo a causa dell'autoscarica ma anche influenzata dai cicli di carica/scarica, dall'aumento della temperatura e dall'invecchiamento generale del calendario. Tenendo questo in mente, ricordando la discussione precedente, le batterie agli ioni di litio funzionano bene, ma possono essere piuttosto spietate se utilizzate al di fuori della rigorosa SOA. Abbiamo già appreso in precedenza la protezione elettrica necessaria, poiché le batterie agli ioni di litio non sopportano bene il sovraccarico. Una volta completamente carichi, non possono accettare più corrente, qualsiasi energia aggiuntiva verrà convertita in calore e la tensione potrebbe aumentare rapidamente, raggiungendo potenzialmente livelli pericolosi. Questa non è una condizione salutare per le cellule e, se persiste, può causare danni permanenti e condizioni operative non sicure.
Il collegamento in serie degli array di batterie determina la tensione dell'intero pacco batterie e la mancata corrispondenza tra batterie adiacenti può causare difficoltà quando si tenta di caricare qualsiasi pacco batterie. La Figura 3 mostra il motivo per cui ciò accade. Se una persona ha un set di batterie completamente bilanciato, allora tutto va bene perché ciascuna batteria si caricherà in modo uguale e la corrente di carica può essere interrotta quando viene raggiunta la soglia superiore di tensione 4.0. Tuttavia, in una situazione sbilanciata, la batteria superiore raggiungerà il limite di carica prima del previsto e la corrente di carica della derivazione dovrà essere interrotta prima che le altre batterie inferiori vengano caricate alla piena capacità.
Per dimostrare il suo principio di funzionamento, è necessario spiegare una definizione chiave. Lo stato di carica (SOC) di una batteria o di un modulo in un dato momento è direttamente proporzionale alla potenza disponibile rispetto alla potenza totale quando è completamente carica. Pertanto, una batteria al 50% SOC significa che è stata caricata al 50%, simile al fattore di qualità di un misuratore di potenza. La gestione della capacità del BMS serve a bilanciare le modifiche del SOC di ciascuno stack nel pacco batteria. Poiché il SOC non è una quantità direttamente misurabile, può essere stimato attraverso varie tecniche e lo schema di bilanciamento stesso è solitamente diviso in due categorie: passivo e attivo. Esistono molte variazioni di temi, ognuna con i propri vantaggi e svantaggi. L'ingegnere progettista BMS decide quale è più adatto per un determinato pacco batteria e la sua applicazione. L’equilibrio passivo è il più semplice da raggiungere e può anche spiegare il concetto generale di equilibrio. I metodi passivi consentono a ciascuna batteria del pacco batteria di avere la stessa capacità di carica della batteria più debole. Utilizza una corrente relativamente bassa per trasferire una piccola quantità di energia dalle batterie ad alto SOC durante il ciclo di ricarica, in modo che tutte le batterie possano essere caricate al loro SOC massimo. La Figura 4 illustra come BMS raggiunge questo obiettivo. Monitora ciascuna batteria e utilizza interruttori a transistor e resistori di scarica di dimensioni adeguate in parallelo con ciascuna batteria. Quando il BMS rileva che una determinata batteria si sta avvicinando al limite di carica, guiderà la corrente in eccesso attorno ad essa in modo dall'alto verso il basso alla batteria successiva.
Gli endpoint del processo di bilanciamento prima e dopo sono mostrati nella Figura 5. In sintesi, il BMS consente alle batterie o ai moduli nel pacco batteria di vedere correnti di carica diverse dalla corrente del pacco batteria per bilanciare il pacco batteria attraverso uno dei seguenti metodi:
La rimozione della carica dalla batteria più carica fornisce spazio per ulteriore corrente di carica per evitare il sovraccarico e consente alle batterie meno cariche di ricevere più corrente di carica
Riposizionamento di parte o quasi tutta la corrente di carica attorno alla batteria più carica, consentendo alle batterie meno cariche di ricevere corrente di carica per un periodo di tempo più lungo
Tipi di sistemi di gestione delle batterie
Il sistema di gestione della batteria può adottare varie tecnologie, da semplici a complesse, per realizzare le sue istruzioni principali di "prendersi cura della batteria". Tuttavia questi sistemi possono essere classificati in base alla loro topologia, che è legata alla loro installazione e funzionamento sulle batterie o sui moduli dell'intero pacco batterie.
Architettura BMS centralizzata
Nel gruppo batteria è presente un BMS centrale. Tutti i pacchi batteria sono collegati direttamente al BMS centrale. La struttura del BMS centralizzato è mostrata nella Figura 6. Il BMS centralizzato presenta alcuni vantaggi. È più compatto e spesso il più economico perché è presente un solo BMS. Tuttavia, il BMS centralizzato presenta anche degli inconvenienti. Poiché tutte le batterie sono collegate direttamente al BMS, il BMS richiede molte porte per collegare tutti i pacchi batteria. Ciò significa che nei pacchi batteria di grandi dimensioni è presente un gran numero di fili, cavi, connettori, ecc., il che rende complessa la risoluzione dei problemi e la manutenzione.
