Le batterie ricaricabili sono i componenti fondamentali dei sistemi di accumulo dell'energia a batteria (BESS). Al giorno d'oggi, sempre più sistemi chimici diversi vengono combinati in pacchi batteria costituiti da dozzine, centinaia o addirittura migliaia di celle, ottenendo un funzionamento più efficiente a tensioni più elevate. Per i progettisti di sistemi di gestione della batteria (BMS), questa struttura di progettazione deve affrontare molte sfide per ottenere prestazioni, efficienza, affidabilità e sicurezza ottimali.
Ad esempio, la progettazione o la selezione di circuiti integrati (IC) che soddisfino i requisiti applicativi richiede una profonda conoscenza della chimica delle batterie, della ricarica, del monitoraggio, del bilanciamento del carico, dell'isolamento, della sicurezza e delle tecnologie di comunicazione per garantire un'implementazione efficiente.
A tal fine, i fornitori hanno integrato molte funzioni necessarie in circuiti integrati dedicati che sono essenzialmente indipendenti dai processori. Molti modelli di questo tipo di circuiti integrati non solo supportano più sistemi chimici di batterie a base di litio, ma sono anche compatibili con celle di batterie non al litio. Questo tipo di circuito integrato raccoglie i dati dalle celle della batteria e prende decisioni e azioni ottimali sulla gestione della batteria in tempo reale. Inoltre, questi tipi di circuiti integrati forniscono anche dati al processore del sistema relativi allo stato delle celle della batteria e allo stato operativo.
Questo articolo introdurrà brevemente i requisiti tecnici unici dei gruppi multicellulari. Quindi, presenterai i circuiti integrati ottimizzati specializzati avanzati di Analog Devices e spiegherai come utilizzare questi circuiti integrati per soddisfare i requisiti di cui sopra.
Più celle della batteria porteranno più sfide
Lo schema elettrico di base di un pacco batteria può sembrare semplice, ma in realtà comprende più celle della batteria che ottengono una tensione maggiore attraverso il collegamento in serie e una corrente maggiore attraverso il collegamento in parallelo. Ciò significa che tali configurazioni sono solo una semplice estensione dei pacchi batteria a cella singola/poche celle, che non richiedono quasi alcuna gestione aggiuntiva. Questo pacco batteria multicella è adatto per utensili elettrici che richiedono 18 V o 48 V, veicoli elettrici (EV) che richiedono 400 V o 800 V e sistemi BESS che in genere richiedono 1500 V.
La situazione reale di questi pacchi batteria più grandi è che i loro dettagli e la loro complessità superano di gran lunga quanto mostrato nei loro schemi elettrici. Con l’aumento del numero di celle e pacchi batteria, la difficoltà di affrontare queste sfide cresce in modo esponenziale.
In primo luogo, è necessario monitorare la cella della batteria per tracciare la tensione ai terminali, la curva di scarica, lo stato di carica (SoC), la temperatura e le caratteristiche del precursore del guasto. Inoltre, è necessario gestire in modo uniforme le diverse celle della batteria e registrare e considerare le loro differenze.
La mancanza di un insieme universale di regole aumenterà ulteriormente la complessità della gestione delle celle della batteria. Inoltre, l'adeguatezza della strategia di gestione adottata dipende dalle caratteristiche chimiche delle celle della batteria. Le strategie di gestione adottate per i diversi principali sistemi chimici sono diverse (come le batterie agli ioni di litio (Li-ion) e al piombo-acido) e all'interno dello stesso sistema chimico generalizzato (come le varie formulazioni delle batterie agli ioni di litio), anche le strategie di gestione utilizzate sono diverse. Pertanto, le strategie avanzate di gestione del BMS devono essere personalizzate per le caratteristiche chimiche delle celle della batteria gestite.
A causa dell’elevato numero di celle della batteria contenute nei pacchi batteria ad alta tensione e ad alta capacità, che devono soddisfare numerosi standard di sicurezza, il monitoraggio e la gestione delle celle della batteria locale è attualmente la soluzione ingegneristica più fattibile. Sebbene il sistema sia solitamente dotato di un processore principale, di solito può solo emettere istruzioni normative avanzate per il monitoraggio locale delle celle e valutare le prestazioni complessive del pacco batteria. Il monitoraggio e la gestione di una singola cella della batteria vengono eseguiti da un sistema elettronico autonomo che fornisce funzionalità in tempo reale e funziona principalmente senza la necessità dell'intervento del processore a livello di sistema.
