System zarządzania baterią BMS

Baterie litowo-jonowe są stosowane w instalacjach fotowoltaicznych, samochodach elektrycznych czy rowerach elektrycznych. Ze względu na swoje parametry pracy wymagają systemu zarządzania baterią – BMS – który ma zapewnić wysoką trwałość oraz niezawodność baterii.

Poniżej omawiamy, co to jest BMS, jak działa, oraz co to jest balansowanie ogniw, jakie są rodzaje balansowania, oraz ich zalety i wady.

Zobacz, jakie są prognozy cen prądu na 2027 r. na podstawie cen giełdowych, po jakich sprzedawcy prądu kupują dzisiaj energię elektryczną z dostawą w 2027 r. (tzw. kontrakty na dostawę prądu w 2027 r.).

Co to jest BMS?

Ogniwa litowo-jonowe charakteryzują się największą gęstością energii (dzięki czemu baterie mają stosunkowo małe wymiary) i są obecnie standardowo montowane w wielu produktach od laptopów, przez magazyny energii, po samochody elektryczne. Podczas gdy ich wydajność jest bardzo dobra, mogą stwarzać zagrożenie, jeśli ich parametry pracy znajdą się poza dość wąskim, bezpiecznym zakresem.

Z tego powodu nie należy, np. przeładowywać baterii litowo-jonowych, ani nie powinno się też ich całkowicie rozładowywać. Sytuację komplikuje fakt, iż bateria składa się z wielu ogniw bateryjnych, z których każde powinno być osobno nadzorowane. To jest właśnie zadanie BMS.

BMS jest połączeniem elektroniki z oprogramowaniem i funkcjonuje jako mózg baterii. BMS jest systemem, który służy do ciągłej kontroli ogniw bateryjnych i parametrów ich pracy. Napięcie na poszczególnych ogniwach musi być kontrolowane, w przeciwnym wypadku cała bateria może ulec uszkodzeniu. Może to nawet doprowadzić do powstania ognia.

Na filmie poniżej przykłady powstania ognia wywołane bateriami litowo-jonowymi (w ustawieniach filmu można włączyć polskie napisy).

Zobacz porównanie cen magazynów energii. Oprócz cen znajdziesz tam również informacje o koszcie magazynowania energii, długości gwarancji, itp.

Funkcje systemu BMS

BMS posiada dwie podstawowe funkcje:

• zapewnienie bezpiecznej pracy baterii,
• zapewnienie niezawodnej pracy baterii.

Aby BMS funkcjonował prawidłowo, musi otrzymać informacje dotyczące:

• napięcia ogniwa bateryjnego oraz napięcia baterii,
• temperatur w różnych miejscach baterii,
• natężenia przepływu prądu w baterii, czy bateria jest ładowana czy rozładowywana, oraz z jaką intensywnością.

Wewnątrz BMS algorytmy przeliczają wymienione powyżej dane wejściowe w celu ustalenia danych wyjściowych:

• SoC – State of Charge – poziom naładowania baterii, np. 60% naładowania baterii,
• SoH – State of Health – jaka jest pojemność baterii w porównaniu do wartości znamionowej, czyli, gdy bateria była nowa. Np. po dwóch latach użytkowania telefonu, bateria nie ma już takiej pojemności jak wówczas, gdy była nowa. Trzeba ją częściej ładować,
• komunikaty dotyczące stanu baterii, które są potrzebne aplikacji nadzorującej w prawidłowym funkcjonowaniu.

BMS przyjmuje określone dane wejściowe, które przelicza wg zadanych algorytmów, aby uzyskać dane wyjściowe przekazywane do aplikacji nadzorującej.

Balansowanie ogniw

Z upływem czasu ogniwa bateryjne, z których zbudowany jest akumulator zużywają się w różnym tempie. Może to powodować różnice w parametrach pracy poszczególnych ogniw. BMS powinien wykryć te różnice oraz ograniczać ich wpływ na pracę całego akumulatora – funkcja ta nazywa się balansowaniem ogniw. Jeżeli różnice staną się zbyt znaczące, lub jeżeli BMS nie będzie potrafił ich wykryć (duży problem w ogniwach LFP), bateria może się po prostu wyłączyć, lub pojawią się niestabilne zachowania – chaotyczne zmiany SoC lub ograniczona pojemność.

Baterie typu LFP – obecnie najczęściej stosowane w domowych magazynach energii – wymagają szczególnie precyzyjnego monitoringu, ponieważ różnica napięć pomiędzy baterią naładowaną a rozładowaną jest bardzo niewielka – zobacz wykres powyżej.

Akumulatory typu NMC – stosowane na ogół w samochodach elektrycznych – są pod tym względem łatwiejsze do kontroli. Różnica napięć pomiędzy baterią naładowaną oraz rozładowaną jest na tyle duża, iż nie stwarza trudności.

