Una cella al litio standard è 3,2 V. Per trasformare queste singole celle in una batteria sicura da 12/24 o 48 V è necessario un sistema di gestione della batteria al litio o BMS. Un BMS è un circuito stampato che ha una connessione alle celle e monitora l'intera batteria. Per motivi di sicurezza, il BMS deve garantire che le celle funzionino sempre entro limiti noti e rispondere attivamente in caso di violazione di tali limiti.
Perché è necessario un sistema di gestione della batteria (BMS):
In carica
Se le celle al litio sono sovraccaricate, ne ridurrà la durata o forse le danneggerà in modo permanente. Quindi, con una batteria LiFePO4 (litio ferro fosfato) la cui tensione nominale è di 3,2 volt, non dovresti mai caricarla al di sopra di 3,65 volt ed è meglio avere qualcosa nel sistema che spenga il caricabatterie quando raggiunge una tensione di carica massima di 3,65 volt. Allo stesso modo, con una batteria LiNCM o LiMn204 (polimeri di litio) la cui tensione nominale è di 3,7 volt, non dovresti mai caricarle al di sopra di 4,2 volt ed è meglio avere qualcosa nel sistema che spenga il caricabatterie quando raggiunge una tensione di carica massima di 4,2 volt.
Scarica
Al contrario, una batteria al litio LiFePO4 non può essere scaricata al di sotto di 2,4 volt senza danneggiare le celle. Quindi ci deve essere un meccanismo nel sistema che rallenterà automaticamente e alla fine spegnerà il pacco batteria in caso di una condizione di scarica che scende al di sotto di 2,4 volt. Se quel meccanismo non è a posto, rischi di danneggiare alcune delle batterie nel tuo pacco. Questo sistema è comunemente indicato come sistema di gestione della batteria o BMS o, nel caso di alcuni pacchi batteria più piccoli, come in una bicicletta, un PCM. Un PCM (Protective Circuit Module), spesso chiamato PCB (Protective Circuit Board), è un sistema passivo che funzionerà al meglio a tensioni inferiori a 96 volt e correnti di picco che non superano mai i 200 A.
Bilanciamento
Avere un certo numero di batterie tutte collegate insieme per immagazzinare energia elettrica è un po' come avere un barile fatto di doghe di legno di lunghezza variabile che immagazzina acqua. Alcune batterie accetteranno una carica migliore di altre batterie nella stringa. Quando raggiungono una tensione predeterminata come 3,65 per le batterie LiFePO4, allora ci deve essere un modo per deviare la corrente dalla batteria più carica ed evitare che si sovraccarichi mentre le batterie più deboli nella stessa stringa recuperano. Per semplificare ho usato l'analogia di immagazzinamento dell'acqua in un barile di legno e mostro le doghe più lunghe come batterie buone mentre le doghe più corte rappresentano le batterie più deboli. Questa è la terza funzione di un BMS. Un buon BMS bilancia tutte le batterie in modo che raggiungano la carica completa all'incirca nello stesso tempo. Questo potrebbe essere mostrato come un barile che ha tutte le doghe della stessa lunghezza. I sistemi BMS passivi contengono reti di resistori di grandi dimensioni che reindirizzano semplicemente la corrente di carica attraverso la rete di resistori e bruciano la potenza in eccesso mentre il saldo delle celle più deboli sta raggiungendo il livello di tensione di ricarica completo.
I sistemi BMS economici non lo fanno, si limitano a spegnere il caricabatterie quando la prima batteria si avvicina a 3,65 volt. Con questi sistemi, il pacco batteria potrebbe ancora essere caricato con una maggiore quantità di energia, ma non c'è alcun modo in cui questi sistemi economici consentano che ciò accada. Pertanto, potresti perdere fino al 20% della piena capacità potenziale dei pacchi batteria per risparmiare qualche dollaro quando acquisti il sistema BMS. Nei veicoli a motore ciò può comportare una grande perdita di autonomia.
La quarta funzione BMS riguarda la protezione e il bilanciamento delle batterie dallo scaricamento eccessivo.Se le batterie non sono in qualche modo bilanciate in modo che tutti i righi siano uguali, cosa che farà un sistema BMS opportunamente progettato, quando la batteria è scarica la batteria più debole, rappresentata nella mia illustrazione dal pentagramma più corto della canna, raggiungerà la sua punto di arresto della scarica completa davanti al resto del pacco Un buon sistema BMS manterrà tutte le celle bilanciate in modo che la tensione della cella più debole con una batteria LiFePO4 non scenda al di sotto di 2,4 volt mentre le altre batterie possono scaricare la loro energia. Allo stesso modo, un buon sistema BMS manterrà anche tutte le celle bilanciate in una batteria ai polimeri di litio in modo che la tensione della cella più debole non scenda al di sotto di 2,8 volt mentre le altre batterie possono scaricare la loro energia. Un BMS ben progettato assicurerà che tutte le batterie siano quasi uguali nell'immagazzinare e scaricare la loro energia in modo uniforme. L'ultima funzione di un buon sistema BMS è il monitoraggio e il controllo delle temperature all'interno delle celle o del pacco totale. Molte sostanze chimiche al litio come il litio cobalto possono prendere fuoco spontaneamente se vengono sovraccaricate o scaricate. Gli incendi di metalli sono estremamente caldi e l'acqua o anche le schiume antincendio da sole non estingueranno le fiamme. Di tutte le sostanze chimiche al litio, il litio ferro fosfato (LiFePO4) è il meno volatile e teoricamente non brucia. Tuttavia, il calore estremo può danneggiare e ridurre la durata di tutte le celle al litio. Un buon sistema BMS monitorerà le temperature all'interno di un pacco e spegnerà il pacco o ridurrà la scarica o la corrente di carica in modo che le celle non raggiungano mai un punto di surriscaldamento.
