BMS nelle batterie al litio: cos'è e il suo ruolo nel bilanciamento delle celle

Quando si parla di batterie al litio, l'abbreviazione BMS (Battery Management System) viene spesso associata ad essa. Nonostante la sua importanza, molte persone non ne conoscono la funzione e il significato. In questo articolo spiegheremo cos'è il BMS nelle batterie al litio e qual è la sua funzione nel bilanciamento delle celle.

Che cos'è un BMS per batterie al litio?

L'importanza di questo sistema nel bilanciamento cellulare

Sebbene le batterie al litio offrano molti vantaggi rispetto alle batterie convenzionali, non sono così batterie tradizionali Nonostante la loro elevata efficienza, hanno anche un punto debole: qual è? La difficoltà di bilanciare le cellule e di garantire l'uniformità della produzione di energia da una cellula all'altra.

Questo può fare la differenza sotto tre aspetti:

• Capacità nominale
• Resistenza interna
• Scaricamento automatico

Con il tempo o con l'uso, queste differenze possono sbilanciare le celle all'interno della batteria, determinando una discrepanza compresa tra 3% e 6% a seconda delle condizioni di utilizzo e dei cicli di carica/uso della batteria al litio.

Quando una batteria al litio diventa sbilanciata, significa che le celle che la compongono non hanno la stessa carica o lo stesso stato di carica. Questo può far sì che alcune celle si scarichino più velocemente di altre, riducendo la capacità complessiva della batteria, le sue prestazioni e la sua durata. Senza un adeguato sistema di bilanciamento delle celle, la differenza tra le celle può aumentare sempre di più, esaurendo gradualmente la capacità di carica disponibile, danneggiando la batteria o addirittura provocando situazioni pericolose come incendi o esplosioni, soprattutto se la batteria è sottoposta a forti cariche e scariche. È quindi importante disporre di un sistema di bilanciamento adeguato che mantenga la batteria bilanciata e in buone condizioni per garantire efficienza e sicurezza.

Poiché le celle di una batteria al litio sono collegate in serie, si caricano e si scaricano tutte allo stesso livello di energia. Tuttavia, se non si dispone di un sistema di bilanciamento delle celle adeguato, le differenze tra le celle possono aumentare nel tempo, riducendo gradualmente la capacità complessiva della batteria. Pertanto, la prima funzione di un BMS in una batteria agli ioni di litio è di l'equilibrio delle cellule.

Batterie agli ioni di litio: BMS e bilanciamento delle celle

In che modo un BMS convenzionale influisce sull'equilibrio?

Un comune BMS risolve lo squilibrio applicando una resistenza alle celle con un carico maggiore, finché le celle più deboli non raggiungono lo stesso livello.

Vediamo i pro e i contro dell'utilizzo di questa tecnologia:

PROS

• L'uso di un BMS comune è economicamente vantaggioso: grazie alla sua semplice architettura, contribuisce a mantenere basso il costo dell'elettronica.

CONS

• Estremamente lento durante l'equilibrio. 

Il processo di bilanciamento con un sistema convenzionale è estremamente lento a causa della bassa corrente applicata (di solito tra 0,1 A e 1 A), che comporta un tempo di bilanciamento da 6 a 12 ore. Ad esempio, su una batteria da 400 Ah, dopo averne utilizzati 300 Ah, un caricabatterie da 100 A impiegherebbe 3 ore per ripristinare l'energia, ma ci vorrebbero altre 6-12 ore per bilanciarla. Il risultato è un tempo di ricarica totale compreso tra le 9 e le 15 ore.

• Riduzione graduale dell'energia disponibile

L'uso continuato della batteria prima del completamento del processo di bilanciamento può aumentare gradualmente la differenza tra la cella più carica e quella meno carica, riducendo la capacità nominale del pacco. Questo può portare a una riduzione delle prestazioni dei veicoli con tali batterie al litio, in quanto la cella con carica inferiore limita la scarica e quella con carica superiore limita la carica.

• Costi di manutenzione elevati 

La manutenzione delle batterie con BMS convenzionali può essere costosa, in quanto i singoli elementi non possono essere sostituiti in loco, e spesso comporta la necessità di rispedire la batteria al produttore, con costi di spedizione elevati.

Come funziona il sistema di bilanciamento in attesa di brevetto di NCPOWER?

Inizieremo spiegando la differenza tra bilanciamento attivo e passivo, due tecniche diverse per bilanciare le celle di una batteria agli ioni di litio.

Il bilanciamento passivo avviene naturalmente quando una batteria è collegata in serie. Le celle con una carica maggiore trasferiscono l'energia in eccesso alle celle con una carica inferiore, finché tutte le celle non sono bilanciate. Questo processo è lento e può richiedere molto tempo.

Il bilanciamento attivo, invece, si ottiene attraverso l'uso di circuiti elettronici che monitorano la tensione di ogni cella e trasferiscono l'energia dalle celle con il carico maggiore a quelle con il carico minore, raggiungendo più rapidamente l'equilibrio. 

Il bilanciamento attivo è più efficace e veloce di quello passivo e viene utilizzato nei sistemi di gestione delle batterie più avanzati.

Il nostro sistema di bilanciamento delle batterie, chiamato Sistema NCPOWERsi differenzia da un BMS tradizionale per la capacità di bilanciare ogni singola cella attraverso un bilanciamento combinato attivo e passivo, utilizzando una corrente almeno 20 volte superiore.

Figura 1: Squilibrio cellulare ed equilibrio cellulare

PROS

• Bilanciamento attivo e passivo ad alta potenza (20A)
• Tempo di ricarica breve e prevedibile (tempo di equilibrio inferiore a 25 minuti)
• Supporto attivo per le celle più deboli durante la scarica
• Controllo completo della temperaturacon 2 sensori in ogni cella (50 sensori in una batteria da 80V)

CONS

• Applicabile solo per batterie da 5kWh e oltre, perché in questo caso l'elettronica è più costosa.

Altre funzioni di un BMS nelle batterie al litio

Finora abbiamo potuto vedere la funzione principale di un BMS, il ruolo cruciale che svolge e la differenza tra i BMS convenzionali e quelli NCPOWER.

Tuttavia, le funzioni svolte da questo tipo di sistema sono ancora più numerose e fondamentali per le batterie al litio. Per saperne di più, si può leggere qui.