Come mezzo di protezione, la maggior parte dei sistemi di batterie al litio di quasi qualsiasi tensione di stringa richiedono un sistema di gestione della batteria (BMS) per mantenere le condizioni operative delle celle entro i limiti. Questi possono variare in complessità dal semplice bilanciamento delle celle a sistemi che monitorano la tensione, la temperatura e la corrente delle celle e, tramite l'uso di interruttori a semiconduttore o relè, scollegano il pacco batteria dall'UPS se una qualsiasi delle variabili monitorate supera i limiti operativi.

Quando si interfaccia un l sistema di batterie al litio a un UPS È fondamentale conoscere e comprendere i limiti oltre i quali il BMS scollegherà la batteria. Molti BMS emetteranno un avviso se le condizioni operative si avvicinano a questi limiti prima di intraprendere qualsiasi azione. In questo modo, è possibile adottare misure per evitare che la batteria si disconnetta dall'UPS. Generalmente, il BMS non ricollegherà la batteria finché le condizioni che hanno causato l'azione non saranno state eliminate. Un secondo motivo per avere una buona comprensione dei limiti è assicurarsi che l'UPS, in condizioni di normale funzionamento, non li superi. Assicurarsi che i limiti non vengano superati dall'UPS è una buona pratica e una buona progettazione del sistema.

Figura: 1

Di seguito è riportata una breve descrizione delle funzioni contenute in un tipico BMS.

Bilanciamento cellulare: Lo scopo del bilanciamento delle celle è quello di mantenere approssimativamente uguale la tensione terminale di ciascuna cella, o di un banco di celle in parallelo, nella stringa in serie. Poiché la tensione di cella è in qualche modo correlata alla capacità, con le composizioni chimiche del litio, mantenere queste due tensioni uguali tenderà a mantenere uguale anche la capacità di ciascuna cella. Questo servirà quindi a impedire che le celle più deboli, ovvero quelle con capacità inferiore, vengano sovrascaricate. Allo stesso modo, le celle con capacità maggiore non verranno sovraccaricate. L'importanza del bilanciamento delle celle è illustrata nella Figura 1. Qui è mostrato un ciclo di scarica e carica di due pacchi LFP contenenti 12 celle in serie e 3 in parallelo.

Nei grafici di scarica, si noti che alcune tensioni delle celle del pacco senza bilanciamento sono scese sotto i 2,0 V, il limite minimo, verso la fine della scarica. Questo fenomeno è definito sovrascarica e ha iniziato a verificarsi dopo solo l'ottavo ciclo. Nel pacco con bilanciamento delle celle, la tensione è scesa a 2,5 V per la maggior parte delle celle, con una che ha raggiunto i 2,3 V prima della fine della scarica. Tutte le celle sono sostanzialmente al di sopra del limite di 2 V.

Durante la carica, dopo l'ottava scarica, si noti la dispersione delle tensioni di cella di circa 0,59 V per il pacco senza bilanciamento delle celle. Una cella ha quasi raggiunto il limite di tensione di mantenimento di 4,0 V. Oltre questo limite si verifica una sovraccarica. Con il pacco con bilanciamento delle celle, le celle sono strettamente raggruppate attorno alla tensione di mantenimento di 3,65 V.

Funzione di misura: La tensione di cella, come mostrato in Figura 1, è una di queste. Lo scopo di questa misurazione è assicurarsi che le tensioni di cella siano sufficientemente vicine tra loro da consentire alla batteria di caricarsi e scaricarsi entro l'intervallo di funzionamento previsto. In alcuni casi, il BMS potrebbe non consentire la carica o la scarica, almeno non a carico nominale, finché le tensioni di cella non rientrano in un intervallo predeterminato di differenza tra loro. Un'altra misurazione è la corrente attraverso le celle. Di solito ci sono limiti massimi di corrente di carica e scarica che, se superati, attivano un avviso e, se la condizione persiste per un periodo di tempo prestabilito, possono causare la disconnessione della batteria dall'UPS.

La terza misurazione è la temperatura delle celle. Quando si valuta un sistema di batterie da utilizzare con un UPS, dovrebbe essere obbligatorio misurare la temperatura del case di una o più celle. A causa del rapido aumento della temperatura in caso di evento termico, una misurazione della temperatura dell'aria (interna) potrebbe non essere sufficientemente rapida o sensibile per rilevare l'inizio di una fuga termica e intervenire per scollegare la batteria. Il BMS proteggerà la batteria da temperature eccessive segnalando quando la temperatura delle celle si avvicina o ha raggiunto il massimo e, in ultima analisi, scollega la batteria dall'UPS se il massimo viene raggiunto. Un'altra azione che talvolta viene intrapresa da un BMS è quella di limitare o posticipare la carica della batteria finché la temperatura non si sia sufficientemente abbassata rispetto al limite.

Alcuni modelli di BMS possono anche fornire una misurazione dello stato di carica (SOC) e un'indicazione dello stato di salute (SOH) del sistema di batterie. Lo SOC si ottiene misurando la carica, in Ampere-ora (Ah), rimossa (in scarica) e sostituita (in carica). La carica viene solitamente misurata integrando la corrente in entrata o in uscita dalla batteria rispetto al tempo. Partendo da un valore noto di carica disponibile, lo SOC è semplicemente il rapporto tra la carica netta (Ah scaricati - Ah caricati) e la carica disponibile. Lo SOH è un indicatore del grado di degradazione o invecchiamento verificatosi da quando la batteria era nuova. L'approccio di base consiste nel determinare di quanto la carica disponibile diminuisca con l'età. Per effettuare questa stima, si utilizza solitamente una scarica di prova, partendo dallo stato di carica completa. La perdita di capacità dovuta all'invecchiamento della batteria è talvolta definita "decadimento di capacità".

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