BMS: sistema di monitoraggio e gestione delle batterie al litio

Una corretta definizione delle prestazioni energetiche è la chiave per il successo delle attuali batterie agli ioni di litio (Li-Ion) largamente impiegate nei veicoli elettrici. La rapida adozione delle batterie nei veicoli elettrici ha indirizzato la progettazione elettronica verso una nuova generazione di dispositivi di monitoraggio della carica elettrica.

Le batterie agli ioni di litio hanno richiesto diversi anni di studio teorico e sperimentale prima di essere commercializzate. Negli ultimi anni, l’efficienza di una batteria in termini di quanta energia può erogare rispetto alle dimensioni e al peso è notevolmente migliorata. I ricercatori stanno affrontando ulteriori sfide per migliorare la densità di potenza, durata, costi, tempi di ricarica e sicurezza. Il monitoraggio delle prestazioni elettriche è la chiave del successo delle applicazioni con le batterie agli ioni di litio.

Oltre a calcolare l’accumulo di carica elettrica come parametro prestazionale, il monitoraggio garantisce una lunga durata delle batterie evitando spiacevoli situazioni che potrebbero danneggiare le celle e lo stesso veicolo elettrico. I veicoli elettrici sono controllati da uno o più motori elettrici e si basano interamente sull’elettricità prodotta da batterie adeguatamente ricaricate. I motori elettrici consentono anche di semplificare notevolmente la progettazione meccanica, eliminando drasticamente il livello di rumore e le emissioni inquinanti. Oltre alla ricarica dalla rete elettrica tramite colonnine, alcuni tipi di questi veicoli sono caricati in parte dalla frenata rigenerativa, che attinge all’energia normalmente persa durante la frenata (o utilizzando altre fonti nell’ambito dell’energy harvesting).

Batterie al litio per l’e-mobility

Le batterie agli ioni di litio sono una tecnologia chiave per le future forme di mobilità e conservazione dell’energia. La loro produzione di massa è in forte aumento, soprattutto a causa della tendenza verso i veicoli elettrici. Mentre nel 2018 circa il 64 percento di queste batterie era ancora prodotto per la mobilità elettrica in tutto il mondo, entro il 2025 questa cifra sarà salita a ben oltre l’85 percento. Ciò è dovuto anche al fatto che stanno diventando sempre più economici. Secondo una delle ultime previsioni ai forum e-mobility, entro il 2021 il costo dei sistemi di batterie agli ioni di litio diminuirà a tal punto che i veicoli a propulsione elettrica saranno competitivi con i loro omologhi a combustione.

Le principali sfide richieste per offrire alte performance sono quelle di una maggiore autonomia, alta velocità di ricarica e la riduzione di costi di manutenzione. Molte aziende offrono soluzioni di storage elettrico in grado di garantire un ampio range di temperatura operativa e prolungare l’autonomia dei veicoli ibridi, ibridi plug-in e completamente elettrici. La tecnologia avanzata della batteria agli ioni di litio è progettata per fornire una migliore densità energetica, il tutto destinato a ridurre l’impatto ambientale del veicolo.

Le celle della batteria agli ioni di litio presentano due importanti problemi di progettazione: uno è rivolto alla chimica dei materiali, l’altra è di natura elettronica, ovvero quando è sovraccaricato può causare dei danni permanenti e un relativo surriscaldamento. Quindi è importante disporre di un sistema di gestione della batteria per fornire protezione e controllo energetico. Il sistema di monitoraggio rappresenta essenzialmente il “cervello” di un pacco batteria; misura e riporta informazioni cruciali per il funzionamento della batteria stessa e la protegge da danni in una vasta gamma di condizioni operative.

