Batériový pack môže navonok vyzerať normálne, zatiaľ čo jeden článok vnútri sa už približuje k problému. Celkové napätie packu sa môže stále zdať prijateľné, no jeden článok môže byť bližšie k svojej hornej hranici napätia alebo pracovať teplejšie než susedné články. Práve na tejto úrovni sa systém riadenia batérie, teda BMS, stáva nevyhnutným. Jeho úlohou nie je iba zapínať a vypínať batériu a označovať ho za „mozog“ celého úložiskového systému mu pripisuje príliš veľa. BMS batériu podrobne monitoruje, odhaduje stavy batérie, ktoré senzory nedokážu priamo oznámiť, a komunikuje alebo presadzuje limity, v ktorých má batéria pracovať.

Vo vysokonapäťovom úložiskovom systéme môžu byť tieto úlohy rozdelené medzi viacero hardvérových prvkov. Referenčný návrh NXP 1500 V BESS napríklad používa jednotky monitorovania článkov na meranie napätia jednotlivých článkov a teplôt prostredia, zatiaľ čo jednotka riadenia batérie spracúva dáta a riadi vyššie úrovne činností. Rovnaký návrh zahŕňa aj snímanie na úrovni packu a rozhrania stykačov. Dôvod pozerať sa pod celkový údaj packu je jednoduchý: pack sa skladá z mnohých článkov a článok približujúci sa k elektrickej alebo tepelnej hranici môže byť dôležitý skôr, než celkový údaj packu začne vyzerať nezvyčajne. (nxp.com)

Od údajov článkov k prevádzkovým limitom

BMS robí viac než len zbiera merania. Napätie, prúd a teplota sú vstupy zo senzorov; stav nabitia a stav zdravia sú vypočítané alebo odhadované stavy postavené na meraniach batérie a algoritmoch BMS. Infineon uvádza odhad SOC/SOH spolu s detekciou porúch, vyrovnávaním a komunikáciou ako základné funkcie BMS pre batériové skladovanie energie. Pre nešpecialistu je užitočné rozlíšenie v tom, že zobrazený stav batérie nie je ďalší surový senzorový kanál. Je to pracovný odhad BMS o stave, ktorý nemožno zmerať jediným senzorom. (infineon.com)

Tieto merania a odhady sú užitočné vtedy, keď ich BMS premení na prevádzkové limity. Batéria, ktorá sa zahrieva alebo sa približuje k hranici napätia článku, nemusí vždy prejsť priamo z normálnej prevádzky do úplného vypnutia. V riadených systémoch môže BMS povedať pripojenému zariadeniu, aby znížilo požiadavky na batériu. Victron poskytuje konkrétny príklad: inteligentný CAN-bus BMS môže poslať limit nabíjacieho napätia, limit nabíjacieho prúdu a limit vybíjacieho prúdu systémovému kontroléru, ktorý tieto obmedzenia následne odovzdá pripojeným striedačom/nabíjačkám a nabíjačkám. Tieto limity sa môžu dynamicky meniť podľa napätia článkov, stavu nabitia alebo teploty, takže spojenie BMS s kontrolérom je dôležité počas bežnej prevádzky aj pri poruche. Ak sa jeden článok pri nabíjaní približuje k hornej hranici, zníženie povoleného nabíjania môže udržať batériu mimo tejto hranice skôr, než bude potrebné tvrdé odpojenie. (victronenergy.com)

Ochrana môže byť aj fyzická. Vo vysokonapäťových batériových systémoch stykače pripájajú a odpájajú batériu od hlavného výkonového obvodu. Jednotka riadenia batérie BESS od NXP zahŕňa monitorovanie blokovania a riadenie stykačov, čím architektúre BMS dáva spôsob izolovať batériu, keď ochrana vyžaduje viac než komunikovaný limit. Je to iný druh činnosti než bežná regulácia výkonu: jedna riadi, ako intenzívne sa batéria používa, zatiaľ čo druhá môže úplne prerušiť elektrické pripojenie. (nxp.com)

Prečo jeden článok môže obmedziť celý pack

Vyrovnávanie dáva väčší zmysel, keď sa pack vníma článok po článku. Články v tom istom packu sú podobné, ale malé rozdiely v kapacite a tepelných podmienkach môžu časom spôsobiť ich rozchádzanie. Texas Instruments v článku o návrhu BESS uvádza, že nekonzistentnosť medzi článkami a rozdielne podmienky chladenia môžu vytvárať nevyváženosť, zatiaľ čo nevyváženosť medzi packmi môže znížiť maximálnu použiteľnú energiu ESS. Na úrovni článku je praktickým dôsledkom to, že jeden článok môže dosiahnuť limit skôr než jeho susedia, takže časť potenciálnej energie packu zostane nevyužitá, hoci iné články by mohli pokračovať. (ti.com)

Vyrovnávanie je funkcia BMS, ktorá sa snaží zabrániť tomu, aby tieto rozdiely príliš narástli. Nerobí každý článok identickým a nedokáže obnoviť stratenú kapacitu v zostarnutom alebo poškodenom článku. Dokáže však znížiť nesúlad, aby sa jeden článok menej často stával opakovaným skorým obmedzením packu. Usmernenie Texas Instruments k vyrovnávaniu článkov ilustruje rovnaký princíp: keď je nevyváženosť vysoká, článok s najvyšším napätím môže predčasne ukončiť nabíjanie alebo článok s najnižším napätím môže predčasne ukončiť vybíjanie, takže kapacita v iných článkoch zostane nevyužitá. Preto vyrovnávanie patrí vedľa merania a ochrany: BMS nesleduje iba okamih prekročenia hranice, ale riadi aj podmienky ovplyvňujúce, ako rovnomerne sa články k tejto hranici približujú. (ti.com)

Komunikácia dopĺňa celý obraz. BMS môže sprístupniť stav batérie, alarmy a prevádzkové limity externému zariadeniu a BESS BMU od NXP zahŕňa rozhrania Ethernet, CAN FD a RS485 na pripojenie k systému energetického manažmentu. BMS však nevykonáva AC/DC výkonovú konverziu PCS ani nemusí robiť každé rozhodnutie na úrovni lokality. Vyšší kontrolér môže rozhodovať, kedy sa má systém nabíjať alebo vybíjať; BMS dodáva informácie a limity zo strany batérie, ktoré robia tieto rozhodnutia bezpečnými pre pack. (nxp.com)

Užitočný spôsob, ako pochopiť BMS, je sledovať reťazec od pozorovania k činnosti. Sleduje články a podmienky packu, premieňa merania na odhady stavu batérie, porovnáva tieto podmienky s prevádzkovými limitmi, vyrovnáva články, ktoré sa rozchádzajú, a podľa potreby komunikuje alebo presadzuje obmedzenia. Nedokáže zastaviť starnutie batérií, opraviť slabý článok ani nahradiť iné kontroléry v systéme skladovania energie. Poskytuje však prevádzkovú hranicu batérie: informácie a ochranu, ktoré zvyšku systému umožňujú používať pack bez toho, aby s ním zaobchádzal ako s jednoduchou skrinkou s napätím na svorkách. Je to menej dramatický opis než „mozog“, ale oveľa bližší tomu, čo BMS skutočne robí.