Zobacz, ile kosztuje instalacja fotowoltaiczna, w zależności od mocy, z magazynem energii lub bez.

Gdy ogniwa w baterii mają różne poziomy naładowania SOC, całkowita pojemność akumulatora jest równa pojemności ogniwa o najniższym poziomie naładowania. Podczas rozładowywania magazynu energii najpierw rozładuje się ogniwo o najniższym poziomie naładowania, co spowoduje wyłączenie baterii. Podczas ładowania ogniwo o najwyższym poziomie naładowania przerwie ładowanie, zanim ogniwa o niższym poziomie naładowania zostaną w pełni naładowane.

Wiele współczesnych systemów zarządzania baterią BMS wykorzystuje balansowanie pasywne, które ma na celu okresowe wyrównanie stanu naładowania SOC wszystkich ogniw połączonych szeregowo. Balansowanie pasywne polega na podłączeniu rezystora do każdego pojedynczego ogniwa w razie potrzeby, aby zmniejszyć jego energię i obniżyć poziom naładowania SOC ogniwa.

Przykładem zastosowania balansowania pasywnego jest magazyn energii BYD HVS / HSM, oraz HVS+ / HVM+.

Alternatywnie – oprócz balansowania pasywnego – stosowane jest balansowanie aktywne, które umożliwia przenoszenie energii pomiędzy ogniwami w baterii (rozładowywanie jednego ogniwa i przenoszenie energii do innego ogniwa). Pozwala to na mniejsze wytwarzanie ciepła, szybsze balansowanie i wyższą sprawność.

Przykładem zastosowania balansowania pasywnego jest magazyn energii Sofar Solar BTS 5K.

Balansowanie ogniw pasywne i aktywne

Z upływem czasu, w baterii pojawiają się różnice w pojemności poszczególnych ogniw bateryjnych, nawet jeśli początkowo były one takie same. Na przykład ogniwa znajdujące się w różnych miejscach w akumulatorze mogą być narażone na działanie różnych temperatur lub ciśnień, co wpływa na ich pojemność. Ponadto niewielkie różnice wynikające z procesu produkcji mogą z czasem się nasilić i powodować różnice w pojemności. Zrozumienie tych różnic w pojemności ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia przyczyn balansowania poziomu naładowania SOC.

Utrzymanie równowagi poziomu naładowania SOC wymaga dostosowania prądu ładowania/rozładowania każdego ogniwa do jego pojemności. W ogniwach połączonych równolegle odbywa się to automatycznie, ponieważ prąd przepływa z ogniw o wyższym poziomie naładowania do ogniw o niższym poziomie naładowania. Natomiast w przypadku ogniw połączonych szeregowo prąd między ogniwami jest taki sam, co powoduje nierównowagę, jeśli występują różnice w pojemnościach. Jest to istotne, ponieważ większość magazynów energii posiada szeregowe połączenia ogniw.

Balansowanie pasywne obniża poziom naładowania ogniw SOC poprzez podłączenie rezystora do poszczególnych ogniw (rezystor po prostu rozładowuje ogniwo). Natomiast balansowanie aktywne wykorzystuje układ przełączający w celu dystrybucji energii między ogniwami w baterii.

Balansowanie pasywne jest zazwyczaj ograniczone do prądu 0,25 A, podczas gdy balansowanie aktywne może pracować z prądem do 6 A. Wyższy prąd balansowania pozwala na szybsze balansowanie, co jest korzystne w przypadku magazynów energii do domu.

Balansowanie pasywne ma sens jedynie podczas ładowania, ponieważ jego stosowanie podczas rozładowywania przyspiesza wyczerpywanie się baterii. Natomiast balansowanie aktywne można stosować zarówno podczas ładowania, jak i rozładowywania.

Możliwość aktywnego balansowania podczas rozładowywania zapewnia więcej czasu na balansowanie i pozwala na przenoszenie energii z ogniw o większej pojemności do ogniw o mniejszej, co wydłuża czas pracy magazynu energii.

Do głównych wad aktywnego balansowania należą:

• wysokie koszty elektroniki: wymaga zastosowania kosztownych elementów, takich jak transformatory, cewki indukcyjne, przełączniki i sterowniki; opierają się one na skomplikowanych układach co utrudnia diagnostykę i produkcję;
• wymagana przestrzeń i objętość: zastosowanie dużych elementów elektronicznych, takich jak transformatory, zwiększa ogólną powierzchnię i masę baterii;
• większe ryzyko usterki, gdyż większa liczba komponentów zwiększa prawdopodobieństwo awarii, co może grozić uszkodzeniem ogniw w przypadku awarii systemu;
• zwiększone zużycie prądu na pracę własną, gdyż przesyłanie energii powoduje straty związane ze zwiększaniem lub zmniejszaniem napięcia, obniżając całkowitą sprawność systemu.