Az akkumulátorkezelő rendszer (leggyakrabban az angol rövidítésével említik: battery mangement system, BMS) egy olyan elektronikus rendszer, amely elektromos akkumulátor (egyetlen cella, vagy akkumulátorcsomag) feltöltését és kisütését felügyeli és vezérli, főként azzal a céllal, hogy a felügyelt akkumulátor(csomag) számára biztonságos használatot és hosszú élettartamot biztosítson. Folyamatosan figyeli az akkumulátor, vagy akkumulátorcsomag töltöttségi szintjét. Beavatkozásaival az egyes cellák (vagy cellákból összekapcsolt csoportok) töltöttségének kiegyensúlyozására törekszik. Ezeket a feladatokat ellátja az akkumulátor feltöltése és használata (lemerítése) közben is.

Működési jellegzetességek Az akkumulátorkezelő rendszerek általában eléggé bonyolultak, mert többféle részfeladatot is ellátnak, amikhez többféle technikai és vezérlési megoldást használnak. Azt, hogy a tervezők éppen melyik megoldást választják, több dolog is meghatározza, például a kialakított rendszer költsége, átláthatósága, bővíthetősége, mérete és tömege.

A BMS rendszerek néhány legfontosabb jellemzőjét foglalja össze az alábbi táblázat +JellemzőPasszív kiegyenlítésAktív kiegyenlítésAlapelvellenállásos kisütés hőtermelésselenergiaátvitel magas és alacsony feszültségű cellák közöttHatásfokalacsony a felesleges energia hő formájában eltávozik)magas a felesleges energia átkerül az energiahiányosabb cellábaKöltségalacsony magasbonyolultságegyszerűbonyolultKiegyenlítő áramalacsony, mA - A tartománylehet magasabb, A-es tartományTipikus alkalmazásokolcsó, kis teljesítményű rendszereknagy teljesítményű, hosszú élettartamú rendszerek

Monitorozás A BMS az akkumulátor állapotának különféle jellemzőit figyeli, például:

Feszültség az akkumulátorcsomag teljes feszültsége, benne az egyes cellák feszültsége, vagy részcsomagok feszültsége Hőmérséklet átlaghőmérséklet, hűtőfolyadék bemeneti vagy kimeneti hőmérséklete, az egyes cellák hőmérséklete Hűtőfolyadék áramlás folyadékhűtéses akkumulátorokhoz Áramerősség az akkumulátorba bejövő vagy onnan kimenő áramerősség Cellaegészség Az egyes akkumulátorcellák elhasználódottságának mértéke EgyensúlyAz egyes akkumulátorcellák feszültségének viszonya (az akkumulátor csomag cellái mennyire vannak egyensúlyban)

Elektromos járműrendszerek: energia-visszanyerés A BMS az akkumulátor töltését is vezérli. Az elektromos jármű fékezéskor az elnyelődő mozgási energia azonban nem hővé alakul (mint a hagyományos fékrendszereknél) hanem elektromos energiává és a BMS azt visszavezeti a berendezés akkumulátorcsomagjába, feltöltve (visszatöltve) azt.

Akkumulátorok hőmérséklete Az akkumulátorok hőszabályozó rendszerei lehetnek passzívak vagy aktívak. A hűtőközegük pedig lehet levegő, folyadék, vagy valamilyen fázisváltó közeg.

A léghűtés előnye az egyszerűsége. Az ilyen rendszerek lehetnek passzívak, amelyek csak a környező levegő konvekciójára támaszkodnak, vagy aktívak, amelyekben ventilátorok hoznak létre légáramlást. Például a Toyota Prius hibrid hajtású autók akkumulátor rendszerénél aktív léghűtést alkalmaznak.

A léghűtés fő hátránya a gyenge hatásfoka, ezért az aktív léghűtés működtetéséhez tőbb energiára van szükség, mint az aktív folyadékhűtéshez. A hűtőmechanizmus járulékos alkatrészei növelik a BMS teljes súlyát és ezzel csökkentik a jármű hatékonyságát. 

A folyadékhűtéssel hatékonyabb hűtést lehet létrehozni, mivel a hűtőfolyadékok nagyobb hővezető képességgel (és hőkapacitással) rendelkeznek, mint a levegő. Az akkumulátorok merülhetnek közvetlenül a hűtőfolyadékba, de a hűtőfolyadék átfolyhat a BMS-en anélkül, hogy közvetlenül érintkezne az akkumulátorral. Ez utóbbi, közvetett hűtés esetén a hűtőcsatornák jelentős hossza miatt, a két végpontjuk között nagy hőmérséklet különbséget alakulhat ki a BMS-ben. Ez csökkenthető azzal, ha a hűtőfolyadékot gyorsabban keringetik.

