Ett batteripaket kan se normalt ut från utsidan medan en cell inuti redan närmar sig ett problem. Paketets totala spänning kan fortfarande verka acceptabel, men en cell kan ligga närmare sin övre spänningsgräns eller vara varmare än sina grannar. Det är på den nivån som ett batterihanteringssystem, eller BMS, blir nödvändigt. Dess uppgift är inte bara att slå på och av batteriet, och att kalla det hjärnan i ett helt lagringssystem ger det för mycket erkännande. Ett BMS övervakar batteriet noga, uppskattar batteritillstånd som sensorer inte kan rapportera direkt och kommunicerar eller upprätthåller de gränser inom vilka batteriet bör arbeta.

I ett högspänningslagringssystem kan dessa uppgifter fördelas över flera hårdvarukomponenter. NXP:s referenskonstruktion 1500 V BESS använder till exempel cellövervakningsenheter för att mäta enskilda cellspänningar och omgivningstemperaturer, medan batterihanteringsenheten bearbetar data och styr åtgärder på högre nivå. Samma konstruktion omfattar även mätning på paketnivå och kontaktorgränssnitt. Skälet att titta under paketets totalsiffra är enkelt: paketet består av många celler, och en cell som närmar sig en elektrisk eller termisk gräns kan vara viktig innan paketets totala avläsning ser ovanlig ut. (nxp.com)

Från cellavläsningar till driftsgränser

BMS gör mer än att samla in mätvärden. Spänning, ström och temperatur är sensorindata; laddningstillstånd och hälsotillstånd är beräknade eller uppskattade tillstånd som byggs upp från batterimätningar och BMS:s algoritmer. Infineon listar SOC/SOH-uppskattning tillsammans med feldetektering, balansering och kommunikation som centrala BMS-funktioner för batterienergilagring. För en icke-specialist är den användbara skillnaden att ett visat batteritillstånd inte är ännu en rå sensorkanal. Det är BMS:s arbetsuppskattning av ett tillstånd som inte kan mätas med en enda sensor. (infineon.com)

Dessa mätningar och uppskattningar blir användbara när BMS omvandlar dem till driftsgränser. Ett batteri som blir varmt eller närmar sig en cellspänningsgräns går inte alltid direkt från normal drift till fullständig avstängning. I hanterade system kan BMS säga till ansluten utrustning att minska vad den begär av batteriet. Victron ger ett konkret exempel: ett intelligent CAN-bus BMS kan skicka en laddspänningsgräns, laddströmsgräns och urladdningsströmsgräns till systemstyrenheten, som sedan skickar dessa begränsningar vidare till anslutna växelriktare/laddare och laddare. Gränserna kan också ändras dynamiskt när cellspänning, laddningstillstånd eller temperatur förändras, så länken mellan BMS och styrenheten spelar roll både under normal drift och vid fel. Om en cell närmar sig en övre gräns under laddning kan en minskning av tillåten laddning hålla batteriet borta från den gränsen innan en hård frånkoppling blir nödvändig. (victronenergy.com)

Skydd kan också bli fysiskt. I högspänningsbatterisystem ansluter och kopplar kontaktorer bort batteriet från huvudströmkretsen. NXP:s batterihanteringsenhet BESS omfattar övervakning av förregling och kontaktorstyrning, vilket ger arkitekturen BMS ett sätt att isolera batteriet när skyddet kräver mer än en kommunicerad gräns. Detta är en annan typ av åtgärd än vanlig effektreglering: den ena styr hur hårt batteriet används, medan den andra kan bryta den elektriska anslutningen helt. (nxp.com)

Varför en enda cell kan begränsa hela paketet

Balansering blir mer begriplig när paketet betraktas cell för cell. Cellerna i samma paket är likartade, men små skillnader i kapacitet och termiska förhållanden kan få dem att avvika från varandra över tid. Texas Instruments noterar i en designartikel om BESS att inkonsekvens mellan celler och olika kylförhållanden kan skapa obalans, medan obalans mellan paket kan minska ESS-systemets maximalt användbara energi. På cellnivå innebär det i praktiken att en cell kan nå en gräns tidigare än sina grannar, så att en del av paketets potentiella energi lämnas oanvänd trots att andra celler skulle kunna fortsätta. (ti.com)

Balansering är den funktion i BMS som försöker hindra att dessa skillnader blir för stora. Den gör inte varje cell identisk och kan inte återställa förlorad kapacitet i en åldrad eller skadad cell. Däremot kan den minska avvikelsen, så att en cell är mindre benägen att upprepade gånger bli paketets tidiga begränsning. Texas Instruments vägledning om cellbalansering illustrerar samma princip: när obalansen är stor kan cellen med högst spänning avsluta laddningen tidigt eller cellen med lägst spänning avsluta urladdningen tidigt, vilket lämnar kapacitet i andra celler oanvänd. Därför hör balansering ihop med mätning och skydd: BMS övervakar inte bara ögonblicket då en gräns passeras, utan hanterar också förhållanden som påverkar hur jämnt cellerna närmar sig den gränsen. (ti.com)

Kommunikation fullbordar bilden. En BMS kan ge extern utrustning åtkomst till batteristatus, larm och driftgränser, och NXP:s BESS BMU har gränssnitt för Ethernet, CAN FD och RS485 för anslutning till ett energihanteringssystem. Men BMS utför inte PCS:ets AC/DC-effektomvandling och behöver inte heller fatta varje beslut på platsnivå. En styrenhet på högre nivå kan avgöra när systemet ska ladda eller ladda ur; BMS tillhandahåller batterisidans information och gränser som gör besluten säkra för paketet. (nxp.com)

Ett användbart sätt att förstå en BMS är därför att följa kedjan från observation till åtgärd. Den övervakar celler och paketförhållanden, omvandlar mätningar till uppskattningar av batteritillstånd, kontrollerar förhållandena mot driftgränser, balanserar celler som glider isär och kommunicerar eller verkställer begränsningar vid behov. Den kan inte hindra batterier från att åldras, reparera en svag cell eller ersätta de andra styrenheterna i ett energilagringssystem. Det den erbjuder är batteriets driftsmässiga gräns: informationen och skyddet som låter resten av systemet använda paketet utan att betrakta det som en enkel låda med en spänning vid sina terminaler. Det är en mindre dramatisk beskrivning än ”hjärnan”, men ligger mycket närmare vad en BMS faktiskt gör.