La finestra di tensione è un limite assoluto
Ogni cella al litio ha una finestra di tensione ammissibile al di fuori della quale subisce danni chimici. Per LiFePO4 è approssimativamente tra 2,5 V e 3,65 V per cella, per Li-NMC circa 3,0 V a 4,2 V. Se viene superato il limite superiore, l'elettrolita si decompone e può depositarsi litio metallico. Al di sotto del limite inferiore il collettore di corrente in rame dell'anodo si dissolve — in modo irreversibile, come germe di un cortocircuito futuro.
Il BMS misura quindi la tensione di ogni cella singolarmente, non solo la tensione del pacco. Perché 48 V al pacco non dicono nulla su se una cella è già a 3,6 V e un'altra solo a 3,1 V. Solo la misurazione per cella rileva la dispersione.
Bilanciamento, protezione, limitazione di corrente
Durante il bilanciamento il BMS riporta le celle allo stesso livello. Passivamente avviene tramite una resistenza che scarica deliberatamente la cella più carica fino a quando le altre la raggiungono — le correnti di bilanciamento tipiche sono di alcune decine fino a poche centinaia di milliampere. Il bilanciamento attivo trasferisce carica dalle celle piene a quelle scariche; più complesso, ma con perdite minori in caso di grande dispersione.
Il circuito di protezione monitora sovra- e sottotensione, sovra- e sottotemperatura nonché sovracorrente e cortocircuito e disconnette il circuito prima che venga raggiunto un limite. Decisiva è la limitazione della corrente di carica in funzione della temperatura: caricare al di sotto di 0 °C provoca deposizione di litio (lithium plating), quindi il BMS blocca o riduce la corrente di carica al freddo. Allo stesso modo limita la tassa C nella zona superiore di carica, perché le correnti elevate ad alto stato di carica sollecitano maggiormente la cella.
SoC (State of Charge) viene calcolato dal BMS solitamente tramite conteggio di coulomb — integrazione della corrente nel tempo — corretto nei punti di tensione a riposo. Questo è impegnativo per LFP, perché la curva di scarica è piatta su ampi intervalli e pochi millivolt significano grandi differenze di capacità. SoH (State of Health) si ricava dalla capacità residua misurata e dall'aumento della resistenza interna rispetto allo stato nuovo — la base per la pianificazione della manutenzione e la previsione della vita utile residua.
Perché il controllore della macchina deve essere coinvolto
Un sistema di gestione della batteria (BMS) che si limita a disconnettere non è sufficiente nelle macchine mobili. Un AGV che disconnette la batteria durante il funzionamento senza preavviso rimane fermo sotto pieno carico da qualche parte nell'impianto. Il controllore della macchina deve conoscere lo stato prima che venga raggiunto un limite.
Il sistema di gestione della batteria (BMS) dovrebbe quindi essere connesso al controllore tramite un bus di campo — nell'industria, a seconda della piattaforma, CAN-Bus o Profinet — e fornire in tempo reale SoC, SoH, tensioni delle singole celle, temperature e codici di guasto. Il controllore vede la capacità residua e pianifica il percorso verso la stazione di ricarica prima che il limite inferiore sia a portata. Se una cella segnala un'anomalia di temperatura, il controllore riduce la potenza in modo ordinato invece di disconnettere bruscamente. Specialmente nel funzionamento continuo, questo flusso di dati tra BMS e controllore è importante quanto il pacco stesso.
Lista di controllo per il dimensionamento del BMS
- ✓Limiti di tensione adeguati alla chimica impostati (LFP 2,5–3,65 V, NMC 3,0–4,2 V per cella)?
- ✓Misurazione per singola cella su tutti gli elementi in serie, non solo la tensione del pacco?
- ✓Bilanciamento dimensionato per la dispersione di celle attesa nel corso della vita utile?
- ✓Corrente di carica dipendente dalla temperatura limitata, blocco di carica al di sotto di 0 °C senza riscaldamento?
- ✓Protocollo di comunicazione definito (CAN-Bus, J1939, SMBus, RS485) e coordinato con il controllore reale?
- ✓Comportamento al limite chiarito: riduzione ordinata tramite il controllore invece di disconnessione brusca?
- ✓Metodo SoC adeguato alla chimica — per la curva piatta LFP, conteggio coulomb con correzione tensione a riposo?
I primi quattro punti proteggono il pacco. Il quinto e il sesto decidono se la macchina funziona in modo affidabile con esso. Come il BMS viene connesso al vostro controllore e quali valori devono transitare sul bus, siamo lieti di chiarirlo sulla base del vostro capitolato.