Ho bisogno di un Battery Management System (BMS) se ho un controller?

Le batterie al litio ferro fosfato racchiudono molta potenza e valore in un piccolo pacchetto. La chimica di queste batterie è una parte importante delle loro prestazioni superiori. Ma tutte le rinomate batterie agli ioni di litio commerciali includono anche un altro elemento importante insieme alle celle della batteria stessa: un sistema elettronico di gestione della batteria (BMS) accuratamente progettato. Un sistema di gestione della batteria ben progettato protegge e monitora una batteria agli ioni di litio per ottimizzare le prestazioni, massimizzare la durata e garantire un funzionamento sicuro in un’ampia gamma di condizioni. Pertanto, ho bisogno del BMS anche se ho un regolatore di carica fotovoltaico.

Perché i BMS per le batterie al litio sono così importanti?

Queste batterie sono molto potenti, ma le loro reazioni all’uso improprio possono essere pericolose. Pertanto, è necessario monitorare ciascuna cella elettrochimica per prevenire tali casi di utilizzo non autorizzato.

Questo lavoro di monitoraggio viene svolto grazie ad una scheda elettronica di gestione denominata BMS “Battery Management System”

Le celle al litio sono molto sensibili al loro ambiente: se sono esposte a condizioni troppo severe (tensione, temperatura) o se sono soggette a urti, ciò può causare problemi di sicurezza della batteria.

Poiché l’elettrolito è liquido, il rischio di cortocircuito dovuto a perdite può diventare rapidamente pericoloso. Il liquido reagisce con aria o acqua e diventa estremamente corrosivo.

Un BMS di qualità fa le seguenti cose:

• Interrompe la scarica delle celle prima che diventi critica per la durata della batteria.
• Interrompe la carica delle celle prima che vengano sovraccaricate…
• Ottimizza un carico omogeneo da una cella all’altra
• Controlla la temperatura delle celle
• Protegge permanentemente i componenti da sovratensione o sottotensione.
• Prolunga la vita della tua batteria definendo un range di utilizzo ottimizzato per le celle elettrochimiche.
• Stima l’invecchiamento della batteria tramite SOH “State Of Health” e può dirti il numero di cicli eseguiti.
• Ti permette di conoscere in tempo reale lo stato di carica della tua batteria grazie al SOC “State Of Charge”.
• Tramite il suo bus di comunicazione, può controllare caricabatterie e utenze, come un controller del motore, al fine di ottimizzare l’utilizzo della batteria e il comportamento generale del sistema.
• Può gestire più batterie in parallelo o in serie, per gestire sistemi più potenti o più capacitivi.

Alcune delle cose principali che fa un BMS della batteria

Diamo un’occhiata a come un BMS protegge e ottimizza il funzionamento di una batteria al litio ferro fosfato.

1. Sovra e sottotensione

Le celle al litio ferro fosfato funzionano in sicurezza in un intervallo di tensioni, in genere da 2,0 V a 4,2 V. Alcune sostanze chimiche al litio producono celle altamente sensibili alla sovratensione, ma le celle LiFePO4 sono più tolleranti.

Tuttavia, una sovratensione significativa per un periodo prolungato durante la carica può causare la placcatura del litio metallico sull’anodo della batteria che degrada permanentemente le prestazioni. Inoltre, il materiale del catodo può ossidarsi, diventare meno stabile e produrre anidride carbonica che può portare ad un accumulo di pressione nella cella.

Tutti i sistemi di gestione della batteria di qualità limitano ciascuna cella e la batteria stessa ad una tensione massima.. Anche la sottotensione durante la scarica della batteria è un problema poiché la scarica di una cella LiFePO4 al di sotto di circa 2,0 V può causare la rottura dei materiali degli elettrodi.

Le batterie al litio hanno una tensione operativa minima consigliata. Il BMS funge da dispositivo di sicurezza per scollegare la batteria dal circuito se una qualsiasi cella scende al di sotto di 2,0 V.

2. Protezione da sovracorrente e cortocircuito

Ogni batteria ha una corrente massima specificata per un funzionamento sicuro. Se viene applicato un carico alla batteria che assorbe una corrente maggiore, può causare il surriscaldamento della batteria.

Sebbene sia importante utilizzare la batteria in modo da mantenere l’assorbimento di corrente al di sotto delle specifiche massime, il BMS funge nuovamente da dispositivo di arresto contro le condizioni di sovracorrente e disconnette la batteria dal funzionamento.

Un cortocircuito della batteria è la forma più grave di condizione di sovracorrente. Succede più comunemente quando gli elettrodi sono collegati accidentalmente con un pezzo di metallo.

Il BMS deve rilevare rapidamente una condizione di cortocircuito prima che l’improvviso e massiccio assorbimento di corrente surriscaldi la batteria e causi danni catastrofici.

Il BMS deve disattivare la batteria in caso di un cortocircuito esterno, quindi far riprendere il funzionamento normale se la condizione di cortocircuito viene rimossa.

3. Sovratemperatura

A differenza delle batterie al piombo-acido o all’ossido di litio-cobalto, le batterie al litio ferro fosfato funzionano in modo efficiente e sicuro a temperature fino a 60 °C o più. Ma a temperature di esercizio e di conservazione più elevate, come con tutte le batterie, i materiali degli elettrodi inizieranno a degradarsi.

Il BMS di una batteria al litio utilizza termistori incorporati per monitorare attivamente la temperatura durante il funzionamento e disconnetterà la batteria dal circuito a una temperatura specificata.

4. Squilibrio delle celle

Le batterie agli ioni di litio hanno una grande differenza rispetto alle batterie al piombo quando si tratta di bilanciare la tensione in ogni singola cella durante la carica. A causa di piccole differenze nelle condizioni di produzione o operative, ciascuna cella di una batteria si carica a una velocità leggermente diversa.

In una batteria al piombo, se una cella si carica più velocemente e raggiunge la sua piena tensione, il tipico limite basso della corrente di carica, insieme al ritorno di carica in eccesso, assicurerà che le altre celle si carichino completamente. In un certo senso, le celle di una batteria al piombo si auto equalizzano durante la carica.

Questo non è il caso delle batterie agli ioni di litio. Quando una cella agli ioni di litio è completamente carica, la sua tensione inizia ad aumentare ulteriormente, il che può causare danni agli elettrodi.

Se la carica dell’intera batteria viene interrotta quando solo una cella è completamente carica, le celle rimanenti non raggiungono la carica completa e la batteria funzionerà al di sotto della capacità massima.

Un BMS ben progettato garantirà che ogni cella si carichi in modo sicuro e completo prima che l’intero processo di ricarica sia completo.