Il costo e la complessità dei controlli di bilanciamento delle celle e acquisizione dei dati per le batterie agli ioni di litio di alta qualità possono essere notevolmente ridotti grazie all’introduzione della piattaforma di monitoraggio delle celle LTC6802.
Funzionalità principali del sistema Bms
Le celle Li-Ion offrono potenziali operativi pari a circa 4 V a piena carica e a circa 2 V se completamente scariche. I potenziali di carica e scarica variano in base al tipo di batteria e sono specificati dal produttore.
Le celle ANR26650M1 a 2,3 Ah di A123, ad esempio, sono normalmente caricate a 3,6 V e sono considerate esaurite a 1,6 V. Gli array di celle utilizzate nelle applicazioni EV/HEV sono spesso configurate fino a 400 V, normalmente in elementi modulari di circa 100 V max ciascuno. I pacchi batteria sfruttano i potenziali delle celle e trasmettono i segnali alla sezione di acquisizione dei dati del sistema Bms. L’obiettivo è quello di misurare la tensione di ciascuna cella e altri parametri come la temperatura, con precisione e risoluzione elevate (12 bit standard). Il circuito di acquisizione dei dati utilizza le connessioni di rilevamento della batteria come alimentazione locale. Per motivi di sicurezza il traffico digitale al processore host deve essere isolato galvanicamente utilizzando una tecnica di trasmissione basata su sistemi ottici, magnetici o capacità. Un’altra funzione importante del sistema Bms per la tecnologia Li-Ion è il bilanciamento delle celle che consente di compensare eventuali lievi discrepanze ottimizzando la durata del pacco batteria. Nelle attuali progettazioni Bms, ciò avviene in modo passivo attivando la resistenza di carico sui potenziali massimi delle celle. Questo metodo passivo richiede la progettazione termica per eliminare il calore residuo associato al processo di bilanciamento. I futuri schemi di bilanciamento sono progettati con tecniche di conversione della potenza in modalità di commutazione attiva ad alta efficienza e con funzionamento a freddo. I sistemi di batterie per veicoli HEV e EV devono essere progettati per supportare lunghi periodi di inattività, prima dell’installazione e durante il trasporto e il deposito del veicolo. Per tale ragione è importante che l’alimentazione in stand-by del circuito dei moduli consumi molta meno energia rispetto alla autoscaricamento delle celle della batteria, con sensibile riduzione del rischio di sovraccarica. Ancora più importante, la corrente di stand-by lungo la stringa di batterie deve essere perfettamente omogenea per escludere la possibilità di sbilanciamento delle batterie durante il deposito.
Considerazioni architetturali per il sistema Bms
Per tracciare le dinamiche di carico dei veicoli elettrici e ibridi, incluse la modalità di funzionamento in scaricamento e ricarica, i componenti elettronici di monitoraggio della batteria verificano le tensioni delle celle alla velocità di 50 campionamenti al secondo o superiore. Ciò implica un’alta velocità di flusso dei dati grezzi dal pacco batteria, talvolta con un throughput di carico utile pari a 60 kbps per un pacco da 96 celle. Considerando l’alimentazione standard di un micropocessore e il sovraccarico necessario, è sensato distribuire i processi a livello del modulo e limitare il traffico nei collegamenti di dati isolati ai flag di errore, nonché alle informazioni di carica e ai controlli di alto livello “preassimilati”. La disposizione delle celle della batteria deve essere oggetto di particolare attenzione in quanto le dimensioni e il peso hanno implicazioni pratiche sulla manutenzione e la distribuzione all’interno del veicolo. Le batterie organizzate in moduli aiutano a distribuire il peso, oltre ad offrire praticità e facilità di gestione. Le dimensioni dei moduli devono essere studiate appositamente per il mercato dei veicoli EV/HEV, considerando che più sono contenute, più aumenta il costo e la complessità di cablaggio. I pacchi batterie modulari possono includere un microprocessore per controllare il processo di acquisizione dei dati, nonché un’interfaccia di comunicazione affidabile.
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