Come mezzo di protezione, la maggior parte dei sistemi di batterie al litio con quasi tutte le tensioni 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 quelli che monitorano la tensione delle celle; temperatura e corrente della cella; e, attraverso l'uso di interruttori o relè a semiconduttore, scollegherà il pacco batteria dall'UPS se una qualsiasi delle variabili monitorate supera i limiti operativi.

Quando si interfaccia un sistema di batterie al litio con un UPS , è fondamentale conoscere e comprendere i limiti oltre i quali il BMS scollegherà la batteria. Molti BMS forniranno un avviso se le condizioni operative si avvicinano a questi limiti prima che venga intrapresa qualsiasi azione. In questo modo è possibile intraprendere alcune azioni per evitare che la batteria si scolleghi dall'UPS. Il BMS generalmente non ricollega la batteria finché le condizioni che hanno causato l'azione non vengono rimosse. Un secondo motivo per comprendere bene i limiti è assicurarsi che l'UPS, durante il normale funzionamento, non li superi. Fare attenzione a verificare che i limiti non vengano superati dall'UPS è una buona pratica e una buona progettazione del sistema.

Figura 1

Quella che segue è una breve descrizione delle funzioni contenute in un tipico BMS.

Bilanciamento delle celle: lo scopo del bilanciamento delle celle è mantenere la tensione terminale di ciascuna cella, o banco di celle in parallelo, nella stringa in serie approssimativamente uguale. Poiché la tensione della cella ha una certa relazione con la capacità, con le chimiche del litio, mantenerli uguali tenderà a mantenere uguale la capacità di ciascuna cella. Ciò servirà quindi a evitare che le celle più deboli, quelle con capacità inferiore, si scarichino eccessivamente. 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.

Sui grafici di scarica, notare che alcune tensioni delle celle nel pacco senza bilanciamento sono scese al di sotto di 2,0 V, il limite minimo, vicino alla fine della scarica. Questo è uno scaricamento eccessivo e cominciava a verificarsi solo dopo 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 2,3 V prima della fine della scarica. Tutte le celle sono sostanzialmente al di sopra del limite di 2 V.

Durante la ricarica, dopo l'ottava scarica, notare la differenza di tensione delle celle di circa 0,59 V per il pacco senza bilanciamento delle celle. Una cella ha quasi raggiunto il limite di tensione variabile di 4,0 V. Al di sopra di questo limite si verifica un sovraccarico. Con il pacco contenente il bilanciamento delle celle, le celle sono strettamente raggruppate attorno alla tensione float di 3,65 V.

Funzione di misurazione: la tensione della cella, come mostrato nella Figura 1, è una di queste. Lo scopo di questa misurazione è garantire che le tensioni delle celle siano sufficientemente vicine tra loro da consentire la carica e la scarica della batteria nell'intervallo di funzionamento previsto. In alcuni casi, il BMS potrebbe non consentire la carica o la scarica, almeno non al carico nominale, finché le tensioni delle celle non rientrano in un intervallo predeterminato l'una dall'altra. Un'altra misurazione è la corrente attraverso le celle. Solitamente esistono limiti massimi di corrente di carica e scarica che, se superati, attiveranno un avviso e potrebbero scollegare la batteria dall'UPS se la condizione persiste per un periodo di tempo prescritto.

La terza misurazione è la temperatura della cella. Quando si valuta un sistema di batterie da utilizzare con un UPS, dovrebbe essere un requisito che venga misurata la temperatura dell'involucro di una o più celle. A causa del rapido aumento della temperatura in caso di evento termico, la misurazione della temperatura dell'aria (interna) potrebbe non essere sufficientemente veloce o sufficientemente sensibile per rilevare l'inizio dell'instabilità termica e intervenire per scollegare la batteria. Il BMS proteggerà la batteria dalle temperature eccessive segnalando quando la temperatura della cella si avvicina o ha raggiunto il massimo e infine disconnetterà la batteria dall'UPS se viene raggiunto il massimo. Un'altra azione talvolta intrapresa da un BMS è limitare o posticipare la carica della batteria fino a quando la temperatura non è sufficientemente scesa dal limite.

Alcuni modelli BMS possono fornire anche una misurazione dello stato di carica (SOC) e un'indicazione dello stato di salute (SOH) del sistema batteria. Il SOC si ottiene misurando la carica, in Ampere ora (Ah) rimossa (scarica) e sostituita (ricarica). La carica viene solitamente misurata integrando la corrente dentro o fuori la batteria rispetto al tempo. Partendo da un valore noto della carica disponibile, il SOC è semplicemente il rapporto tra la carica netta (Ah scaricati – Ah caricati) e la carica disponibile. Il SOH è un indicatore della quantità di degrado o invecchiamento che si è verificato da quando la batteria era nuova. L’approccio di base consiste nel determinare quanto la tariffa disponibile diminuisce con l’età. Per effettuare questa stima viene solitamente utilizzata una scarica di prova, partendo dallo stato di piena carica. La perdita di capacità dovuta all'invecchiamento della batteria viene talvolta definita diminuzione della capacità.

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