Topologia BMS modulare
Similmente all'implementazione centralizzata, il BMS è suddiviso in diversi moduli ripetitivi, ciascuno con un fascio di cavi dedicato e collegato a parti designate adiacenti del pacco batteria. Vedere Figura 7. In alcuni casi, questi sottomoduli BMS possono essere sotto la supervisione del modulo BMS principale, la cui funzione è monitorare lo stato dei sottomoduli e comunicare con i dispositivi periferici. Grazie alla ripetuta modularizzazione, la risoluzione dei problemi e la manutenzione sono più semplici ed è anche facile espandersi a pacchi batteria più grandi. Lo svantaggio è che il costo complessivo è leggermente più elevato e potrebbero essere presenti funzionalità duplicate inutilizzate a seconda dell'applicazione.
BMS primario/secondario
Tuttavia, concettualmente simile alla topologia modulare, in questo caso i dispositivi slave sono più limitati alla sola trasmissione delle informazioni di misurazione, mentre i dispositivi master sono dedicati al calcolo e al controllo, nonché alla comunicazione esterna. Pertanto, sebbene simili ai tipi modulari, il costo potrebbe essere inferiore poiché la funzionalità del dispositivo è spesso più semplice, il sovraccarico potrebbe essere inferiore e potrebbero esserci meno funzionalità inutilizzate.
Architettura BMS distribuita
A differenza di altre topologie, in altre topologie l'hardware e il software elettronici sono incapsulati in moduli collegati alla batteria tramite cablaggi. Il BMS distribuito integra tutto l'hardware elettronico su una scheda di controllo posizionata direttamente sulla batteria o sul modulo monitorato. Ciò riduce il cablaggio esteso di alcuni cavi del sensore e dei cavi di comunicazione tra moduli BMS adiacenti. Pertanto, ciascun BMS è più indipendente e gestisce il calcolo e la comunicazione secondo necessità. Tuttavia, nonostante questa ovvia semplicità, questa forma integrata rende la risoluzione dei problemi e la manutenzione un potenziale problema poiché è situata in profondità all'interno dei componenti del modulo schermato. Il costo è spesso più elevato perché sono presenti più BMS nell’intera struttura del pacco batterie.
L'importanza del sistema di gestione della batteria
Nei BMS, la sicurezza funzionale è la più importante. È fondamentale evitare che la tensione, la corrente e la temperatura di qualsiasi batteria o modulo sotto supervisione e controllo superino i limiti SOA specificati durante le operazioni di carica e scarica. Se il limite viene superato per un certo periodo di tempo, non solo verranno influenzate le batterie potenzialmente costose, ma potrebbero anche verificarsi pericolose situazioni di fuga termica. Inoltre, per proteggere le batterie agli ioni di litio e garantire la sicurezza funzionale, è necessario anche un rigoroso monitoraggio dei limiti di soglia di tensione inferiori. Se le batterie agli ioni di litio vengono mantenute in questo stato di bassa tensione, i dendriti di rame potrebbero eventualmente crescere sull'anodo, il che potrebbe portare ad un aumento del tasso di autoscarica e potenziali problemi di sicurezza. Il costo dell’elevata densità energetica nei sistemi di alimentazione agli ioni di litio è che non c’è quasi spazio per errori di gestione della batteria. Grazie ai miglioramenti apportati ai BMS e alle batterie agli ioni di litio, questo è uno dei prodotti chimici per batterie di maggior successo e sicurezza oggi disponibili.
Le prestazioni del pacco batteria sono la seconda funzione più importante del BMS, che coinvolge la gestione elettrica e termica. Per ottimizzare elettricamente la capacità complessiva della batteria, tutte le batterie del pacco batteria devono essere bilanciate, il che significa che il SOC delle batterie adiacenti nell'intero componente è più o meno uguale. Questo è molto importante perché non solo raggiunge una capacità ottimale della batteria, ma aiuta anche a prevenire un degrado diffuso e a ridurre i potenziali punti caldi per il sovraccarico delle batterie scariche. Le batterie agli ioni di litio dovrebbero evitare di scaricarsi al di sotto del limite di bassa tensione, poiché ciò potrebbe causare effetti memoria e una significativa perdita di capacità. I processi elettrochimici sono altamente sensibili alla temperatura e le batterie non fanno eccezione. Quando la temperatura ambiente scende, la capacità e l'energia disponibile della batteria diminuiranno in modo significativo. Pertanto, BMS può collegare riscaldatori online esterni situati su sistemi di raffreddamento a liquido come i pacchi batteria dei veicoli elettrici o accendere piastre riscaldanti residenti installate sotto i moduli dei pacchi batteria negli elicotteri o altri velivoli. Inoltre, poiché la ricarica delle batterie agli ioni di litio a bassa temperatura non favorisce la durata della batteria, è importante innanzitutto aumentare completamente la temperatura della batteria. La maggior parte delle batterie agli ioni di litio non può essere caricata rapidamente al di sotto di 5 gradi C e non deve essere caricata affatto al di sotto di 0 grado C. Per ottenere prestazioni ottimali durante l'uso operativo tipico, la gestione termica BMS in genere garantisce che la batteria funzioni entro un'area operativa ristretta (ad esempio 30-35 grado C). Ciò può proteggere le prestazioni, prolungare la durata della vita e coltivare pacchi batteria sani e affidabili.
