Wat is de taak en de functies van een BMS - Battery Management System?

Bij een LFP en andere lithium-ion accu's is een BMS feitelijk verplicht te gebruiken, alleen al vanwege het veiligheidsaspect. Een BMS beschermt de accu tegen diep ontladen of overladen, voorkomt té grote stromen, balanceert de accu en kan de SoC bepalen.

Introductie

Een BMS zou je kunnen vergelijken met een soort "zekering", maar ook als "laatste verdedigingslinie", of een automatische noodstop. Die heb je zeker nodig bij lithium-ion gebaseerde accu's, zoals de LFP accu.

Dat je niet zonder kan heeft te maken met de gevolgen als de accu overladen wordt. Dat is niet alleen funest voor zijn levensduur maar erger nog, voor je eigen veiligheid, het kan leiden tot een catastrofe zoals het gassen van de accu. of nog erger, een thermal runaway.

Maar een BMS beschermt niet alleen tegen het overladen van een accu, ook tegen het diepontladen, dat wil je ook niet meemaken, ook dat is funest voor de accu.

Je zal denken, maar hoe komt het dat de accu overladen of juist diepontladen wordt? In principe zal dit niet voorkomen, het is namelijk de acculader die de laadspanning in de gaten houdt en bij een bepaalde ingestelde waarde netjes stopt. Maar die lader is gemaakt van elektronica, en die kan falen. Die kans is gering, maar zeker niet uit te sluiten.

De inverter die de lading van de accu gebruikt waardoor de accu langzaam leeg raakt, zal ook netjes stoppen als de accuspanning gedaald is tot een bepaalde ingestelde spanning. Dus diepontladen zou ook niet mogen voorkomen, maar ook hier geldt, het is elektronica en die kan defect raken.

Doordat de kans bestaat dat de elektronica defect raakt kan dus de accu overladen of diepontladen worden. Dat willen we voorkomen, en zie daar de taak van het BMS, dat is een apart stuk elektronica die de accuspanning in de gaten houdt. In het BMS stel je in maximale bovenwaarde en minimale onderwaarde in voor de accuspanning. Die stel je zo in dat deze voorbij de normale limiet liggen en als het BMS een spanning detecteert die overeenkomt met de kritische ingestelde grens, dan grijpt hij in, dan schakelt hij de accu af (hij verbreekt de verbinding). Vandaar dat je het kan beschouwen als een soort zekering. Want een zekering heeft normaal geen functie, maar mocht de stroom ooit eens té hoog worden, ja dán ben je maar wat blij dat je een zekering hebt om een te grote stroom te voorkomen.

Het BMS is dus een extra verdedigingslinie mocht de elektronica in acculader of inverter falen.

Voorbeeld

We geven een voorbeeld, voor de beeldvorming. Stel je hebt een LFP accu, en je hebt de inverter/charger ingesteld dat de accu niet verder geladen mag worden dan bijvoorbeeld 3,45 Volt (per cel), dan stel je in het BMS een maximale celspanning in iets voorbij die 3,45 Volt, bijvoorbeeld 3,65 Volt.

De inverter/charger heb je bijvoorbeeld ingesteld dat deze accu stopt met ontladen bij een celspanning van 3 Volt, dan stel je het BMS in dat de celspanning niet verder mag dalen dan bijvoorbeeld 2,8 Volt.

Wat gebeurt er als het BMS ingrijpt?

Mocht de spanning te hoog worden, in dit voorbeeld 3,65 Volt per cel, dan schakelt het BMS het laadcircuit uit. Het BMS is namelijk in serie met de accu opgenomen en kan de stroom richting de accu (dus laden) in- en uitschakelen. Zodra een "overspanningsbeveiliging" in werking is getreden, kan de accu niet verder meer geladen worden, maar het ontlaadcircuit blijft gewoon in stand. Dus de accu kan nog wel ontladen worden.

Bij een dreigende diepontlading gebeurt het omgekeerde. Mocht het BMS een te lage accucelspanning detecteren van, in dit voorbeeld, 2,8 Volt, dan schakelt hij het ontlaadcircuit uit. De accu kan dan niet verder meer ontladen worden, maar het laden van de accu blijft gewoon mogelijk.

Komt het wel eens voor dat het BMS moet ingrijpen?

Onder normale condities zal de laadspanning en de ontlaadspanning nooit te ver stijgen of dalen, daar zorgt de inverter/charger voor. Pas als die faalt, dan pas zal het BMS ingrijpen. Dus nee, onder normale omstandigheden zal zo'n ingreep niet voorkomen.

Maar er is nóg een situatie denkbaar waarbij het BMS ingrijpt, en dat is in het geval als één of meerdere accucellen sterk in onbalans zijn. Aan de hand van een voorbeeld leggen we dit uit.

Stel we hebben een 12 Volt accu (maar dit is natuurlijk ook van toepassing op een accu van 24 of 48 Volt of welke spanning dan ook), die bestaat uit vier LFP accucellen. We hebben in het BMS een grens ingesteld van een maximale celspanning van 3,65 Volt. Die zou niet mogen voorkomen omdat de acculader stopt met laden als de accucel een spanning heeft bereikt van 3,45 Volt (althans dat gebruiken we in dit voorbeeld).

Stel dat de vier cellen een spanning hebben van 3,45 Volt, dan is de accuspanning dus 4 x 3,45 = 13,8 Volt, een prachtige spanning voor een geladen LFP accu.

