Le batterie sono i veri protagonisti dell’era in cui stiamo vivendo. Sono loro che alimentano ogni cosa nel nostro quotidiano, dagli smartphone e laptop ai veicoli elettrici fino ai sistemi di stoccaggio di energia rinnovabile.
Il processo di elettrificazione è in piena corsa, soprattutto nel settore dei trasporti. Con l’aumento del numero di veicoli elettrici sulle strade, anche molte batterie si avvieranno alla fine della loro vita. Questo ci impone un’enorme responsabilità nel garantire che queste batterie non diventino un pericolo ambientale e vengano invece recuperate, riutilizzate e riciclate come parte di un’economia circolare. Lo sviluppo di energy storage system stazionari dipende da una gestione dei dati efficiente, affidabile e sicura. Con l’aumento della complessità di questi sistemi, servono cablaggi di comunicazione più complessi per ottimizzare le prestazioni della batteria e garantire più sicurezza.
Una batteria per veicolo elettrico è tanto più sostenibile quanto più a lungo può essere utilizzata; le sue celle possono essere riutilizzate, ad esempio in un altro veicolo elettrico o per varie applicazioni di stoccaggio dell’energia, o riciclate, con i materiali costitutivi estratti e utilizzati per produrre nuove batterie.
Tuttavia, gestire la salute, le prestazioni e la sicurezza di queste batterie è una sfida complessa. I tradizionali sistemi di gestione della batteria (BMS) cablati e wireless, sebbene siano efficaci in una certa misura, presentano limitazioni intrinseche. Affrontando queste sfide, la tecnologia chip-on-cell di Dukosi emerge come una soluzione innovativa per il monitoraggio delle celle della batteria.
Battery Management System
I BMS tradizionali implicano l’uso di un’intricata rete di cavi fisici che collega ogni singola cella di un pacco batteria a un controller centrale. Con l’aumento del numero di celle in un pacco batteria, aumenta anche la complessità di questo cablaggio. Un cablaggio aggiuntivo non solo comporta un aumento del peso e potenziali punti di guasto, ma rende anche più impegnative l’installazione, la manutenzione e la risoluzione dei problemi del BMS.
Un sistema cablato in modo complesso può anche influire sulla flessibilità della progettazione del pacco batteria, poiché accogliere il cablaggio necessario può limitare i modi in cui le celle della batteria possono essere disposte o alloggiate. Inoltre, in caso di guasti o guasti, il processo di risoluzione dei problemi può essere lungo e noioso, poiché ogni cavo e punto di connessione deve essere ispezionato e testato.
Un BMS wireless offre invece un approccio più snello eliminando la necessità di tali connessioni fisiche. Ciò semplifica la progettazione del pacco batteria e riduce il peso associato. Tuttavia, un approccio wireless non è esente da sfide. Le interferenze del segnale possono derivare da varie fonti esterne o anche da altri componenti all’interno dello stesso sistema, il che può compromettere la precisione e l’affidabilità della trasmissione dei dati. Inoltre, i sistemi wireless sono intrinsecamente suscettibili alle minacce alla sicurezza informatica, poiché entità non autorizzate potrebbero tentare di intercettare o manomettere i dati trasmessi. C’è anche la questione di garantire che la comunicazione wireless rimanga coerente e affidabile, poiché qualsiasi interruzione della comunicazione può portare a letture errate o a condizioni operative potenzialmente non sicure per la batteria. In sostanza, mentre un BMS wireless risolve alcuni degli inconvenienti di un sistema cablato, introduce una nuova serie di preoccupazioni che devono essere affrontate in modo approfondito per garantire una gestione sicura ed efficiente della batteria.