BMS – Battery management system: cos’è e come funziona

Il sistema di monitoraggio della carica di una batteria (comunemente denominato Battery Management System o BMS) permette di gestire in maniera intelligente l’autonomia e la sicurezza di un veicolo e-mobility, riducendo a sua volta i costi di alimentazione. Il BMS gestisce l’intero array di celle al litio (singole celle o interi pacchi batteria), determinando un’area operativa sicura, ovvero un’area di sicurezza all’interno della quale il pacco batteria garantisce le migliori prestazioni tecniche ed energetiche. Il BMS è in pratica un sistema elettronico per il controllo completo di tutte le funzioni diagnostiche e di sicurezza per la gestione dell’alta tensione a bordo del veicolo e il bilanciamento della carica elettrica. Le grandi batterie agli ioni di litio sono formate da centinaia o addirittura migliaia di singole celle della batteria che devono essere gestite con precisione. Le tensioni tra le celle devono essere attentamente monitorate ed equilibrate.

Lo scopo di un BMS è quello di rivelare lo stato di funzionamento sotto forma di stato di carica e stato di salute (capacità), indicare la fine del ciclo di vita quando la capacità scende al di sotto della soglia di target impostata dall’utente. I sistemi di gestione delle batterie per autoveicoli devono essere in grado di soddisfare caratteristiche critiche come il monitoraggio della tensione, della temperatura e della corrente, lo stato di carica della batteria (SoC) e il bilanciamento delle celle delle batterie agli ioni di litio (Li-ion). Le funzioni più basilari sono la protezione della batteria e la visualizzazione dello stato di carica (SoC).

Sebbene il SoC sia utile, la lettura è incompleta senza tenere traccia della capacità quando la batteria si esaurisce. La capacità è l’indicatore principale dello stato di salute della batteria (SoH). Conoscere SoC e SoH fornisce lo stato di funzionamento (SoF) del sistema complessivo. Il SoH è il rapporto tra la carica iniziale e la quantità di carica che si è deteriorata nel tempo misurata con il metodo del conteggio di Coulomb.

In pratica, le funzioni principali di un sistema di gestione della batteria per veicoli elettrici possono essere riassunte nei seguenti punti:

  • Protezione della batteria per impedire operazioni al di fuori della sua area operativa sicura;
  • Monitoraggio della batteria stimando lo stato di carica (SoC) e di salute (SoH) durante le operazioni di carica e scarica.
  • Ottimizzazione della batteria grazie al bilanciamento delle celle che ne migliora la durata e la capacità, ottimizzando così l’autonomia di guida per veicoli e-mobility.

Tecnologie per sistemi BMS

Un sistema di gestione della batteria può essere composto da numerosi blocchi funzionali tra cui: FET di cutoff, un monitor della tensione delle celle, un clock in tempo reale (RTC), un monitor della temperatura e una macchina a stati. Sono disponibili molti tipi di circuiti integrati di gestione della batteria. Il raggruppamento dei blocchi funzionali varia ampiamente da un semplice front-end analogico che offre bilanciamento e monitoraggio e richiede un microcontrollore (MCU), a una soluzione autonoma altamente integrata che funziona in modo autonomo (figure 1).

sistema di gestione delle batterie al litio
Figure 1: Un diagramma semplificato degli elementi costitutivi di un sistema di gestione della batteria

Il monitoraggio della tensione delle celle di ciascuna cella all’interno di un pacco batteria è essenziale per determinarne lo stato generale. Tutte le celle hanno una finestra di tensione operativa per garantire il corretto funzionamento e la durata della batteria. Il funzionamento della batteria al di fuori dell’intervallo di tensione riduce significativamente la durata della cella e può rendere la cella inutile. Le celle agli ioni di litio possono anche essere danneggiate se scaricate al di sotto di una determinata soglia, circa il 5 percento della capacità totale. Se le celle vengono scaricate al di sotto di questa soglia, la loro capacità può ridursi permanentemente. Il BMS fornisce anche protezione durante la carica e la scarica; in particolare disconnette la batteria se vengono superati i limiti impostati o se si verifica un guasto. Alcuni standard BMS stabiliti sono SMBus (System Management Bus) utilizzati principalmente per applicazioni portatili, CAN Bus (Controller Area Network) e il più semplice LIN Bus (Local Interconnect Network) per uso automobilistico implementato nel circuito integrato MM912_637. Ques’ultimo supporta una misurazione precisa della corrente tramite un resistore shunt esterno e della tensione della batteria tramite un resistore serie direttamente sul polo positivo della batteria.