De acculader bereikt dit resultaat doordat hij een maximale laadspanning (absorption spanning) hanteert van 13,8 Volt, hoger kan het niet worden, dus zou je denken, dan kan de celspanning nooit hoger worden dan 13,8 / 4 = 3,45 Volt, maar dat blijkt dus niet waar te zijn!

Mocht een accucel in de accu niet "in balans" zijn, bijvoorbeeld omdat bij één cel de capaciteit minder is (geworden) dan de capaciteit van de anderen. Om je een beeld te geven, stel de accu bestaat uit vier cellen van 100 Ah, maar één cel heeft een capaciteit van bijvoorbeeld 95 Ah.

Tijdens het laden van de accu zal die cel eerder vol zijn dan de andere, hij heeft immers een kleinere capaciteit, dus is eerder vol. Stel dat die afwijkende cel de vierde cel is in de accu. De lader heeft een laadspanning van 13,55 Volt en denkt dus nog niet klaar te zijn met het laden, want dat zou duren tot een accuspanning van 13,8 Volt

Maar als we naar de celspanningen kijken dan zouden deze kunnen zijn voor de cellen 1 t/m 4: 3,3 Volt, 3,3 Volt, 3,3 Volt en 3,65 Volt. Want 3,3 + 3,3 + 3,3 + 3,65 = 13,55 Volt.

Je ziet, ondanks dat de lader nog vrolijk verder gaat met laden, heeft één cel reeds een spanning van 3,65 Volt en dat is de ingestelde limiet en dán grijpt het BMS in en schakelt het laden uit. Gelukkig maar, want anders zou de spanning van cel nummer 4 voorbij 3,65 Volt komen en zo overladen raken, en dat is iets wat je niet wil meemaken. Goed dus dat een BMS ingrijpt.

Balanceren

Een BMS kan de accucellen ook balanceren. In de paragraaf hiervoor was de afwijking wel erg groot, maar ook bij minder grote onderlingen afwijkingen is balanceren gewenst.

Met balanceren wordt bereikt dat de SoC van alle cellen gelijk wordt. Een BMS kan uitgevoerd zijn met een passieve balancer of een actieve balancer.

Een passieve balancer zal de cellen met een te hoge spanning een beetje ontladen door een kleine weerstand parallel aan de accucel te schakelen. De cel wordt dan met een kleine stroom ontladen. Denk aan 100 mA of iets in die richting. De weerstanden zullen die stroom omzetten in (niet nuttige) warmte.

Een actieve balancer zal de cellen met een te hoge spanning ontladen en die lading opslaan in een supercap (een op een accu gelijkende condensator), vervolgens zal die opgeslagen lading gebruikt worden om de cellen met een lagere spanning, die dus een beetje achterblijven, een beetje extra op te laden. De balanceerenergie wordt hier dus nuttig gebruikt. De balanceerstroom is meestal zo'n 1 of 2 Ampère.

Zeker bij gebruik van accucellen met een hoge capaciteit, bijvoorbeeld 300 Ah of meer, dan is het gebruik van een actieve balancer erg prettig. Lees meer in het artikel over de balancer.

Stroombegrenzing

Een beperkt aantal BMS modellen hebben een stroombeperkingsfunctie. Je kan een maximale stroom instellen en als het BMS een hogere stroom dan die drempelwaarde detecteert zal hij een stroombegrenzingsfunctie inschakelen.

Dit is vooral handig als je twee of meer accu's parallel hebt. Mocht, om wat voor reden dan ook, een accu tijdelijk uitgeschakeld zijn, en weer ingeschakeld worden, dan bestaat de kans dat de spanning van die accu veel hoger, of juist veel lager is dan de andere accu('s).

In zo'n situatie kan een enorm grote stroom vloeien, mogelijk zelfs kan een zekering doorsmelten. Daarnaast wil je voorkomen dat accu's een te grote laad en ontlaadstroom krijgen. Dan is zo'n current limiter erg prettig.

Meestal is die current limiter 10A of 20A. Dus mocht je twee accu's aan elkaar koppelen, dan bestaat de kans dat de stroom té groot wordt (de ene accu ontlaad zich in de andere) en dan schakelt de current limiter zich automatisch in en zal de stroom begrenzen tot bijvoorbeeld 10 Ampère.

Na een ingestelde tijd probeert het BMS opnieuw en schakelt de current limiter uit. Mocht de stroom dan nog steeds te hoog zijn, dan schakelt de limiter zich weer in. En dat herhaalt zich tot de stroom weer een normale waarde heeft bereikt.

Let op, deze stroombegrenzer is géén vervanger voor een zekering, je zal iedere accu individueel altijd moeten voorzien van een zekering.

SOC

Het BMS kan de SoC berekenen, hij ziet immers alle stromen die in of uit de accu vloeien en kan zo meten hoeveel lading nog in de accu zit en dit met een SoC percentage weergeven.

Bedenk dat het bepalen van de SoC bij een LFP accu zeer moeilijk is, dat hebben we uitgebreid beschreven in dit artikel. Heb dus niet een hoge verwachting van de SoC meting van het BMS. Sommige BMS merken, zoals de JK (Jikong) BMS heeft een SoC meter die notoir onbetrouwbaar is, afwijkingen van tientallen procenten is niet uitzonderlijk. Daarom wordt vaak een apart shunt gekocht, zoals de Victron SmartShunt, die wel een redelijk betrouwbare SoC meting kan doen.