BMS – co to jest i jakie ma funkcje?

Nie trzeba nikogo przekonywać o zaletach akumulatorów opartych o technologię litową. Ich zdolność do magazynowania dużo większych ilości energii niż stosowane wcześniej akumulatory niklowe lub ołowiowe o podobnych wymiarach, spowodowała  masowy rozwój ogniw Li-Ion, LIFePO4, czy Li-Pol.

Dodatkowo, akumulatory litowe są wielokrotnie lżejsze od swoich poprzedników.

Akumulatory Li-Ion i Li-Pol wypierają skutecznie ogniwa niklowe w mniejszych urządzeniach (sprzęt elektroniczny, narzędzia, rowery, skutery), a akumulatory Li-FePO4 stają się zamiennikiem akumulatorów ołowiowych w magazynach energii, czy akumulatorach zasilających większe silniki elektryczne różnych zastosowań.

Należy sobie jednak zdawać sprawę z faktu, że wszystkie ogniwa litowe wymagają pracy w ściśle określonych warunkach takich jak:

• Maksymalne napięcie ładowania

• Minimalne napięcie rozładowania

• Maksymalny prąd ładowania

• Maksymalny prąd rozładowania

• Określony zakres temperatur (dla rozładowania i ładowania)

W przypadku ogniw litowych przekroczenie parametrów może skutkować nie tylko skróceniem żywotności akumulatora, ale również prowadzić do jego zniszczenia, a nawet bardzo gwałtownego zapłonu.

Wprawdzie kolejne generacje akumulatorów projektowane są tak, by ryzyko zapłonu-eksplozji było jak najbardziej ograniczone, tym niemniej w skrajnych przypadkach jest ono realne.

Dlatego, jako regułę uznaje się użytkowanie akumulatorów litowych wyłącznie z elektronicznym układem zabezpieczającym – BMS. BMS – to skrót od „Battery Management System”.

• Funkcje BMS

  • Osobne monitorowanie parametrów każdego ogniwa w pakiecie

  • Zabezpieczenie przed przekroczeniem maksymalnego napięcia ładowania

  • Zabezpieczenie przed przekroczeniem minimalnego napięcia rozładowania

  • Zabezpieczenie przed zwarciem

  • Zabezpieczenie przed przekroczeniem maksymalnego prądu ładowania (opcjonalnie)

  • Zabezpieczenie przed przekroczeniem maksymalnego prądu rozładowania (opcjonalnie)

  • Zabezpieczenie przed przekroczeniem dopuszczalnego zakresu temperatur podczas ładowania i rozładowania (dla BMS z sondą temperatury NTC)

• BMS z funkcją balansowania ogniw pozwalają dodatkowo na wyrównywanie napięć pomiędzy ogniwami w pakiecie (doładowując słabsze ogniwa, kosztem mocniejszych). Różnice napięć i pojemności ogniw są całkowicie normalne, wynikają z niedokładności produkcyjnych, a funkcja balansera pozwala na lepsze wykorzystanie energii akumulatora i przedłużenie jego żywotności.

• Ze względu na różne zakresy napięcia (min-max) dla różnych typów ogniw (Li-Ion, LIFePO4, Li-Pol) BMS musi być konstrukcyjnie dopasowany do danego typu ogniwa. W niektórych modelach BMS rodzaj i ilość podłączonych ogniw jest ustalona przez producenta, w innych można ją wybrać podczas programowania BMS przed rozpoczęciem eksploatacji.

• BMS monitorując osobno każdą celę pakietu, rozłączy układ ładowania w momencie osiągnięcia napięcia maksymalnego dla danego typu ogniwa przez najmocniejszą celę w pakiecie, a odłączy odbiornik przy rozładowaniu po osiągnięciu napięcia minimalnego przez najsłabszą celę. Dlatego krytyczny dla prawidłowego działania pakietu jest dobór cel o jak najbardziej zbliżonych parametrach (napięcie, pojemność, rezystancja wewnętrzna). Wszystkie cele muszą być też identycznie naładowane przed połączeniem w pakiet.

W przypadku ogniw fabrycznie nowych renomowanych producentów najczęściej wystarczy by były jednego typu, z tej samej serii produkcyjnej i nie były wcześniej osobno rozładowywane. Przy ogniwach używanych wymagana jest szczegółowa selekcja.

• BMS SMART pozwalają monitorować wszystkie parametry akumulatora (również pojedynczych ogniw) za pośrednictwem aplikacji mobilnej, dodatkowego ekranu, lub komputera PC. W zaawansowanych układach mogą również przekazywać informacje do zewnętrznych elementów układu zasilania, np. inwertera po łączu CAN/RS485.

Wymiana danych odbywa się poprzez moduł Bluetooth, kabel i coraz częściej przez WiFi.

W BMS SMART możliwa jest też zmiana parametrów zabezpieczeń. Należy jednak mieć świadomość, że przy tego typu działaniach trzeba dysponować rzetelną wiedzą o ogniwach litowych, Wprowadzenie nieprawidłowych dla danego typu ogniwa wartości  może być potencjalnie niebezpieczne.

BMS, bez względu na rodzaj i konstrukcję, nie jest systemem zastępującym dobór właściwych parametrów ładowania i rozładowania pakietu. Te parametry powinny być dobrane poprzez wybór właściwej ładowarki lub inwertera i urządzeń odbiorczych.

BMS to konieczne, ale dodatkowe zabezpieczenie na wypadek awarii bądź przeciążenia podłączonych urządzeń.

Ze względu na zachowanie poprawności pracy akumulatora litowego zabezpieczenie i konstrukcja układu BMS dopuszcza krótkotrwałe obciążenie prądem znacznie wyższym, niż nominalny prąd BMS.. Umożliwia to np. rozruch urządzeń elektrycznych.  Jednakże dłuższa praca przy takich prądach prowadzi do trwałego uszkodzenia BMS nie objętego gwarancją.

Przykładowo dla BMS 10S 40A Li-Ion, prąd uruchamiający zabezpieczenie nadprądowe przy rozładowaniu to ok. 120A. Zabezpiecza to dostatecznie ogniwa, ale praca ciągła BMS z prądem powyżej 40A musi prowadzić do jego uszkodzenia. Podobnie sytuacja wygląda w czasie ładowania.

Z powyższych uwag wynika podstawowa zasada doboru BMS. Poza odpowiednim typem i ilością ogniw BMS dobieramy do planowanego prądu ładowania i rozładowania, a nie do pojemności ogniw.