La tecnologia chip-on-cell di Dukosi
La tecnologia chip-on-cell di Dukosi è progettata per superare queste limitazioni incorporando un piccolo chip direttamente su ciascuna cella della batteria. Dukosi è stata fondata nel 2003 e ha sede a Edimburgo, nel Regno Unito. L’azienda è specializzata in tecnologie di monitoraggio delle batterie con l’obiettivo di risolvere alcuni dei problemi che affliggono le applicazioni alimentate a batteria. La sua tecnologia chip-on-cell utilizza un nuovo sistema di comunicazione senza contatto basato sulla comunicazione a campo vicino (NFC) per monitorare ogni singola cella all’interno della batteria, registrando dati operativi ed eventi e trasmettendo questi dati al chip dell’hub del sistema Dukosi, che è integrato nel BMS tradizionale.
In una recente intervista con Power Electronics News, Joseph Notaro, vicepresidente delle vendite e del marketing globale di Dukosi, ha sottolineato le sfide e le critiche che circondano la vita successiva delle batterie dei veicoli elettrici: “Produrre una batteria richiede un consumo elevato di energia, quindi è fondamentale massimizzarne il consumo. utilizzo per la sostenibilità. Un grosso limite è poter trattare ogni cella come potenzialmente pericolosa poiché non c’è chiarezza sulla sua storia”.
Ha poi spiegato la soluzione innovativa di Dukosi: “La nostra tecnologia traccia e memorizza l’utilizzo di ciascuna cella dal momento in cui viene collegata. Ciò consente alle operazioni di riciclaggio di classificare le celle in base alla qualità e al rischio, migliorando sia la sostenibilità che la fiducia nella catena di approvvigionamento”.
Alla domanda sul concetto di tecnologia cell-to-pack e sulla sua influenza sulla progettazione e produzione di pacchi batteria, la risposta di Notaro è stata perspicace: “Cell-to-pack è un design di batteria all’avanguardia in cui le celle della batteria sono direttamente integrate nel pacco batterie, bypassando l’architettura convenzionale basata su moduli. Ciò non solo offre ai produttori una maggiore libertà di progettazione, ma aumenta anche la sicurezza e l’affidabilità, potenzialmente raddoppiando quest’ultima e riducendo il volume del pacco batteria”.
Notando la compatibilità delle soluzioni Dukosi con questa tecnologia, Notaro ha aggiunto: “La soluzione chip-on-cell di Dukosi è fatta su misura per le architetture cell-to-pack, ottimizzando il processo di produzione e migliorando l’efficienza della catena di fornitura”.
L’economia circolare e le batterie dei veicoli elettrici per garantire un futuro sostenibile
L’economia circolare è un modello che sta guadagnando terreno in tutto il mondo, non solo per la sua promessa di ridurre i rifiuti e combattere l’esaurimento delle risorse, ma anche per la sua capacità di stimolare l’innovazione, promuovere la sostenibilità e creare crescita economica. Al centro di questo quadro c’è il principio di sfruttare al massimo le risorse di cui disponiamo e di garantire che prodotti e materiali vengano recuperati, riutilizzati e riciclati al massimo delle loro potenzialità.
Un’area in cui questo approccio sta ricevendo molta attenzione è nel campo delle batterie, in particolare di quelle per veicoli elettrici. Con la crescente diffusione dei veicoli elettrici, la sfida ambientale legata allo smaltimento delle batterie esaurite incombe. È qui che l’economia circolare può fornire sia una soluzione sia un’opportunità.
Quando una batteria di un veicolo elettrico raggiunge la fine della sua vita utile per la propulsione di un veicolo, non è necessariamente morta. Potrebbe ancora avere una notevole quantità di capacità di accumulo di energia che può essere utilizzata per altri scopi. Questa applicazione è nota come utilizzo di seconda vita. Ad esempio, una batteria obsoleta per un veicolo elettrico può essere riutilizzata come ESS (energy storage system) per sistemi di energia rinnovabile, per il supporto della rete e persino per alimentare residenze e aziende.