Altri blocchi funzionali BMS includono l’autenticazione della batteria. Il blocco di autenticazione della batteria impedisce all’elettronica BMS di essere collegata a un pacco batteria di terze parti. Tra le soluzioni che il mercato ci offre troviamo il MAX17843 che utilizza un approccio a 2 scansioni per raccogliere misurazioni di celle con un’eccellente precisione in termini di temperatura e rapporto segnale/rumore (SNR). Il MAX17843 fornisce comunicazione UART differenziale, elevata immunità ai disturbi, e supporto per segmenti daisy-chain lunghi 100 m. Un convertitore A/D ad approssimazione successiva e ad alta velocità (SAR) viene utilizzato per digitalizzare le tensioni delle celle a una risoluzione di 14 bit con sovra-campionamento.

ADuC7039
Figura 2: schema a blocchi del ADuC7039

L’ADuC7039 sfrutta il campionamento di un ADC sigma-delta a 16 bit, integrato su un’architettura RISC ARM7TDMI-S core, 20.48 MHz PLL (figura 2). Sulla stessa stregua del ADuC7039, BQ79606A-Q1 consente la misurazione simultanea delle tensioni della batteria. Una delle cose che fa questo dispositivo è allineare la sincronizzazione e fare in modo che vi sia la possibilità di ritardare l’inizio della conversione ADC e allineare così tutte le celle in modo che la misurazione della tensione sia sincrona.

Il dispositivo include altri sistemi di acquisizione ausiliari per la verifica della temperatura da 6 NTC e guide interne per consentire vari controlli di sicurezza per il dispositivo (figura 3). È inclusa anche un sensore di temperatura dello stampo per fornire la correzione della variabile e consentire risultati di alta precisione in un intervallo di temperatura esteso. L9963 monitora, invece, fino a 14 celle batteria impilate, e può soddisfare i requisiti stringenti dei sistemi a 48 V e di tensione superiore. Il dispositivo può monitorare fino a 7 NTC.

circuito applicativo con BQ79606A-Q1
Figura 3: esempio di circuito applicativo con BQ79606A-Q1

Un parametro di misura fondamentale per offrire un buon mercato alle batterie agli ioni di litio è l’impedenza elettrochimica. Le attuali applicazioni delle batterie agli ioni di litio si stanno espandendo nel campo dei dispositivi industriali e della mobilità e sta aumentando anche l’importanza del riciclaggio. Per questo ci viene in aiuto la spettroscopia dell’impedenza elettrochimica come metodo non distruttivo per la valutazione delle batterie agli ioni di litio e favorire così il loro riutilizzo. L’impedenza elettrochimica delle batterie agli ioni di litio è molto sensibile alle variazioni di temperatura. Per questo motivo, le misurazioni effettuate in laboratorio vengono eseguite posizionando la batteria in una camera termostatica che mantiene una temperatura costante. La misurazione dell’impedenza elettrochimica in molti dispositivi BMS è ottenuta da un certo numero di convertitori analogici/digitali completamente paralleli e un circuito di eccitazione in corrente alternata con modulazione di impulsi da 0,1 Hz a 5 KHz e un circuito di conversione di tensione/corrente integrato nel dispositivo.

