Le batterie agli ioni di litio richiedono un’attenzione considerevole per funzionare affidabilmente per lunghi periodi. Non possono essere utilizzate sino all’estremo del loro stato di carica, poiché la capacità delle celle diminuisce e diverge nel corso del tempo e in base all’uso, per cui ogni cella di un sistema deve essere gestita per essere mantenuta entro uno stato di carica obbligato. Per ottenere potenza sufficiente per un veicolo, sono necessarie decine o centinaia di celle, configurate in una lunga serie che generi sino a 1.000 V o anche più. I circuiti elettronici di queste schiere di batterie devono funzionare a queste tensioni molto alte e presentare un elevato rapporto di reiezione di modo comune, mentre misurano e controllano in modo differenziale ciascuna cella. Non solo: devono essere in grado di comunicare informazioni da ciascuna cella a un punto centrale ai fini dell’elaborazione. Inoltre, il funzionamento di un set di batterie ad alta tensione impiegate in un veicolo in altre applicazioni a potenza elevata impone condizioni difficili, come la presenza di livelli elevati di rumore elettrico e ampi intervalli della temperatura operativa. I circuiti elettronici di gestione della batteria devono massimizzarne la gamma di funzionamento, la durata, la sicurezza e l’affidabilità, al tempo stesso riducendone al minimo il costo, le dimensioni e il peso. I progressi costanti realizzati da Linear Technology nello sviluppo dei circuiti integrati di monitoraggio delle celle di batterie rendono possibili prestazioni elevate, maggiore durata e affidabilità superiore dei set di batterie nei moderni autoveicoli. I sistemi di gestione wireless promettono di migliorare ulteriormente la sicurezza e l’affidabilità del sistema completo di batterie.
Il monitoraggio della batteria
Nel 2008, Linear ha annunciato il primo dispositivo di monitoraggio di set di batterie multicella a elevate prestazioni, l’LTC6802; tra le sue caratteristiche fondamentali: l’LTC6802 misura la tensione di più celle agli ioni di litio - fino a 12 - con un errore massimo totale dello 0,25% entro 13ms, ed è possibile collegare in serie molti circuiti integrati LTC6802 per abilitare il monitoraggio simultaneo di ciascuna cella di una lunga schiera di batterie ad alta tensione. Nel corso degli anni Linear ha migliorato ripetutamente l’LTC6802. Tutti i dispositivi della famiglia Linear LTC68XX sono pensati per la gestione precisa delle batterie in veicoli ibridi/elettrici, interamente elettrici e di altri set di batterie ad alta potenza e alta tensione. Il modello LTC6811 è il più recente dispositivo Linear di monitoraggio di set di batterie multicella: incorpora un riferimento di tensione ultrastabile, multiplexer ad alta tensione e convertitori A/D delta-sigma a 16 bit. Un LTC6811 può misurare le tensioni di più celle di batterie collegate in serie (fino a 12) con precisione superiore a 0,04%. Nella modalità più veloce del convertitore AD, la tensione di tutte le celle può essere misurata entro 290 μs. Grazie a otto filtri passa basso del terzo ordine programmabili, l’LTC6811 può offrire una riduzione del rumore straordinaria. Ne consegue una precisione eccezionale delle misure di tensione delle celle, che rende possibile la gestione precisa di ciascuna batteria e quindi una capacità e sicurezza maggiori, e una durata più lunga, del set di batterie. Ciascun LTC6811 include due interfacce seriali da 1MHz incorporate, un’interfaccia Spi per la connessione a un microprocessore locale e l’interfaccia isoSpi a 2 fili proprietaria. Quest’ultima offre due opzioni di comunicazioni: è possibile collegare più dispositivi al master del sistema di gestione delle batterie (il processore host) in serie o in parallelo.