Tuttavia, il processo di riutilizzo di queste batterie non è semplice. Le batterie dei veicoli elettrici sono sistemi complessi composti da singole celle, ognuna delle quali ha la propria storia e il proprio stato di salute. Per utilizzare queste batterie in modo efficace e sicuro, è necessario comprendere e valutare le condizioni di ciascuna cella
La soluzione chip-on-cell di Dukosi
Riconoscendo la necessità di una migliore supervisione e tracciabilità, sono state introdotte normative come il “Passaporto della batteria” del Green Deal dell’UE. Sebbene attualmente si concentrino sull’intera batteria, l’esigenza fondamentale è chiara: la tracciabilità a livello di cella.
Le ragioni sono semplici: la vera sostenibilità e il massimo riutilizzo possono essere realizzati solo quando comprendiamo lo stato e la storia di ogni cella.
Dukosi, un’impresa tecnologica che monitora le celle in modo non convenzionale, può fornire una risposta interessante. Registrando i dati sulla durata in ciascun chip di monitoraggio delle delle, il sistema Dukosi fornisce informazioni sulla salute delle stesse, sulla cronologia di utilizzo e sulle anomalie.
Secondo Dukosi, utilizzando il suo sistema di monitoraggio chip-on-cell, è ora possibile prolungare la durata della batteria e ottimizzarne le prestazioni posizionando un SoC dedicato su ogni singola cella all’interno della batteria. Questa tecnologia chip-on-cell può preservare la tracciabilità durante l’intero ciclo di vita di ciascuna cella. Al momento dell’integrazione del chip, preferibilmente durante la fase di produzione della cella, viene avviata la registrazione automatica dei dati, preservando una serie completa di dettagli essenziali per valutare lo stato di salute e sicurezza della cella e memorizzarli per tutta la durata della vita della cella.
Ecco come il sistema Dukosi trasforma il panorama della gestione delle batterie:
• Decentralizzazione: ogni chip funge da unità di monitoraggio individuale per la rispettiva cella. Questo approccio decentralizzato elimina la necessità di un controller centrale per monitorare ogni singola cella, semplificando l’intero sistema.
• Monitoraggio migliorato delle prestazioni: il chip può monitorare e registrare da vicino diversi parametri della cella, come tensione, temperatura e stato di carica. Ciò garantisce che eventuali anomalie o deviazioni vengano tempestivamente rilevate e risolte, ottimizzando le prestazioni della batteria.
• Maggiore sicurezza: il rilevamento tempestivo dei problemi a livello di cella può impedire che i problemi si aggravino. Questo approccio garantisce che se una cella inizia a funzionare male o a surriscaldarsi, può essere isolata o risolta prima che colpisca l’intero pacco batteria.
• Affidabilità e durata: eliminando la necessità di cablaggi complessi o sistemi di comunicazione wireless a campo lontano, la tecnologia chip-on-cell riduce i potenziali punti di guasto. Ciò non solo aumenta l’affidabilità del BMS, ma prolunga anche la durata della batteria.
• Facilità di scalabilità: poiché non sono necessari complicati schemi di cablaggio o configurazioni wireless, aggiungere più celle a un pacco batteria diventa più semplice. Questa scalabilità è fondamentale per applicazioni come i veicoli elettrici o gli ESS su larga scala
Rilevamento chip-on-cell
Le batterie sono costituite da più celle e per ottimizzare le loro prestazioni è essenziale monitorare attentamente ciascuna cella. La piattaforma Dukosi porta questo concetto a un livello superiore integrando il monitor cella DK8102 direttamente in ogni cella. Ciò facilita informazioni dettagliate sul funzionamento e sulle condizioni di ciascuna cella in tempo reale.
Il DK8202, alloggiato nel BMS primario, comunica con tutti i monitor delle celle. Sfrutta l’NFC per facilitare la comunicazione senza contatto, eliminando le sfide poste dai tradizionali sistemi cablati o wireless.
La sicurezza rimane fondamentale nella gestione della batteria. Il sistema Dukosi raccoglie dati in tempo reale su vari parametri come tensione, temperatura e stato di carica per ogni cella. Inoltre, il DK8201 conduce numerosi test diagnostici per garantire l’affidabilità del sistema. Eventuali anomalie relative alle singole celle vengono rilevate istantaneamente e il BMS viene avvisato.