Con una crescente adozione dei veicoli elettrici, l’impatto sul settore del sistema di gestione della batteria (BMS) sarà considerevole, poiché i veicoli elettrici sono alimentati da decine o centinaia di celle. Questi sistemi possono raggiungere anche una tensione nominale da 300 V a 400 V, e qualsiasi cattiva gestione potrebbe innescare enormi problemi elettrici. Un BMS ottimizza le prestazioni dell’auto elettrica e garantisce la sicurezza del pacco batterie.

Controllo termico

Il controllo termico è un requisito imprescindibile di ogni sistema BMS. I moderni pacchi di batterie agli ioni di litio richiedono infatti che la temperatura delle celle sia mantenuta tra 0 e +45°C durante la carica, mentre durante la scarica il range di temperature è leggermente più esteso, compreso tra circa -20 e +60°C.

Il funzionamento al di fuori di questi intervalli di temperatura comporta una minore durata della batteria, una riduzione della sua capacità, o persino il suo completo danneggiamento. Anche se i valori precedentemente indicati possono differire in base alla particolare tecnologia utilizzata per la fabbricazione delle batterie, essi rappresentano una buona stima della temperatura che il BMS deve garantire in ogni condizione operativa.

È inoltre importante sottolineare come ciò che importa non è soltanto la temperatura massima o minima raggiunta dal pacco batterie, ma anche e soprattutto la sua distribuzione uniforme su tutte le celle. Soltanto in questo caso, infatti, si può garantire l’invecchiamento regolare e uniforme di tutte le celle, dal quale dipendono le prestazioni e la durata della batteria.

Per abbassare la temperatura delle celle, sono comunemente utilizzate due tecniche distinte. La prima è rappresentata dal classico sistema di raffreddamento ad aria, ottenuto tramite ventole che generano un flusso d’aria diretto verso le celle della batteria. Questa soluzione si dimostra sufficiente quando le batterie sono utilizzate con una frequenza relativamente bassa. La seconda tecnica utilizza invece per il raffreddamento un liquido (tipicamente glicole) che presenta elevata conducibilità termica ed elevata temperatura di ebollizione. Il liquido, scorrendo all’interno di appositi tubi o piastre posti a contatto con le celle, sottrae calore alle stesse riducendone così la temperatura. Questa soluzione è più aggressiva della precedente e si dimostra maggiormente valida quando il calore è generato con una frequenza superiore. A questo proposito, è importante osservare come i veicoli elettrici (EV) richiedano in genere un raffreddamento per singola cella inferiore rispetto a quanto richiesto da un veicolo ibrido. Essendo progettati per un utilizzo dell’energia a lungo raggio, i veicoli elettrici hanno delle batterie la cui scarica avviene a un ritmo relativamente lento.

Ne consegue che anche ogni singola cella produce una quantità di calore inferiore. I veicoli ibridi, viceversa, sono progettati per fornire picchi di energia che viene sottratta dalle celle ad un ritmo superiore, producendo una maggiore quantità di calore.

In molte situazioni, si rende anche necessario implementare un meccanismo di riscaldamento delle celle. In questo modo è possibile eseguire in totale sicurezza la carica della batteria anche quando la temperatura ambientale è molto rigida. Il riscaldamento della batteria, se necessario, viene tipicamente eseguito quando il veicolo è collegato alla rete elettrica o alla stazione di carica, utilizzando l’energia fornita dalla rete elettrica e non dalla batteria.

A causa della resistenza offerta dalle celle della batteria durante i normali cicli di carica e scarica, anche un pacco batteria posto a basse temperature sviluppa calore in modo estremamente rapido. Questo è il motivo principale per cui il raffreddamento delle celle riveste un’importanza maggiore del riscaldamento. Analogamente a quanto avviene per il riscaldamento, anche il raffreddamento delle celle può essere eseguito, se richiesto, durante il processo di carica, riconducendo la temperatura di esercizio della batteria entro i limiti menzionati in precedenza e prolungandone la durata. Questa operazione si rende necessaria nei paesi con clima particolarmente caldo e temperature elevate.

Redazione Fare Elettronica