Cosa gestisce un sistema di gestione della batteria (BMS)?

Nei veicoli a nuova energia, nelle centrali elettriche per l'accumulo di energia e nelle apparecchiature con batterie al litio, il funzionamento sicuro, efficiente e di lunga-durata dei pacchi batterie al litio dipende in larga misura da un BMS (sistema di gestione della batteria). Molte persone sanno solo che le batterie hanno potenza e possono immagazzinare energia, ma non sanno che il BMS è il “cervello” fondamentale della batteria. Questo articolo, combinando cinque funzioni principali, analizza in modo completo gli aspetti chiave della gestione della batteria gestita dal BMS.

L'intero chip BMS funziona attorno a cinque dimensioni, formando un circuito chiuso completo di gestione della batteria: rilevamento, protezione, bilanciamento, gestione termica e comunicazione.

1. Rilevamento:Monitoraggio-in tempo reale, comprensione dello stato completo della batteria

Il BMS è come i "cinque sensi" della batteria, raccoglie continuamente tre punti dati fondamentali 24 ore su 24, 7 giorni su 7: tensione, corrente e temperatura. Attraverso la raccolta di dati sulla tensione totale, sulla tensione della singola cella, sulla corrente totale del circuito e sulla temperatura in più punti, cattura con precisione le condizioni operative in tempo reale di ciascuna cella, fornendo la base dati per tutte le funzioni.

2. Protezione:Quattro-protezioni per salvaguardare la sicurezza della batteria. Sulla base dei dati raccolti dai sensori, il BMS incorpora un meccanismo di protezione di sicurezza a quattro-strati per eliminare i rischi di incendio, rigonfiamento e guasto della batteria: protezione da sovraccarico, protezione da scarica eccessiva, protezione da sovracorrente e protezione da sovratemperatura. Una volta che i dati raggiungono una soglia pericolosa, il circuito viene immediatamente interrotto e la potenza viene limitata.

3. Bilanciamento:Coordinazione delle celle per carica e scarica sincronizzate. I pacchi batteria agli ioni di litio- sono costituiti da dozzine o addirittura centinaia di celle collegate in serie. Possono verificarsi differenze nella capacità e nel voltaggio delle celle tra la fabbrica e l'uso a lungo termine-e l'effetto "anello più debole" riduce significativamente la capacità utilizzabile complessiva del pacco. La funzione di bilanciamento unifica la tensione delle celle, elimina le differenze di tensione e migliora la capacità e la durata complessiva della batteria.

4. Gestione termica:Mantenimento della temperatura operativa ottimale della batteria. Le prestazioni della batteria agli ioni di litio- dipendono fortemente dalla-temperatura: la ricarica a bassa-temperatura porta facilmente alla placcatura al litio e a danni alle celle, mentre la ricarica e lo scaricamento ad alta-temperatura accelerano il degrado e comportano rischi per la sicurezza. Il BMS, insieme al sistema di gestione termica, attiva gli elementi riscaldanti per preriscaldare la batteria alle basse temperature e attiva le ventole e i tubi di raffreddamento a liquido per dissipare il calore alle alte temperature, bloccando la batteria nel suo intervallo operativo ottimale.

5. Comunicazione:Comunicazione verso l'alto e verso il basso, facilitando lo scambio di informazioni tra il veicolo e l'utente.

Il BMS funge da "portavoce" esterno della batteria. Internamente, raccoglie i dati da ciascuna cella tramite una connessione a margherita-chain. Esternamente, interagisce con la VCU del veicolo e le stazioni di ricarica tramite il bus CAN, sincronizzando contemporaneamente i dati sul cloud e su un'app mobile. Può inviare segnali di potenza e livello della batteria al veicolo e visualizzare l'autonomia rimanente e lo stato di salute della batteria al proprietario.

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1. Raccolta completa di dati grezzi sulla batteria

Il BMS si basa su quattro tipi di hardware di acquisizione dati per ottenere il rilevamento dei dati:

• Misurazione della tensione totale: rileva la tensione complessiva del pacco batteria per determinare la riserva di energia complessiva;
• Misurazione della tensione delle singole celle: raccoglie la tensione di ogni singola cella per individuare con precisione le celle difettose con tensione anomala;
• Misurazione della corrente totale: monitora la corrente del circuito di carica e scarica per calcolare la quantità di carica e scarica;
• Misurazione della temperatura su-punti multipli: implementa sonde di temperatura in più punti all'interno del pacco batteria per monitorare l'aumento della temperatura delle celle in tempo reale.

Dopo aver raccolto i dati grezzi, il BMS calcola automaticamente quattro parametri di stato fondamentali, trasformando i dati grezzi in informazioni efficaci che gli utenti e il veicolo possono comprendere.

