A Sistema di gestione della batteria (BMS) LiFePO4È la scheda elettronica che monitora, protegge e bilancia un pacco batterie al litio ferro fosfato (LiFePO4). Si trova tra le celle della batteria e il resto del sistema elettrico, misurando costantemente tensione, corrente e temperatura per garantire che ogni cella operi entro un intervallo di sicurezza.

Senza un BMS, un pacco batterie LiFePO4 non ha alcuna protezione integrata contro sovraccarico, scarica eccessiva, cortocircuiti o squilibrio delle celle, ognuno dei quali può ridurre la durata del pacco o, nel peggiore dei casi, creare un pericolo per la sicurezza. Per questo motivo, la stragrande maggioranza dei pacchi batterie LiFePO4 commercializzati per l'accumulo di energia solare, i veicoli elettrici, l'uso nautico, i camper o come fonte di alimentazione di emergenza viene fornita con un BMS dedicato, anziché affidarsi esclusivamente al caricabatterie o all'inverter.

Perché le batterie LiFePO4 necessitano specificamente di un BMS

Le celle LiFePO4 sono intrinsecamente più stabili termicamente rispetto ad altre chimiche al litio come NCM (nichel cobalto manganese) o NCA (nichel cobalto alluminio), una scelta ampiamente utilizzata per lo stoccaggio stazionario e molte applicazioni di mobilità. Ma "più stabile" non significa "nessuna gestione necessaria". Un pacco multicella LiFePO4 deve comunque affrontare tre problemi ricorrenti che un BMS è specificamente progettato per risolvere:

• Deriva della tensione delle celle.Anche le celle provenienti dallo stesso lotto di produzione non invecchiano in modo identico. Nel corso di centinaia di cicli, piccole differenze di fabbricazione si sommano, generando significative differenze di potenziale tra le celle: esattamente il problema che i circuiti di bilanciamento sono progettati per correggere.
• Curva di portata piatta.Le batterie al LiFePO4 presentano una curva di tensione notevolmente piatta per la maggior parte del loro stato di carica, il che rende difficile stimare la capacità residua basandosi solo sulla tensione. Un BMS con conteggio di Coulomb, che monitora l'esatta quantità di corrente che entra ed esce dal pacco nel tempo, anziché stimarla solo dalla tensione, fornisce una lettura dello stato di carica più accurata.
• Intervallo di funzionamento sicuro ristretto agli estremi.Le celle LiFePO4 sono tolleranti nella parte centrale del loro intervallo di carica, ma necessitano comunque di interruzioni brusche a carica completa e scarica profonda per evitare una perdita di capacità a lungo termine.

Da cosa protegge effettivamente un BMS al LiFePO4?

Un BMS (Battery Management System) correttamente configurato per pacchi batteria al litio gestisce le seguenti funzioni di protezione:

1. Protezione da sovraccarico— interrompe la ricarica quando una cella raggiunge il suo limite di tensione massimo
2. Protezione da sovraccarico— interrompe il carico prima che la tensione della cella scenda a un livello tale da causare danni permanenti
3. Protezione da sovracorrente/cortocircuito— interrompe il circuito se la corrente supera la soglia nominale
4. Protezione contro il surriscaldamento— interrompe la carica o la scarica al di fuori dell'intervallo di temperatura sicuro
5. Bilanciamento cellulare— equalizza la tensione su tutte le celle della stringa in serie, in modo passivo o attivo

Bilanciamento attivo vs. bilanciamento passivo in un BMS al LiFePO4

bilanciamento passivoDissipa l'energia in eccesso dalle celle ad alta tensione sotto forma di calore attraverso una resistenza finché il resto del pacco non si è caricato correttamente. È un sistema semplice, economico e adeguato per pacchi batteria di piccole dimensioni o applicazioni in cui i cicli di carica sono poco frequenti.

Bilanciamento attivoTrasferisce l'energia dalle celle a voltaggio più elevato a quelle a voltaggio inferiore anziché dissiparla sotto forma di calore. È più efficiente, genera meno calore di scarto e in genere si traduce in un bilanciamento più rapido e in una migliore durata del pacco batteria, aspetto che diventa ancora più importante con l'aumentare delle dimensioni del pacco, del numero di celle e della frequenza dei cicli (pacchi batteria di grandi dimensioni per sistemi di accumulo di energia, sistemi di accumulo solare con cicli giornalieri, pacchi batteria ad alta capacità per veicoli elettrici).

Per pacchi batteria piccoli e con pochi cicli di carica/scarica, il bilanciamento passivo è spesso sufficiente. Per sistemi LiFePO4 più grandi o sottoposti a numerosi cicli di carica/scarica, il bilanciamento attivo giustifica il costo aggiuntivo.

