Date le caratteristiche intrinseche delle batterie al litio, è essenziale integrare un modulo di circuito di potenza (PCM) o un sistema di gestione della batteria (BMS). L'uso di batterie prive di moduli di protezione o sistemi di gestione è severamente vietato, in quanto rappresentano un rischio significativo per la sicurezza. Per i sistemi di batterie, la sicurezza deve sempre essere la massima priorità.
Senza un'adeguata protezione o gestione, le batterie possono essere soggette a rischi di riduzione della durata, danneggiamento o esplosione. (PCM: Power Circuit Module) sono utilizzati principalmente in prodotti di consumo come telefoni cellulari e computer portatili. Sistemi di gestione delle batterie (BMS) vengono applicati principalmente per alimentare le batterie in sistemi su larga scala come veicoli elettrici, e-bike e sistemi di accumulo di energia.
Le funzioni principali della protezione della batteria (PCM) includono la protezione da sovraccarico (OVP), da scarica eccessiva (UVP), da sovratemperatura (OTP) e da sovracorrente (OCP). In caso di condizioni anomale, il sistema si spegne automaticamente per garantirne la sicurezza.
Le funzioni principali di un sistema di gestione della batteria (BMS) includono non solo le funzioni di protezione fondamentali per il sistema, ma anche la misurazione della tensione, della temperatura e della corrente della batteria; il bilanciamento energetico; il calcolo e la visualizzazione dello stato di carica (SOC); gli allarmi di guasto; la gestione della carica/scarica; e la comunicazione. Alcuni sistemi BMS integrano inoltre la gestione termica, il riscaldamento della batteria, l'analisi dello stato di salute (SOH) e la misurazione della resistenza di isolamento.
- 1. Protezione della batteria al litio
Simile al PCM, fornisce protezione contro sovraccarico, scarica eccessiva, surriscaldamento, sovracorrente e cortocircuito. Per batterie standard al litio manganese e ternario batterie al litio, il sistema interrompe automaticamente il circuito di carica o scarica se la tensione di una cella supera i 4,2 V o scende al di sotto dei 3,0 V. Se la temperatura della batteria supera il suo intervallo operativo o la corrente supera il limite di scarica della batteria, il sistema interrompe automaticamente il percorso elettrico per garantire la sicurezza della batteria e del sistema.
- 2. Bilancio energetico
L'intero pacco batteria, costituito da numerose celle collegate in serie, col tempo presenterà significative variazioni di prestazioni dopo un funzionamento prolungato. Queste discrepanze derivano da incoerenze intrinseche delle celle e da variazioni nelle temperature di esercizio, con un impatto significativo sulla durata della batteria e sulle prestazioni del sistema. Il bilanciamento energetico affronta queste differenze individuali delle celle attraverso la gestione attiva o passiva della carica/scarica, garantendo la coerenza delle celle e prolungando la longevità della batteria.
Nel settore, esistono generalmente due tipi di metodi di bilanciamento: bilanciamento passivo e bilanciamento attivo. Il bilanciamento passivo raggiunge l'equilibrio principalmente dissipando la carica in eccesso attraverso resistori, mentre il bilanciamento attivo trasferisce la carica dalle batterie con livelli di carica più elevati a quelle con livelli di carica più bassi tramite condensatori, induttori o trasformatori. Un confronto tra bilanciamento passivo e attivo è mostrato nella tabella seguente.
| Articolo di confronto | Equalizzazione passiva | Bilanciamento attivo |
| Metodo di bilanciamento | Dissipazione della resistenza | Trasferimento di induttanza |
| Efficienza di equilibrio | Basso | Alto |
| Maturità della soluzione | Maturo | Più maturo |
| Complessità del sistema | Basso | Alto |
| Costo del sistema | Basso | Alto |
A causa della relativa complessità e del costo più elevato dei sistemi di equalizzazione attiva, l'equalizzazione passiva rimane l'approccio più diffuso.
- 3. Elaborazione SOC
Il calcolo della capacità della batteria è una componente fondamentale del BMS, poiché molti sistemi richiedono una conoscenza relativamente precisa della carica residua. Con i progressi tecnologici, sono stati sviluppati numerosi metodi per il calcolo del SOC. Per applicazioni con requisiti di precisione inferiori, la capacità residua può essere stimata in base alla tensione della batteria. Metodi più precisi includono principalmente l'integrazione di corrente (nota anche come metodo Ah), dove Q = ∫i dt, nonché metodi di resistenza interna, metodi di rete neurale e metodi di filtraggio di Kalman. Il metodo di integrazione di corrente rimane lo standard del settore.
- 4. Comunicazioni
Sistemi diversi hanno requisiti diversi per le interfacce di comunicazione, con opzioni principali che includono SPI, I²C, CAN e RS485. Tra queste, i sistemi automotive e di accumulo di energia utilizzano principalmente CAN e RS485.