I vantaggi del sistema di gestione della batteria
Un sistema completo di accumulo dell’energia della batteria, comunemente noto come BESS, può essere assemblato strategicamente da dozzine, centinaia o addirittura migliaia di batterie agli ioni di litio, a seconda dell’applicazione. La tensione nominale di questi sistemi può essere inferiore a 100 V, ma può raggiungere fino a 800 V, con un intervallo di corrente di alimentazione del pacco batteria fino a 300 A o superiore. Qualsiasi cattiva gestione dei pacchi batteria ad alta tensione può portare a disastri catastrofici che mettono in pericolo vite umane. Pertanto, il BMS è fondamentale per garantire un funzionamento sicuro. I vantaggi del BMS possono essere riassunti come segue.
Sicurezza funzionale.Inutile dire che per le batterie agli ioni di litio di grandi dimensioni ciò è particolarmente prudente e necessario. Ma come è noto, anche i formati più piccoli utilizzati nei laptop possono prendere fuoco e causare danni significativi. La sicurezza personale degli utenti di prodotti contenenti sistemi di alimentazione agli ioni di litio lascia poco spazio a errori di gestione della batteria.
Durata e affidabilità.Gestione della protezione del pacco batterie, elettrica e termica, garantendo che tutte le batterie vengano utilizzate entro i requisiti SOA dichiarati. Questa supervisione accurata garantisce l'uso sicuro e cicli rapidi di carica e scarica della batteria e genera inevitabilmente un sistema stabile in grado di garantire anni di servizio affidabile.
Prestazioni e portata.Gestione della capacità del pacco batteria BMS, che utilizza il bilanciamento tra batterie per bilanciare il SOC delle batterie adiacenti sui componenti del pacco batteria, consentendo una capacità ottimale della batteria. Senza questa funzione BMS che tenga conto dei cambiamenti nell'autoscarica, nei cicli di carica/scarica, negli effetti della temperatura e nell'invecchiamento generale, la batteria potrebbe alla fine diventare inutilizzabile.
Diagnosi, raccolta dati e comunicazione esterna.L'attività di supervisione include il monitoraggio continuo di tutte le celle della batteria, dove la registrazione dei dati stessa può essere utilizzata per la diagnosi, ma viene generalmente utilizzata per attività computazionali per prevedere il SOC di tutte le batterie nel componente. Queste informazioni vengono utilizzate per bilanciare gli algoritmi, ma possono essere condivise con dispositivi e display esterni per indicare l'energia residente disponibile, stimare l'autonomia prevista o l'autonomia/durata in base all'utilizzo corrente e fornire lo stato di salute della batteria.
Riduci i costi e la garanzia.L’introduzione del BMS nel BESS aumenta i costi e il pacco batteria è costoso e potenzialmente pericoloso. Quanto più complesso è il sistema, tanto maggiori saranno i requisiti di sicurezza, richiedendo quindi una maggiore supervisione del BMS. Tuttavia, la protezione e la manutenzione preventiva del BMS in termini di sicurezza funzionale, durata e affidabilità, prestazioni e ambito, diagnosi, ecc. garantiscono la riduzione dei costi complessivi, compresi i costi relativi alla garanzia.
Conclusione
La simulazione è un prezioso alleato nella progettazione BMS, soprattutto se applicata per esplorare e risolvere le sfide di progettazione nello sviluppo, nella prototipazione e nei test dell'hardware. Con un accurato modello di batteria agli ioni di litio, il modello di simulazione dell'architettura BMS è riconosciuto come specifica eseguibile per prototipi virtuali. Inoltre, la simulazione consente un'indagine semplice delle varianti delle funzioni di monitoraggio BMS per diversi scenari operativi ambientali e di batteria. I problemi di implementazione possono essere identificati e studiati nelle fasi iniziali, consentendo la convalida dei miglioramenti delle prestazioni e della sicurezza funzionale prima dell'implementazione su prototipi hardware reali. Ciò riduce i tempi di sviluppo e aiuta a garantire che il primo prototipo hardware sia robusto. Inoltre, se condotti in applicazioni di sistema integrate, è possibile eseguire numerosi test di autenticazione su BMS e pacchi batteria, compresi gli scenari peggiori.