2. Quadruplo-scudo protettivo

Dopo aver rilevato dati anomali, il BMS attiva immediatamente una protezione a più livelli per eliminare il rischio di instabilità termica alla fonte:

• Protezione da sovraccarico: quando la tensione della cella raggiunge il limite superiore durante la carica (4,25 V per le batterie al litio convenzionali), il circuito di carica viene automaticamente disconnesso, impedendo ulteriore carica, rigonfiamento e incendio della cella.
• Protezione-da scarica eccessiva: quando la tensione di scarica scende al limite inferiore (2,8 V per le batterie al litio convenzionali), l'uscita di scarica viene interrotta per evitare danni permanenti dovuti all'esaurimento profondo delle celle.
• Protezione da sovracorrente: quando la corrente di carica/scarica supera la soglia di sicurezza, il fusibile o l'interruttore ad alta-tensione viene attivato per disconnettersi, impedendo alla corrente elevata di danneggiare la cella.
• Protezione da surriscaldamento-: quando la temperatura della batteria supera il limite di sicurezza (in genere 55 gradi), la potenza in uscita viene limitata o addirittura interrotta, avviando il raffreddamento e la dissipazione del calore.

In breve: il rilevamento sono gli occhi del BMS, la protezione sono le sue mani e i suoi piedi; solo identificando accuratamente il pericolo è possibile intervenire rapidamente per tutelare la sicurezza della batteria.

1. Bilanciamento delle celle: superare l'effetto barile e massimizzare la capacità della batteria
Quando più celle sono collegate in parallelo o in serie, si verifica una differenza di tensione significativa: durante la carica, la cella con la tensione più alta viene caricata completamente per prima, costringendo il sistema a interrompere la carica, mentre le restanti celle con tensione-inferiore non possono essere completamente caricate; durante la scarica, la cella con la tensione più bassa viene scaricata per prima, costringendo il sistema a spegnersi, mentre le celle ad alta-tensione mantengono ancora una grande quantità di carica. Questo è l'effetto barile, in cui la cella di collegamento più debole determina la capacità utilizzabile complessiva del pacco batteria. Il BMS attenua la differenza di tensione delle celle attraverso due metodi di bilanciamento:

Bilanciamento passivo:Si basa su resistori per dissipare la carica in eccesso dalle celle ad alta-tensione sotto forma di calore. Questo metodo è semplice nella struttura e a basso costo, ma l'energia viene sprecata. Viene utilizzato principalmente nello stoccaggio di energia a basso-costo e nelle apparecchiature a bassa-velocità.

Bilanciamento attivo:Utilizza condensatori e induttori come vettori di energia per trasferire la carica in eccesso dalle celle ad alta-tensione alle celle a bassa-tensione. Questo metodo non comporta sprechi energetici e presenta un'elevata efficienza di bilanciamento ed è ampiamente utilizzato nei principali veicoli a nuova energia e nello stoccaggio di energia di fascia alta-.

Dopo il bilanciamento, le tensioni delle celle sono costanti, aumentando la capacità utilizzabile del pacco batteria e prolungandone significativamente la durata.

2. Rete di comunicazione a doppio-livello per l'interoperabilità dei dati

La comunicazione BMS è costituita da due reti: interna ed esterna.

• Comunicazione interna (catena a margherita-): i chip di acquisizione delle celle sono collegati in serie per raccogliere in modo sincrono i dati su tensione e temperatura da ciascuna cella, che vengono poi aggregati all'MCU di controllo principale.
• Comunicazione esterna (CAN bus + cloud): Interagisce con il controller del veicolo (VCU) e carica le pile tramite linee CAN; contemporaneamente, i dati vengono caricati sulla piattaforma cloud e sull'app mobile, consentendo ai proprietari di controllare in qualsiasi momento il livello della batteria, l'autonomia, lo stato della batteria e gli allarmi di guasto.

Le batterie al litio sono componenti di accumulo di energia estremamente-sensibili alla temperatura: basse temperature ambientali possono causare depositi di litio all'interno delle celle durante la ricarica, danneggiando permanentemente la capacità della batteria; la carica e la scarica continue ad alta-potenza ad alte temperature accelerano la decomposizione dell'elettrolita, portando facilmente alla fuga termica. Il BMS (Battery Management System) funziona in combinazione con l'intero sistema di gestione termica per ottenere un controllo bidirezionale della temperatura:

• Condizioni di bassa-temperatura: gli elementi riscaldanti-integrati vengono attivati ​​per riscaldare uniformemente il pacco batteria, consentendo la carica e lo scaricamento ad alta-potenza solo dopo aver raggiunto una temperatura adeguata;
• Condizioni di alta-temperatura: le ventole di raffreddamento e i tubi di raffreddamento a liquido vengono attivati ​​per rimuovere il calore dalle celle, riducendo la temperatura complessiva del pacco batteria e limitando al tempo stesso la potenza in uscita per evitare ulteriore surriscaldamento. Un ambiente stabile con controllo della temperatura è fondamentale per prolungare la durata del ciclo della batteria e prevenire incidenti legati alla sicurezza.

Se confrontiamo un pacco batterie al litio con un magazzino e le celle con gli scaffali che immagazzinano energia elettrica, allora il BMS è il manager a tutto tondo, che agisce come maggiordomo, guardia del corpo, medico e coordinatore:

Che si tratti di veicoli passeggeri a nuova energia, tricicli elettrici, biciclette elettriche, accumulatori di energia industriali e commerciali o dispositivi portatili con batterie al litio, un BMS ben-progettato e perfettamente funzionante è un prerequisito fondamentale per il funzionamento sicuro e stabile dei sistemi di batterie al litio e un componente fondamentale indispensabile nei processi di ricerca, sviluppo, produzione e riciclaggio del settore delle batterie al litio.

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