Co to jest BMS w bateriach i jak działa?

Baterie powstają z połączenia ogniw (na przykład litowo-jonowych) w pakiety, co pozwala konstruować moduły o praktycznie dowolnej konfiguracji. Jednakże kluczową kwestią przy używaniu tych baterii, podobnie jak w przypadku akumulatorów litowo-polimerowych, pozostają odpowiednie parametry ładowania i eksploatacji. I właśnie dlatego systemy BMS są nieodłącznym osprzętem tego typu akumulatorów. 

Jak działa system BMS?

BMS to skrót od Battery Management System, czyli systemu zarządzania baterią. Jego działanie można porównać do funkcjonowania mózgu, który na podstawie zebranych danych podejmuje decyzje dotyczące obsługi poszczególnych ogniw. W ten sposób chroni baterię nie tylko przed przegrzaniem, ale również zbyt intensywną eksploatacją. 

W praktyce działanie BMS polega na monitorowaniu kluczowych parametrów ogniw. Jeśli bateria składa się z kilku, czy nawet kilkuset ogniw, dedykowany system BMS kontroluje każde z nich osobno. Na podstawie uzyskanych informacji Battery Management System, steruje ładowaniem i rozładowywaniem ogniw, może je również zbalansować, co omawiamy w dalszej części tekstu. 

Oprócz tego system BMS komunikuje się z urządzeniem, do którego podłączona jest bateria, dostarczając informacji o np. o jej poziomie naładowania czy kondycji. 

Funkcje systemów Battery Management System

Funkcje systemów BMS pozwalają na bezpieczne i efektywne korzystanie z baterii, zarówno podczas rozładowywania, jak i ładowania. W tym celu Battery Management System:

• kontroluje napięcie poszczególnych ogniw w module,
• monitoruje temperaturę baterii,
• chroni przed przeładowaniem oraz nadmiernym rozładowaniem,
• zabezpiecza przed zbyt wysokim i zbyt niskim prądem ładowania,
• może balansować poszczególne ogniwa,
• chroni przed zwarciami, 
• dostarcza danych SoC/SoH (ang. State of Charge – stan naładowania; State of Health – stan zdrowia)
• ogranicza samorozładowywanie nieużywanej baterii,
• umożliwia komunikację z zasilanymi urządzeniami w celu optymalizacji procesu rozładowywania baterii. 

Wszystkie rodzaje systemów BMS

Chociaż systemy BMS są niemal tak samo powszechne, jak baterie litowo-jonowe, nie każdy wie, że wykorzystuje się różne ich typy. Mamy więc Battery Management System instalowane na zewnątrz baterii oraz w module akumulatora (zwykle w pozycji nad ogniwami). 

To drugie rozwiązanie najczęściej stosuje się wtedy, gdy do ładowania bateria jest wyjmowana z urządzenia lub jest przenoszona pomiędzy urządzeniami. BMS w bateriach do rowerów elektrycznych i bateriach do e-hulajnóg zamknięty jest w obudowie akumulatora.

Poza tym systemy BMS dzieli się także ze względu na sposób działania na pasywne i aktywne. Różnice pomiędzy tymi typami najprościej wytłumaczyć na przykładzie balansowania ogniw. 

Jak BMS równoważy ogniwa?

Równoważnie czy też balansowanie okazuje się potrzebne w przypadku modułów złożonych co najmniej trzech ogniw. Ze względu na to, że nawet ogniwa tego samego producenta mogą różnić się między sobą pojemnością, impedancją czy charakterystyką temperaturową, zwykle osiągają różne poziomy naładowania. Wpływa to na całkowitą pojemność baterii: mówiąc prostym językiem, bateria jest tak pojemna, jak pojemne jest jej najsłabsze ogniwo. Dlatego stosuje się specjalne układy balansujące, które równoważą poziomy naładowania wszystkich ogniw. Układy te, wchodzące w skład systemów BMS, mogą działać pasywnie lub aktywnie.

Pasywne równoważenie ogniw

Układy do pasywnego balansowania ogniw zbudowane są między innymi z mikrokontrolera, który za pomocą przetwornika A/C podłączonego przez multiplekser do każdego ogniwa monitoruje jego napięcie. Gdy znacząco przekroczy ono ustalony poziom, ogniwo zostanie podpięte do wewnętrznego rezystora w celu rozładowania. Proces ten potrwa do czasu osiągnięcia przez przeładowane ogniwo napięcia pozostałych ogniw. Wtedy ładowanie całej baterii zostaje wznowione. 

Pasywne balansowanie posiada niewielką sprawność, a dodatkowo ogranicza całkowitą pojemność baterii, ponieważ konieczne staje się dostosowanie poziomu naładowania ogniw do pojemności “najmniejszego” z nich. Poza tym równoważenie pasywne działa tylko w trakcie ładowania baterii, więc nie chroni jej podczas eksploatacji, ani w trakcie samorozładowywania, które zachodzi naturalnie w nieużywanej baterii. 

Aktywne równoważnie ogniw

Zamiast rozładowywać (tracić) nadmiarowy ładunek na rezystorze, w aktywnych systemach równoważenia zostaje on przeniesiony do innych ogniw za pomocą kluczy tranzystorowych, podłączonych do cewki indukcyjnej, będącej wtórną stroną transformatora. 

W tym przypadku zmniejszenie napięcia występuje w wyniku podłączenia przeładowanego ogniwa do uzwojenia wtórnego, co skutkuje indukcją napięcia w uzwojeniu pierwotnym. Za pomocą kolejnych tranzystorów podłączane jest do niego ogniowo niedoładowane. 

Aktywne równoważenie ogniw posiada sprawność ok. 85% i działa zarówno podczas ładowania baterii, jak i jej użytkowania, a także wtedy, gdy nie jest wykorzystywana. 

BMS — odpowiedzi na najpopularniejsze pytania

Poniżej przedstawiamy odpowiedzi na najpopularniejsze pytania, dotyczące systemów BMS. Sprawdź, czy rozwieją one Twoje wątpliwości. 

Czym się różni BMS od balansera?

System BMS składa się z wielu modułów, które umożliwiają realizację jego funkcji. Jednym z nich może być balanser (pasywny lub aktywny). 

Czy BMS jest potrzebny w baterii?

Tak. Battery Management System jest konieczny do bezpiecznego i maksymalnie efektywnego wykorzystywania baterii litowo-jonowych. 

Kiedy BMS balansuje ogniwa?

Pasywny balanser w systemie BMS równoważy ogniwa tylko podczas ładowania baterii. Balanser aktywny może równoważyć ogniwa również podczas używania baterii, a także wtedy, gdy z niej nie korzystamy.

Kiedy BMS odcina?

BMS odcina baterię przede wszystkim w dwóch przypadkach: gdy podczas ładowania któreś z ogniw będzie bliskie przeładowaniu oraz podczas użytkowania baterii, chroniąc ją przed nadmiernym rozładowaniem. System BMS może także wyłączyć ładowanie w wyniku wykrycia zwarcia lub nadmiernej temperatury baterii. 

To musisz wiedzieć o systemach BMS w bateriach litowo-jonowych! Tak chronią Twoją baterię przed przeładowaniem i przedłużają jej żywotność.