Un pack de baterii poate arăta normal la exterior, în timp ce o celulă din interior se apropie deja de o problemă. Tensiunea totală a pack-ului poate părea încă acceptabilă, însă o celulă poate fi mai aproape de limita superioară de tensiune sau poate funcționa mai cald decât vecinele sale. Acesta este nivelul la care un battery management system, sau BMS, devine esențial. Rolul său nu este pur și simplu să pornească și să oprească bateria, iar a-l numi „creierul” unui întreg sistem de stocare îi atribuie prea mult. Un BMS monitorizează bateria îndeaproape, estimează stări ale bateriei pe care senzorii nu le pot raporta direct și comunică sau impune limitele în care bateria ar trebui să funcționeze.

Într-un sistem de stocare de înaltă tensiune, aceste sarcini pot fi distribuite între mai multe componente hardware. Designul de referință BESS 1500 V al NXP, de exemplu, folosește unități de monitorizare a celulelor pentru a măsura tensiunile celulelor individuale și temperaturile ambientale, în timp ce unitatea de management al bateriei procesează datele și controlează acțiuni de nivel superior. Același design include și măsurare la nivel de pack și interfețe pentru contactoare. Motivul pentru a privi dincolo de valoarea totală a pack-ului este direct: pack-ul este format din multe celule, iar o celulă care se apropie de o limită electrică sau termică poate conta înainte ca citirea generală a pack-ului să pară neobișnuită. (nxp.com)

De la citiri ale celulelor la limite de operare

BMS face mai mult decât să colecteze măsurători. Tensiunea, curentul și temperatura sunt intrări de senzori; state of charge și state of health sunt stări calculate sau estimate, construite din măsurători ale bateriei și din algoritmii BMS. Infineon listează estimarea SOC/SOH alături de detectarea defectelor, balancing și comunicare ca funcții de bază ale BMS pentru stocarea energiei în baterii. Pentru un nespecialist, distincția utilă este că o stare afișată a bateriei nu este un alt canal brut de senzor. Este estimarea de lucru a BMS pentru o condiție care nu poate fi măsurată cu un singur senzor. (infineon.com)

Aceste măsurători și estimări devin utile atunci când BMS le transformă în limite de operare. O baterie care se încălzește sau se apropie de o limită de tensiune a celulei nu trece întotdeauna direct de la operare normală la oprire completă. În sisteme gestionate, BMS poate transmite echipamentelor conectate să reducă ceea ce solicită de la baterie. Victron oferă un exemplu concret: un BMS inteligent CAN-bus poate trimite o limită de tensiune de încărcare, o limită de curent de încărcare și o limită de curent de descărcare către controlerul sistemului, care apoi transmite aceste constrângeri către invertoarele/încărcătoarele și încărcătoarele conectate. Aceste limite se pot schimba și dinamic pe măsură ce tensiunea celulei, state of charge sau temperatura se schimbă, astfel încât legătura dintre BMS și controler contează atât în operarea normală, cât și în timpul unei defecțiuni. Dacă o celulă se apropie de o limită superioară în timpul încărcării, reducerea încărcării permise poate menține bateria departe de acea limită înainte ca o deconectare fermă să devină necesară. (victronenergy.com)

Protecția poate deveni și fizică. În sistemele de baterii de înaltă tensiune, contactoarele conectează și deconectează bateria de la circuitul principal de putere. Unitatea de management al bateriei BESS de la NXP include monitorizare de interblocare și control al contactoarelor, oferind arhitecturii BMS o modalitate de a izola bateria atunci când protecția cere mai mult decât o limită comunicată. Acesta este un tip diferit de acțiune față de reglarea obișnuită a puterii: una gestionează cât de intens este utilizată bateria, în timp ce cealaltă poate întrerupe complet conexiunea electrică. (nxp.com)

De ce o singură celulă poate limita întregul pack

Balancing are mai mult sens atunci când pack-ul este privit celulă cu celulă. Celulele din același pack sunt similare, dar mici diferențe de capacitate și condiții termice le pot face să se îndepărteze în timp. Texas Instruments notează într-un articol de design BESS că inconsecvența între celule și condițiile diferite de răcire pot crea dezechilibru, în timp ce dezechilibrul între pack-uri poate reduce energia maximă utilizabilă a ESS. La nivel de celulă, consecința practică este că o celulă poate atinge o limită mai devreme decât vecinele sale, lăsând o parte din energia potențială a pack-ului neutilizată, chiar dacă alte celule ar putea continua. (ti.com)

Balancing este funcția BMS care încearcă să împiedice aceste diferențe să devină prea mari. Nu face fiecare celulă identică și nu poate restaura capacitatea pierdută într-o celulă îmbătrânită sau deteriorată. Ce poate face este să reducă nepotrivirea, astfel încât o celulă să fie mai puțin probabil să devină în mod repetat limitatorul timpuriu al pack-ului. Ghidul Texas Instruments pentru balancing-ul celulelor ilustrează același principiu: când dezechilibrul este ridicat, celula cu cea mai mare tensiune poate încheia încărcarea devreme sau celula cu cea mai mică tensiune poate încheia descărcarea devreme, lăsând capacitate neutilizată în alte celule. De aceea balancing aparține lângă măsurare și protecție: BMS nu urmărește doar momentul în care o limită este depășită, ci gestionează și condițiile care influențează cât de uniform se apropie celulele de acea limită. (ti.com)

Comunicarea completează imaginea. Un BMS poate expune starea bateriei, alarmele și limitele de operare către echipamente externe, iar BESS BMU de la NXP include interfețe Ethernet, CAN FD și RS485 pentru conectarea la un energy management system. Dar BMS nu realizează conversia de putere AC/DC a PCS și nici nu trebuie să ia fiecare decizie la nivelul amplasamentului. Un controler de nivel superior poate decide când sistemul trebuie să se încarce sau să se descarce; BMS furnizează informațiile și limitele de pe partea bateriei care fac aceste decizii sigure pentru pack. (nxp.com)

O modalitate utilă de a înțelege un BMS este, prin urmare, să urmăriți lanțul de la observație la acțiune. El urmărește celulele și condițiile pack-ului, transformă măsurătorile în estimări ale stării bateriei, verifică acele condiții față de limitele de operare, echilibrează celulele care se îndepărtează și comunică sau impune restricții atunci când este necesar. Nu poate opri îmbătrânirea bateriilor, repara o celulă slabă sau înlocui celelalte controlere dintr-un sistem de stocare a energiei. Ceea ce oferă este limita operațională a bateriei: informațiile și protecția care permit restului sistemului să folosească pack-ul fără a-l trata ca pe o cutie simplă cu o tensiune la borne. Este o descriere mai puțin dramatică decât „creierul”, dar este mult mai apropiată de ceea ce face de fapt un BMS.