Bilanciamento della batteria passivo e attivo
Il bilanciamento delle celle è particolarmente importante per mantenere l'integrità di più gruppi di celle, garantendo che alcune celle non vengano danneggiate a causa del sovraccarico ed evitando che altre batterie restino inattive a causa del basso utilizzo. Il bilanciamento delle celle può prevenire danni alle celle e ai pacchi batteria, massimizzando così le prestazioni. Il bilanciamento delle celle garantisce che tutte le celle del pacco batteria raggiungano simultaneamente la loro capacità massima, prevenendo il sovraccarico, lo squilibrio del SoC, lo scaricamento eccessivo e l'invecchiamento precoce, estendendo in definitiva la durata della batteria.
Esistono due metodi per il bilanciamento cellulare: bilanciamento attivo e passivo. L'equalizzazione attiva è più precisa e veloce dell'equalizzazione passiva, ma è più complessa da implementare. Il bilanciamento attivo utilizza la tecnologia del circuito attivo per ridistribuire la carica tra ciascuna cella del pacco batteria, garantendo che il SoC di tutte le celle rimanga coerente. Questo circuito monitora la tensione di ciascuna cella della batteria e regola di conseguenza le correnti di carica e scarica in base ai risultati del monitoraggio.
Al contrario, il bilanciamento passivo si basa sulla legge di Ohm e sui resistori di bilanciamento per regolare la cella allo stesso stato del SoC. Oltre alla bassa precisione e alla bassa velocità, il bilanciamento passivo può anche dissipare (sprecare) l'energia in eccesso nelle celle della batteria ad alto contenuto di carica.
A partire dal monitoraggio multicella
Sebbene esista già un gran numero di soluzioni ESS sul mercato, le due principali funzioni front-end del BMS risiedono ancora nel monitoraggio e nel bilanciamento delle celle della batteria. Il circuito integrato ADES1830CCSZ mostrato nella Figura 1, come monitor di batterie per sistemi multi-cella e multi-chimica a 16 canali, non solo realizza le funzioni di cui sopra, ma integra anche numerose caratteristiche chiave che aiutano a semplificare la progettazione e il funzionamento complessivi del sistema.
Monitor cella ADES1830CCSZ di Analog Devices con celle multiple e sistemi chimici (fare clic per ingrandire)
Figura 1: Il monitor cellulare ADES1830CCSZ con più celle e più sistemi chimici viene utilizzato come elemento base per un BMS completo. (Fonte immagine: Analog Devices)
Questo monitor di gruppo multicella può misurare fino a 16 celle collegate in serie, con un errore di misurazione totale (TME) inferiore a 2 mV nell'intero intervallo di temperature; mentre la TME di altri ADES1831CCSZ con le stesse specifiche è leggermente superiore, pari a 5 mV. L'intervallo di ingresso di misurazione compreso tra -2 V e 5,5 V rende ADES1830 e ADES1831 adatti alla maggior parte dei materiali chimici delle batterie.
Per mantenere la coerenza durante il monitoraggio di pacchi batteria contenenti un numero elevato di celle, tutte le celle possono essere misurate in modo ridondante e sincrono tramite doppi convertitori analogico-digitali (ADC) integrati. Questi convertitori analogico-digitali (ADC) funzionano continuamente a un'elevata velocità di campionamento di 4.096 megacampioni al secondo (MSPS), riducendo così l'uso di filtri analogici esterni e ottenendo risultati di misurazione privi di aliasing. Se necessario, è possibile ottenere un'ulteriore riduzione del rumore attraverso filtri a risposta impulsiva infinita (IIR) programmabili a valle. ADES1830 e ADES1831 dispongono inoltre di una funzione di bilanciamento passivo, ottenuta attraverso il controllo del ciclo di lavoro PWM (modulazione di larghezza di impulso) indipendente e supportano una corrente di scarica fino a 300 mA per cella.
Sebbene un singolo dispositivo ADES1830 o ADES1831 supporti solo 16 celle in serie, è possibile collegare in cascata più dispositivi per monitorare simultaneamente le celle di un pacco batteria ad alta tensione a stringa lunga. Per ottenere l'interconnessione tra i chip IC, ciascun dispositivo è dotato di un'interfaccia di porta seriale isolata (isoSPI), che è isolata elettricamente tramite condensatori o trasformatori selezionati dall'utente per ottenere comunicazioni ad alta velocità a lunga distanza in grado di resistere alle interferenze in radiofrequenza.
Attraverso questo metodo, una singola connessione al processore principale può leggere i dati e monitorare l'intera stringa di batterie. Questo collegamento alla porta seriale consente la comunicazione bidirezionale, garantendo l'integrità dei dati anche in caso di errori del percorso di comunicazione.
Per ottimizzare l'applicabilità di questi rilevatori multicella, Analog Devices ha lanciato la scheda di valutazione EV-ADES1830CCSZ (Figura 2, a sinistra). Per essere più vicini alla realtà, è possibile collegare più schede di valutazione tramite l'interfaccia isoSPI per monitorare una lunga serie di celle nel pacco batteria (sul lato destro della Figura 2).