Töltöttségi szint meghatározása A BMS az alább felsorolt mennyiségek alapján számítja ki az akkumulátor cella (vagy cellacsomag) töltöttségének értékét:

Feszültség: minimális és maximális cellafeszültség Töltési állapot (angolul: state of charge, SoC) vagy a kisütési mélység (angolul: depth of discharge, DoD), illetve az akkumulátor töltöttségi szintjét ki is jelzi "Egészségi állapot" (angolul: state of health, SoH) az akkumulátor megmaradt tárolókapacitásának egy vadonatúj akkumulátoréhoz viszonyított mértéke (általában %-ban, vagy a két érték hányadosa). Az akkumulátor energiaszintje (angolul: state of power, SoP) az az energiamennyiség, amely egy meghatározott időintervallumban rendelkezésre áll az aktuális energiafelhasználás, hőmérséklet és egyéb feltételek mellett. Biztonsági állapot (angolul: state of safety, SOS) A töltési áramkorlát (angolul: charge current limit, CCL) a maximális töltési áram Kisütési, lemerítési áramkorlátnak az akkumulátor maximális kisülési árama (angolul: discharge current limit, DCL) Az utolsó töltés vagy töltési ciklus óta leadott energia Egy cella belső impedanciája (a cella kapocsfeszültségének meghatározásához, amit terhelés nélkül mérhetnénk) Töltés leadása vagy tárolása (ezt a funkciót néha Coulomb-számlálásnak is nevezik) Az akkumulátor első használata óta mért teljes üzemidő Ciklusok (teljes feltöltés-teljes lemerülés) száma Hőmérséklet-felügyelet Hűtőközeg áramlása a levegő-, vagy folyadékhűtésű akkumulátoroknál

Kommunikáció A BMS rendszer központi vezérlője belsőleg kommunikál az egyes cellákhoz (vagy cellacsoprtokhoz) tartozó egyszerűbb hardverekkel. Másik lehetőségként, külsőleg magas szintű hardverekkel, például laptopokkal, vagy egy nagyobb számítógépes rendszer HMI-vel. 

A magas szintű külső kommunikáció az alábbi módokon történik: 

Különböző típusú soros kommunikációk. CAN-busz kommunikációt gyakran használják autóipari környezetben. Különböző vezeték nélküli kommunikációs típusok (például, WiFi, Bluetooth).

Az alacsony feszültségű, központosított BMS rendszerek többnyire nem rendelkeznek belső kommunikációval.

Az elosztott, vagy moduláris BMS rendszerek alacsony szintű belső cella-vezérlő (moduláris felépítés), vagy vezérlő-vezérlő (elosztott felépítés) kommunikációt használnak. Ez a fajta kommunikáció nehézkes, különösen a nagyfeszültségű rendszerek esetében, a cellák között fellépő feszültségeltolódás miatt. Az első cella földjének potenciálja több száz volttal magasabb lehet, mint egy másik cella esetén. Ilyenkor feszültség leválasztó megoldás kell. Erre két ismert mód van, optocsatoló alkalmazása, illetve a vezeték nélküli kommunikáció. Így a BMS-sel felügyelt cellák kivezetései között nincs direkt elektromos összeköttetés.

A belső kommunikáció másik korlátozó tényezője a cellák maximális száma. Moduláris felépítés esetén a legtöbb hardver maximum 255 csomópontra korlátozódik. Nagyfeszültségű rendszereknél az összes cella keresési ideje további problémát okozhat, ami megkövetel egy bizonyos minimális buszsebességet és kizár bizonyos hardveropciókat. A moduláris rendszerek költsége is fontos, mivel az összehasonlítható lehet a cellák árával.

A meglévő USB-kábelekben az általuk vezetett elektromos áram által termelt hő miatt korlátozzák a töltéskor használható elektromos teljesítményt.

Az elektromos teljesítmény (P) így számítható ki: . Itt a feszültség, ami a szabványos USB esetén 5V, az pedig a töltőáram. A vezeték ellenállásán keletkező hő: , vagyis a leadott hő a töltőáram erősségének négyzetével arányos.

Ennek megkerülésére egyes a mobiltelefon-töltőkben kommunikációs protokollokat fejlesztettek ki arra, hogy megemelt feszültséggel tölthessenek (A P szorzat értékét az feszültség növelésével emelik, ugyanakkora töltőáram mellett). A Qualcomm Quick Charge és a MediaTek Pump Express ezt a módszert alkalmazza.

