I sistemi di accumulo di energia a batteria si trovano in condizioni di mercato sempre più esigenti e offrono una vasta gamma di applicazioni.Sarebbe interessante discutere su come costruire un sistema di gestione della batteria (BMS) che garantisca una lunga durata., versatilità e disponibilità.
Ogni batteria moderna ha bisogno di un sistema di gestione della batteria (BMS), che è una combinazione di elettronica e software, e funge da cervello della batteria.Questo articolo si concentra sulla tecnologia BMS per sistemi di stoccaggio di energia stazionariaLe funzioni di base del BMS sono assicurare che le celle della batteria rimangano equilibrate e sicure, e informazioni importanti, come l'energia disponibile,viene trasmessa all'utente o ai sistemi connessi.
L'equilibrio è necessario perché i sistemi di batterie sono costituiti da centinaia, talvolta migliaia di singole celle, che hanno tutte capacità e resistenze leggermente diverse.Queste differenze aumentano nel tempo man mano che le cellule si degradano a velocità diverseSe le celle non sono in equilibrio almeno occasionalmente, le loro tensioni si allontaneranno presto a tal punto che la capacità della batteria diventerà inutilizzabile.
La sicurezza è garantita mantenendo le celle entro limiti di tensione, corrente e temperatura, particolarmente importanti per le batterie agli ioni di litio.caricabile a temperature molto basse, o esposti a correnti o temperature eccessive, potrebbero sviluppare guasti che possono portare a incendi o esplosioni.
Le informazioni come l'energia e la potenza disponibili non possono essere misurate direttamente, il che significa che il BMS deve calcolare I risultati di questi calcoli sono chiamati "state estimation" e vengono trasmessi ai sistemi di livello superiore, comprese le interfacce utente.
Prima di esaminare in modo più dettagliato le considerazioni di progettazione del BMS, vale la pena descrivere i diversi tipi di BMS e i requisiti industriali che informano le scelte di progettazione.L'approccio di bilanciamento è tipicamente utilizzato per classificare i tipi di BMS, anche se altri aspetti di progettazione svolgono un ruolo importante, come ad esempio diversi approcci alla stima degli stati e ai flussi di informazioni.
Le celle, o celle elettrochimiche, come le celle agli ioni di litio sono la più piccola unità di stoccaggio di energia all'interno di un pacchetto.La tensione minima di una cella agli ioni di litio può essere inferiore a 2.5V (per le celle LFP) e la tensione massima può essere fino a 4.3V per le chimiche NMC.
Le celle sono collegate in parallelo per aumentare la corrente massima che può essere attirata dal pacchetto.
In generale, le cellule all'interno di una supercellula si auto-equilibrano e non è necessario gestirle ulteriormente.Le eccezioni possono includere nuove sostanze chimiche come lo zolfo di litio e le sostanze chimiche con curve di carica piatta rispetto alle curve di tensione operate in condizioni estreme di C-rate come il fosfato di ferro di litio.
Le supercelle sono collegate in serie per formare una stringa. Un pacchetto di batterie di solito consiste di una singola stringa.che è necessario in applicazioni ad alta potenza per evitare correnti di funzionamento altrimenti estremamente elevate.
Quando si aggiungono celle a una configurazione di batterie, la capacità energetica aumenta.come fa il collegamento di un ulteriore super cellula in serie.
Approccio di bilanciamento
L'equilibrio passivo sincronizza le tensioni della cella alla fine del processo di carica dissipando l'energia, che sarebbe andata nelle celle completamente cariche, come calore tramite le resistenze.Il vantaggio di questo approccio è il basso costo dei componenti elettronici..
Gli svantaggi comprendono il fatto che tutte le celle sono esposte alla stessa corrente, il che significa che le celle più deboli collegate in serie limitano l'energia, la potenza, la durata e la sicurezza dell'intera batteria.La degradazione cellulare è accelerata poiché la corrente sulle cellule più deboli è maggiore rispetto alla loro capacità, che può anche causare punti caldi localizzati che possono portare a una riduzione della potenza della batteria o addirittura problemi di sicurezza.Il BMS passivo può solo monitorare la corrente del pacchetto e interrompere tramite un interruttore di disconnessione in caso di guasto.
