Il BMS di una batteria al litio: protezioni, bilanciamento
Il BMS (« Battery Management System », sistema di gestione della batteria) è la scheda elettronica che controlla le celle di una batteria al litio. Lo si nota soprattutto quando interrompe l'erogazione. Tuttavia, fa molto di più: misura, protegge, bilancia e, sui modelli recenti, registra la storia della batteria. Questa guida apre la scatola.
L'essenziale
- Il BMS misura la tensione di ogni gruppo di celle, la corrente e le temperature.
- Interrompe la carica o la scarica tramite transistor quando viene superato un limite.
- Bilancia le celle affinché mantengano lo stesso livello di carica: dissipando l'eccedenza (passivo) o trasferendola (attivo).
- Un BMS connesso consente di leggere lo stato di ogni gruppo di celle da uno smartphone o da un controller.
Cosa misura il BMS
- La tensione di ogni gruppo di celle in serie: è la misura più importante, poiché è il gruppo più debole a determinare i limiti dell'intera batteria.
- La corrente, in carica e in scarica, solitamente tramite una resistenza di shunt.
- Le temperature, tramite sonde posizionate tra le celle e sui suoi stessi componenti di potenza.
Le protezioni
| Protezione | Attivata da | Effetto |
|---|---|---|
| Sovraccarica | Un gruppo al di sopra della sua tensione massima | Interrompe la carica |
| Scarica profonda | Un gruppo al di sotto della sua tensione minima | Interrompe la scarica |
| Sovracorrente in scarica | Corrente superiore al limite per un determinato tempo | Interrompe la scarica |
| Cortocircuito | Corrente estrema | Interrompe in pochi microsecondi |
| Sovracorrente in carica | Corrente di carica eccessiva, anche durante la frenata rigenerativa | Interrompe la carica |
| Temperatura | Troppo caldo, o troppo freddo per la carica | Interrompe la carica o la scarica |
L'interruzione avviene tramite transistor di potenza posizionati sul polo negativo della batteria. Alcuni BMS dispongono di una singola uscita per carica e scarica (porta comune), mentre altri hanno due uscite separate: la porta di carica può così avere un limite di corrente notevolmente inferiore. Le interruzioni in accelerazione sono descritte nella nostra guida batteria e BMS che interrompono l'erogazione, e l'effetto sulla frenata in quella dedicata alla frenata rigenerativa.
Perché bilanciare
Nessuna cella è perfettamente identica a un'altra. Con il passare dei cicli, lievi differenze di capacità e autoscarica causano la deriva dei gruppi: uno arriva a carica completa prima degli altri, un altro si scarica per primo. Senza correzione, la batteria perde capacità utile (la carica si interrompe al primo gruppo pieno, la scarica al primo gruppo vuoto) e i gruppi estremi si usurano più rapidamente.
Il bilanciamento passivo
Il più comune. Al termine della carica, il BMS collega una piccola resistenza sui gruppi con tensione più elevata per dissipare l'eccedenza sotto forma di calore, finché gli altri gruppi non li raggiungono. È semplice e affidabile, ma lento: la corrente di bilanciamento è debole. Corregge solo lievi scostamenti e unicamente quando la batteria viene ricaricata completamente con regolarità.
Il bilanciamento attivo
Il BMS trasferisce energia dai gruppi più carichi a quelli meno carichi tramite circuiti a condensatori o induttanze. Spreca meno energia, lavora con correnti più elevate e può agire in qualsiasi momento, non solo a fine carica. È più complesso e costoso. Si trova sulle batterie di grandi dimensioni e come integrazione a BMS esistenti.
Il consiglio dell'officina
Una batteria con bilanciamento passivo deve essere caricata al 100% di tanto in tanto e lasciata in carica per un po' di tempo dopo che la spia indica "carica completa": è in quel momento che il bilanciamento entra in funzione. Una batteria mantenuta sempre carica all'80% non si bilancia quasi mai.
Il BMS connesso
I BMS recenti, definiti "smart", comunicano tramite Bluetooth o collegamento cablato. Permettono di leggere la tensione di ciascun gruppo, la corrente, le temperature, il numero di cicli e gli eventuali guasti registrati. È un prezioso strumento di diagnosi: un gruppo che si discosta dagli altri viene individuato immediatamente.
Collegato al controller, un BMS connesso consente anche di spingersi oltre: il controller può adattare la propria potenza alle condizioni reali della batteria, anziché scoprirlo nel momento in cui il BMS interrompe l'erogazione. I nostri controller RageLink, ad esempio, si collegheranno al BMS della batteria.
Domande frequenti
La mia batteria sta perdendo autonomia, è un problema di bilanciamento?
È possibile. Con un BMS connesso, confrontate la tensione dei gruppi a batteria carica: una discrepanza evidente segnala uno squilibrio o una cella usurata. Diverse cariche complete possono risolvere il problema se lo scostamento è minimo.
Un BMS attivo è sempre da preferire?
Non necessariamente. Su una batteria con celle ben accoppiate e ricaricata regolarmente al massimo, un bilanciamento passivo è sufficiente. Quello attivo diventa utile su batterie di grandi dimensioni e con celle soggette a deriva.
È possibile sostituire il BMS di una batteria?
Sì, ma si tratta di un intervento delicato su celle cariche, da affidare a uno specialista. Il nuovo BMS deve corrispondere al numero di celle in serie, alla chimica e ai valori di corrente della batteria.