Az Oppo cég „VOOC” technológiája a feszültség helyett mégis inkább az áramerősséget növeli. A magasabb feszültséget ugyanis a berendezés alacsonyabb üzemfeszülstégére kell csökkenteni (DC-DC konverzió) eközben sztintén hő keletkezik. Ha nincs konverzió ez a hő sem termelódik a berendezésben. Hogy töltés közben az USB kábel ne melegedjen túlságosan fel a megnövelt áramerősség miatt, ezért speciális, kis ellenállású (vastagabb és nehezebb) kábeleket használnak. Az USB Power Delivery szabvány akár 240 wattos energiaátvitelt tesz lehetővé az eszközök között.

Védelem

A BMS rendszer védelmi szerepet is betőlt, mert az akkumulátor működését csak a biztonságos működési tartományán belül teszi lehetővé, úgy, hogy például megakadályozza a:

Túltöltést Túláramot töltés és kisütés (használat közbeni lemerülés) esetén Túlfeszültséget töltés közben, ami különösen fontos a savas ólomakkumulátor, lítium-ion és LiFePO4 cellák esetében Lemerülését túlságosan alacsony feszültségre, ami különösen fontos a Li-ion és LiFePO4 cellák esetében Túlmelegedést, illetve a túl alacsony hőmérsékletet Túlnyomást (főleg NiMH akkumulátorok esetében) Földelési hibát. A BMS érzékeli a szivárgóáramot és figyeli, hogy a nagyfeszültségű akkumulátor elektromosan le van-e választva minden megérinthető vezető felületről, például a jármű karosszériájáról. Hasonlóan a hálózati áram-védőkapcsolóhoz

Súlyos hiba esetén az akkumulátor felügyeleti rendszere (BMS) az alábbi módokon választhatja le az akkumulátort:

Tartalmaz egy belső kapcsolót (például relét, vagy MOSFET-et), amely kinyit, ha az akkumulátort a biztonságos működési tartományán kívül üzemel Beavatkozásnak hatására az eszközök csökkentik, vagy akár teljesen leállítják az akkumulátor terhelését (kisütését) vagy töltését. Aktívan szabályozza a környezet hőmérsékletét, például fűtőberendezések, ventilátorok, légkondicionáló vagy folyadékhűtés segítségével Csökkenti a számítógép processzor (CPU) órajelét, ezzel a hőtermelése is csökken.

Akkumulátor csatlakozása a terhelési áramkörhöz A BMS tartalmazhat egy előtöltő rendszert is, amely lehetővé teszi az akkumulátor biztonságos csatlakoztatását, kiküszöbölve a rákötött terhelésben levő kondenzátorok esetleg túlságosan nagy bekapcsolási áramát.

A terhelésekhez való csatlakozást általában elektromágneses relék, úgynevezett kontaktorok vezérlik. Az előtöltő áramkör lehet egy teljesítményellenállás és ezen keresztül, ezzel sorba kötjük a terhelést, amíg benne a kondenzátorok feltöltődnek. Alternatív megoldásként egy, a terhelésekkel párhuzamosan kapcsolt kapcsolóüzemű tápegység használható. Ez a terhelés feszültségét (ellenőrzött módon) először az akkumulátorfeszültséghez elég közeli szintre emeli és ezután csatlakoztatja hozzá az akkumulátort. Egy épületfelügyeleti rendszer (BMS) rendelkezhet egy áramkörrel, amely a töltés előtt (például hegesztés miatt) ellenőrzi, hogy egy relé zárva van-e, így megakadályozva a bekapcsolási áramok kialakulását.

Kiegyenlítés (balanszírozás)

Az akkumulátor kapacitásának maximalizálása, valamint a helyi alul- vagy túltöltés megelőzése érdekében a BMS aktívan biztosíthatja, hogy az összes, akkumulátort alkotó cella azonos feszültségen, vagy töltöttségi állapotban legyen: kiegyenlíti őket. Ez alapvetően kétféleképpen, passzív, vagy aktív módon történik

Passzív kiegyenlítési mód Ez a leggyakoribb és legköltséghatékonyabb megoldás, eljárási elve, egy mondatban: "a magasabb feszültségű cellákat kisütjük, töltöttségüket levisszük az alacsonyabb feszültségű cellákéhoz".

Áramköri felépítés Minden cellával párhuzamosan egy egymással sorba kötött kapcsoló (MOSFET) és kiegyenlítő ellenállás van csatlakoztatva. Vezérlési logika A BMS folyamatosan, valós időben figyeli az egyes cellák feszültségét. Ahogy egy cella feszültsége meghaladja a beállított küszöbértéket (például eléri a 3,6V-ot Li akkumulátorok esetén), illetve, csoportba kötött cellák esetén ez a feszültség magasabb, mint a csoportátlag, a vezérlőáramkör aktiválja a cellához tartozó kontaktort és áramot enged át a kiegyenlítő ellenálláson. A cella többletenergiáját az ellenálláson termelt hő formájában távolítja el.

Kulcsfontosságú jellemzők

Alacsony költség, egyszerű áramkör