Se è implementato un flusso di informazioni bidirezionale, i parametri a livello di sistema, come le impostazioni operative, possono essere modificati in modo da dare priorità alla durata della batteria o alle prestazioni.La durata della vita è prioritaria riducendo la finestra operativa a scapito dell'energia o della potenza disponibili, mentre le prestazioni sono prioritarie ampliando la finestra operativa, a scapito della durata della batteria.
L'equilibrio attivo è tipicamente implementato tramite circuiti bypass a bassa corrente, che dirigono basse correnti di carica alle celle che non sono ancora cariche, piuttosto che dissipare l'energia come calore.Il principale vantaggio di questo approccio è il miglioramento dell'efficienza della ricarica, che può essere importante se si vuole utilizzare l'energia di ricarica disponibile nel modo più efficiente possibile.l'equilibrio attivo non giustifica il costo aggiuntivo della componente per i benefici che essa produceCome con l'equilibrio passivo, la degradazione cellulare è accelerata da correnti relative più elevate sulle cellule più deboli e possono formarsi punti caldi.
Stima dello Stato
La stima dello stato di carica (SoC) e dello stato di salute (SoH) si basa su una combinazione di modelli della batteria e di algoritmi di stima.Il livello di raffinatezza e precisione possibile per la stima dello stato e i modelli di batteria sottostanti dipende fortemente dall'hardware, che usiamo qui per differenziare approcci diversi.
I circuiti integrati (IC) sono utilizzati nella maggior parte dei BMS convenzionali per la stima dello stato, che sono spesso indicati come fuel gauge.I circuiti integrati sono " cablati " con modelli di batterie specifici per la chimica e algoritmi di stima dello statoIl vantaggio dei circuiti integrati è che sono a basso costo. Gli svantaggi includono una limitata flessibilità e precisione della progettazione del sistema. Quest'ultimo tende a peggiorare nel tempo.La flessibilità di progettazione è limitata perché gli IC sono generalmente creati per una particolare chimica della batteria con specifiche particolari.
Se la chimica della batteria o le specifiche cambiano, è necessario modificare anche il circuito integrato e adattare il design. The reasons for the limited and deteriorating accuracy are (i) state estimation on ICs is based on generalised representations of the battery chemistry and doesn’t capture the nuanced thermodynamic and dynamic properties of cells, che possono variare a seconda dei produttori, dei formati e dei lotti,Anche per la stessa chimica (ii) la potenza di calcolo limitata sui circuiti integrati limita la complessità e la fedeltà degli algoritmi di stima dello stato e dei modelli di batteria sottostanti, e (iii) le caratteristiche cellulari cambiano nel tempo, che non possono essere catturate da algoritmi IC cablati, portando ad una crescente imprecisione nel tempo.
I microprocessori possono essere programmati con modelli di batterie più complessi e di maggiore fedeltà e algoritmi di stima dello stato,che possono essere perfezionati per tenere conto di particolari caratteristiche e specifiche delle celleLe caratteristiche in evoluzione della cella possono essere adattate aggiornando i parametri degli algoritmi di stima dello stato e dei modelli della batteria, il che mantiene le uscite più accurate nel tempo.Lo stesso hardware può essere utilizzato per qualsiasi tipo di batteria chimica o produttoreL'inconveniente può essere un costo dei componenti più elevato, a seconda delle funzionalità richieste e della potenza di calcolo.
Flusso di informazioni
Il flusso di informazioni unidirezionale è comune nella maggior parte dei sistemi di batterie: i flussi di informazioni dal BMS ai sistemi di livello superiore e alle interfacce utente.meno informazioni di basso livello tendono ad essere disponibiliLe informazioni più importanti riguardano la sicurezza e le prestazioni e comprendono metriche quali SoC e SoH.
Il flusso di informazioni bidirezionale è possibile se il BMS è in grado di elaborare input, come le modifiche alle impostazioni operative (ad esempio tensione massima e minima ammissibile della cella o SoC),o addirittura aggiornamenti di modelli di batterie o algoritmi di stima dello stato per mantenere la loro accuratezza, se vengono utilizzati microcontrollori.