Come scegliere il BMS LiFePO4 giusto

Quando si confronta un BMS per pacchi batteria al litio, quattro specifiche determinano se sarà effettivamente compatibile con il sistema:

1. Conteggio delle cellule (conteggio S).Il BMS deve corrispondere esattamente alla configurazione in serie del pacco batterie: un BMS 4S per un pacco da 12V, 8S per 24V, 16S per 48V e così via (in base alla tensione nominale della cella LiFePO4 di circa 3,2V). Un numero errato di S è una delle cause più comuni di incompatibilità del BMS.
2. Corrente nominale continua e di picco.Dimensionate il BMS in base al consumo massimo effettivo, non solo a quello tipico, e lasciate un margine di sicurezza: un BMS che funziona continuamente al suo limite massimo assoluto si surriscalderà e si usurerà più rapidamente.
3. Tipo di bilanciamento e corrente di bilanciamento.Come spiegato in precedenza, è necessario scegliere tra bilanciamento passivo e attivo in base alle dimensioni del pacco batterie e alla frequenza di utilizzo, e verificare la corrente di bilanciamento (mA): una corrente di bilanciamento più elevata consente un'equalizzazione più rapida con pacchi batterie più grandi.
4. Protocollo di comunicazione.Se il BMS deve comunicare con un inverter, un'app di monitoraggio o la rete CAN del veicolo, prima dell'acquisto, e non dopo l'installazione, verificate che supporti il ​​protocollo corretto (in genere RS485, bus CAN, UART o Bluetooth).

Sistemi BMS al LiFePO4 in base alla tensione: 12V, 24V e 48V/51,2V

Le schede BMS al LiFePO4 sono in genere specificate in base alla tensione nominale del sistema, che corrisponde a un numero specifico di celle:

• Sistemi a 12V (4S):la configurazione più comune per l'alimentazione portatile, i piccoli impianti solari e le batterie di ricambio.
• Sistemi a 24 V (8S):comune nelle applicazioni solari marine, per camper e di medie dimensioni
• Sistemi a 48 V / 51,2 V (16S):la classe di tensione più comune per i sistemi di accumulo di energia domestici, gli impianti solari di grandi dimensioni e la maggior parte dei rack ESS commerciali

Il numero di celle è derivato dalla tensione nominale per cella di LiFePO4 di circa 3,2 V: 4 × 3,2 V ≈ 12,8 V, 8 × 3,2 V ≈ 25,6 V, 16 × 3,2 V ≈ 51,2 V.

I sistemi ad alta tensione generalmente richiedono maggiore attenzione al supporto dei protocolli di comunicazione, poiché è più probabile che siano abbinati a un inverter o a un sistema di gestione energetica più ampio che necessita di dati in tempo reale dal BMS.

Domande frequenti

Q1Una batteria al LiFePO4 necessita di un BMS?

Sì. Sebbene la chimica LiFePO4 sia termicamente più stabile rispetto ad altre chimiche al litio, un pacco multicella necessita comunque di un BMS per il bilanciamento delle celle, la protezione da sovraccarico/scarica eccessiva e il monitoraggio accurato dello stato di carica. L'utilizzo di un pacco LiFePO4 senza BMS elimina tutte queste misure di sicurezza.

Q2Qual è la differenza tra un BMS al LiFePO4 e un BMS agli ioni di litio generico?

Le funzioni di protezione principali sono simili, ma le soglie di tensione sono impostate in modo diverso per ciascuna chimica: l'intervallo di tensione per cella del LiFePO4 è inferiore rispetto alle celle agli ioni di litio NCM/NMC o NCA. Un BMS progettato per una determinata chimica non deve essere utilizzato così com'è su un'altra senza riconfigurare le soglie di tensione in modo che corrispondano alle specifiche della cella.

Q3Di quale amperaggio ha bisogno il BMS per un pacco batterie LiFePO4?

Assicurati che la corrente nominale continua del BMS corrisponda all'assorbimento massimo continuo effettivo del tuo sistema e scegli un modello con una capacità di picco/sovratensione che copra agevolmente i picchi momentanei (avvio del motore, sovratensione dell'inverter, ecc.) senza intervenire.

Q4Come si resetta un BMS per batterie LiFePO4?

La maggior parte delle unità BMS si ripristina automaticamente una volta risolta la condizione di guasto, ad esempio, quando la tensione torna a un intervallo di sicurezza dopo un evento di sovraccarico o scarica eccessiva. Alcuni modelli richiedono anche una riconnessione manuale della porta di carica o scarica, oppure una breve disconnessione/riconnessione del pacco batterie, per eliminare un guasto memorizzato. Consultare sempre la documentazione specifica del modello di BMS, poiché il comportamento di ripristino varia a seconda del modello.

Q5Un singolo BMS può funzionare con diverse chimiche del litio?

Alcuni modelli di BMS sono configurabili per diverse chimiche — LiFePO4, NCM o LTO (titanato di litio) — tramite soglie di tensione regolabili, ma questa impostazione deve essere corretta per la specifica chimica in uso. Un BMS cablato per l'intervallo di tensione di una chimica non deve essere considerato sicuro per un'altra senza prima averne verificato la configurabilità. Non tutti i modelli sul mercato supportano questa funzionalità: consultare la scheda tecnica specifica del BMS anziché presumere la compatibilità multi-chimica di default.

Scegliere un BMS al LiFePO4 per il tuo progetto

Il BMS più adatto dipende dalla tensione del pacco batterie, dal numero di celle, dall'assorbimento di corrente e dalle modalità di comunicazione con il resto del sistema. Fornisci questi quattro dettagli e il team tecnico di DALY potrà consigliarti la configurazione più appropriata: tensione/numero di celle del sistema (ad esempio 12V/4S, 24V/8S, 48V/16S), requisiti di corrente continua e di picco, applicazione (solare/sistemi di accumulo, settore nautico, camper, veicoli elettrici, carrelli elevatori, ecc.) e protocollo di comunicazione richiesto (RS485, CAN bus, UART, Bluetooth).

• E-mail: dalybms@dalyelec.com
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