L’integrazione del DK8102 durante la fase di produzione delle celle semplifica le molteplici fasi della creazione della batteria. Dalla progettazione al test, l’intero processo diventa più efficiente. Inoltre, i produttori di veicoli elettrici acquisiscono una comprensione più approfondita delle prestazioni di ciascuna cella durante tutta la sua vita.
Ogni cella dotata del DK8102 ha il suo identificatore univoco, garantendo coerenza e precisione dei dati su tutta la linea. Questo identificatore traccia l’intero ciclo di vita della cellula, dall’utilizzo agli eventuali eventi a cui può essere soggetta.
Una caratteristica distintiva della soluzione Dukosi è la sua adattabilità. Il suo sistema di comunicazione senza contatto funziona attraverso un’unica antenna bus, che può essere personalizzata per adattarsi a batterie di dimensioni e configurazioni diverse. Questo design fa sì che i pacchi batteria non debbano essere sottoposti a una riprogettazione completa quando si rivolgono a mercati diversi, con conseguente implementazione più rapida e costi ridotti.
La piattaforma di Dukosi non si limita a un singolo tipo di batteria o chimica. È sufficientemente versatile da poter essere integrato con vari formati di celle come celle prismatiche, a sacchetto e cilindriche. L’ampia applicabilità della tecnologia la rende una soluzione scalabile per molteplici applicazioni.
Dukosi offre un supporto completo a coloro che desiderano adottare la sua tecnologia. Offrono una vasta gamma di risorse, che vanno dai kit di valutazione alla documentazione dettagliata. Inoltre, la tecnologia di Dukosi è in linea con i requisiti del Battery Passport 2026 dell’UE, promuovendo pratiche sostenibili come il riutilizzo delle celle e l’approvvigionamento responsabile.
Lo scenario dell’energy storage
In un settore energetico in continua evoluzione, i sistemi di energy storage stazionari sono emersi come risorse fondamentali nella gestione della rete, nell’integrazione dell’energia pulita e nel supportare la transizione verso un futuro energetico sostenibile. Al centro di ogni sistema c’è la direttiva fondamentale per immagazzinare energia in modo efficiente e distribuirla quando necessario. Ma dietro questa semplicità si nasconde un complesso labirinto di protocolli di gestione, ottimizzazione e sicurezza dei dati.
I dati costituiscono il sistema nervoso centrale di qualsiasi moderna piattaforma ESS (energy storage system). Detta come e quando caricare e scaricare, aiuta a diagnosticare anomalie e comunica con una miriade di componenti. Il rispetto degli standard di sicurezza funzionale, come quelli stipulati nella norma UL9540, richiede un intricato balletto di comunicazione a circuito chiuso tra la batteria, gli inverter di potenza, i controller di carica e altro ancora.
Tuttavia, man mano che i nostri sistemi diventano più sofisticati, si presenta una sfida piuttosto prosaica: il cablaggio. I produttori sono alla costante ricerca di dati per migliorare continuamente le prestazioni della batteria. Di conseguenza, si verifica una crescita esplosiva dei punti di connessione, aumentando il potenziale di vulnerabilità del sistema.
La tecnologia chip-on-cell sviluppata da Dukosi inaugura una nuova era per gli ESS. Secondo l’azienda, si tratta del primo circuito integrato di monitoraggio della batteria in grado di misurare i dati su ogni singola cella e comunicare in modalità wireless utilizzando NFC tramite un’unica antenna bus.
Riferimenti
Traduzione dell’articolo pubblicato su www.powerelectronicsnews.com: “Driving the electric revolution: Chip-on-Cell Technology for Sustainable EV Batteries”
- Dukosi. (Aug. 21, 2023). “The humble cell paves the road to an EV battery circular economy.”
- Dukosi. (Sept. 20, 2023). “Dukosi chip-on-cell technology helps hit next-gen EV battery targets.”
