BMS e protezione delle batterie al litio
Un pacco batterie al litio non è soltanto un insieme di celle collegate tra loro. Per funzionare in modo sicuro e affidabile servono controlli su tensione, corrente e temperatura. Il BMS, Battery Management System, supervisiona il pacco e può intervenire in caso di sovraccarica, sovrascarica, sovracorrente, cortocircuito o squilibrio tra le celle.
Cos’è un BMS?
BMS significa Battery Management System. È un sistema elettronico che misura alcune grandezze del pacco batterie e interviene quando vengono superate determinate soglie.
Nei sistemi più semplici può essere costituito da un circuito di protezione con pochi componenti; nei pacchi complessi può includere microcontrollori, sensori, memoria, comunicazione e algoritmi per stimare stato di carica e stato di salute.
Le principali funzioni di protezione
Tensione
Controlla che nessuna cella superi o scenda oltre le soglie previste.
Corrente
Può scollegare il pacco in caso di sovracorrente o cortocircuito.
Temperatura
Nei sistemi dotati di sensori può bloccare carica o scarica fuori intervallo.
| Protezione | Cosa controlla |
|---|---|
| Overcharge | Tensione troppo alta durante la carica. |
| Over-discharge | Tensione troppo bassa durante la scarica. |
| Over-current | Corrente superiore al limite previsto. |
| Short-circuit | Corrente anomala tipica di un corto. |
| Over-temperature | Temperatura oltre il range consentito, se monitorata. |
| Balancing | Riduzione delle differenze di stato di carica tra celle in serie. |
Protezione dalla sovraccarica
In un pacco in serie non basta controllare la tensione totale. Una singola cella può raggiungere il proprio limite superiore prima delle altre. Per questo un BMS multicella misura normalmente le tensioni dei singoli elementi o gruppi in serie.
Protezione dalla sovrascarica
Quando una cella scende sotto il limite previsto, il BMS può interrompere il percorso verso il carico. Questo evita che una cella più debole continui a scaricarsi mentre le altre possiedono ancora energia.
Sovracorrente e cortocircuito
Molti BMS utilizzano MOSFET di potenza per interrompere il collegamento quando la corrente supera una soglia. La corrente viene misurata mediante una resistenza di shunt o altri sistemi di rilevamento.
Controllo della temperatura
Nei BMS dotati di sensori termici, uno o più NTC possono essere posizionati vicino alle celle o ai componenti di potenza. Il sistema può impedire la carica o la scarica quando la temperatura esce dal range previsto.
Che cos’è il bilanciamento delle celle?
Con l’uso, le celle di un pacco in serie possono divergere leggermente per capacità, resistenza interna, temperatura e autoscarica. Il bilanciamento cerca di ridurre queste differenze.
Bilanciamento passivo
È il metodo più comune nei BMS economici. Quando una cella è più carica delle altre, una piccola corrente viene dissipata su una resistenza per permettere alle celle meno cariche di recuperare.
Bilanciamento attivo
Nei sistemi più sofisticati l’energia può essere trasferita dalle celle più cariche a quelle meno cariche o verso l’intero pacco. È più efficiente ma anche più complesso e costoso.
Come funziona un BMS in un pacco batterie
Cosa significano 1S, 2S, 3S, 4S?
La sigla indica il numero di elementi o gruppi collegati in serie che il BMS deve monitorare.
| BMS | Pacco previsto |
|---|---|
| 1S | 1 cella o 1 gruppo in serie |
| 2S | 2 celle/gruppi in serie |
| 3S | 3 celle/gruppi in serie |
| 4S | 4 celle/gruppi in serie |
B-, P-, C- e terminali di bilanciamento
Le sigle cambiano tra produttori, ma nei moduli comuni possiamo incontrare terminali come B+, B-, P+, P-, C- e collegamenti intermedi B1, B2, B3…
| Sigla tipica | Funzione possibile |
|---|---|
| B+ / B- | Collegamento diretto al pacco batterie. |
| B1, B2… | Punti intermedi per misurare le singole celle in serie. |
| P+ / P- | Porta comune verso carico e, in alcuni moduli, caricatore. |
| C- | Porta negativa separata dedicata alla carica su alcuni BMS. |
BMS e caricatore sono la stessa cosa?
No. È uno degli errori più comuni. Il BMS protegge e supervisiona il pacco; il caricatore controlla il profilo di ricarica e fornisce tensione e corrente adeguate alla batteria.
La corrente dichiarata del BMS
Un modulo può essere pubblicizzato come 10 A, 20 A, 40 A o più, ma bisogna distinguere corrente continua, picco, condizioni di raffreddamento e limiti reali dei MOSFET e delle piste.
Il BMS deve inoltre essere dimensionato con margine rispetto alla corrente normale del carico e alle eventuali correnti di spunto.
Cosa NON fa un BMS?
- non ricarica correttamente una batteria senza un caricatore appropriato;
- non rende compatibili celle diverse tra loro;
- non recupera una cella fisicamente degradata;
- non aumenta la capacità del pacco;
- non sostituisce automaticamente fusibili e protezioni di sistema;
- non elimina il rischio derivante da danni meccanici, calore o cablaggi errati;
- non garantisce che un pacco assemblato male diventi sicuro.
Come scegliere un BMS
| Parametro | Cosa verificare |
|---|---|
| Numero di celle | 1S, 2S, 3S, 4S… deve corrispondere al pacco. |
| Chimica | Soglie compatibili con le celle utilizzate. |
| Corrente continua | Superiore alla corrente normale con adeguato margine. |
| Corrente di picco | Compatibile con motori, inverter e altri carichi impulsivi. |
| Bilanciamento | Presente e adeguato al pacco. |
| Temperatura | Preferibile se il sistema richiede supervisione termica. |
| Porta comune/separata | Compatibile con schema di carica e scarica previsto. |
Errori comuni
- confondere BMS e caricabatterie;
- usare un BMS con numero di celle sbagliato;
- collegare i fili di bilanciamento nell’ordine errato;
- ignorare la chimica delle celle;
- scegliere il BMS solo in base agli ampere pubblicizzati;
- pensare che il bilanciamento ripari celle degradate;
- non considerare la corrente di spunto del carico;
- omettere protezioni supplementari quando necessarie;
- collegare un pacco senza verificare lo schema specifico del modulo;
- pensare che la presenza del BMS renda impossibile qualsiasi guasto.