I set di batterie modulari
A causa del gran numero di celle necessarie per impianti di autoveicoli che richiedono una potenza elevata, spesso le batterie vengono divise in set e distribuite negli spazi disponibili del veicolo. Con 10 - 24 celle in un tipico modulo, i moduli possono essere assemblati in diverse configurazioni per adattarsi a varie piattaforme di veicoli. Un’esecuzione modulare semplifica eventuali problemi di manutenzione e garanzia, ed è utilizzabile come base per set di batterie di notevole entità, consentendo di distribuirli su grandi aree per usare più efficacemente lo spazio disponibile.Per rendere possibile una topologia modulare, distribuita nell’ambiente a elevata interferenza elettromagnetica di un veicolo ibrido o elettrico, è necessario un sistema di trasmissione dati affidabile. Sia il bus Can isolato che l’isoSpi di Linear rappresentano soluzioni comprovate in condizioni di guida effettiva per l’interconnessione di moduli in questo ambiente. Il bus Can si è dimostrato efficace nelle applicazioni del settore automotive, poiché assicura una rete affidabile per l’interconnessione di sistemi modulari di batterie, anche se richiede un certo numero di componenti aggiuntivi. Ad esempio, l’implementazione di un bus Can tramite l’interfaccia Spi dell’LTC6811 comporta aggiungere un transceiver Can, un microprocessore e un isolatore. Lo svantaggio principale di un bus Can è rappresentato dal costo aggiuntivo e dall’ulteriore spazio sulla scheda di questi altri componenti. Una soluzione alternativa all’interfaccia costituita da un bus Can è l’innovativa interfaccia isoSpi a 2 fili di Linear; integrata in ogni LTC6811, che utilizza semplicemente un trasformatore e un singolo doppino intrecciato anziché i quattro fili richiesti dal bus Can. Inoltre l’interfaccia isoSpi garantisce un’elevata immunità al rumore a radiofrequenza; infatti è possibile collegare più moduli in serie per lunghi percorsi dei cavi e farli funzionare a velocità di trasmissione dati fino a 1Mb/s.
Il sistema di gestione wireless delle batterie
In un sistema di gestione wireless delle batterie, ciascun modulo è interconnesso in modalità wireless anziché attraverso il cavo di un bus Can o un doppino intrecciato isoSpi. Oggi, Linear è all’avanguardia nel settore automotive contribuendo a realizzare il primo prototipo di autovettura dotato di sistema di gestione delle batterie wireless: si tratta di una Bmw i3 che riunisce il dispositivo di monitoraggio di set di batterie LTC6811 e reti mesh wireless SmartMesh di Linear, che sostituiscono le tradizionali connessioni cablate fra i set di batterie e il sistema di gestione delle batterie. Un’auto con un Bms (Battery management system) completamente wireless rappresenta un’innovazione significativa che offre la possibilità di una maggiore affidabilità, costo inferiore e ridotta complessità del cablaggio per grandi set di batterie multicella adatti per veicoli elettrici e ibridi/elettrici. Alle case automobilistiche si richiede di garantire ai guidatori che i veicoli elettrici e ibridi/elettrici siano sicuri e affidabili. Linear Technology sta ora andando oltre la sicurezza e l’affidabilità del circuito integrato di monitoraggio della batteria per far fronte al rischio di guasti meccanici ai connettori, cavi e cablaggi nelle aree dell’autoveicolo in cui sono presenti livelli elevati di vibrazioni. Finora, si riteneva che le parti circostanti del veicolo metalliche e con alti livelli di interferenza elettromagnetica creassero disturbi eccessivi in un sistema wireless, che non poteva quindi essere affidabile. Ma le reti SmartMesh consentono di realizzare un sistema di interconnessione veramente ridondante, attraverso l’utilizzo della diversità sia di percorso che di frequenza per fare propagare i segnali wireless intorno agli ostacoli e mitigare l’interferenza. Comprovate sul campo in applicazioni correlate all’Internet of Things in ambito industriale, le reti wireless integrate SmartMesh assicurano affidabilità >99,999% della trasmissione dati in ambienti difficili, come quelli di monitoraggio delle automotrici, minerario e impianti di processo. Offrendo l’affidabilità delle connessioni cablate ma eliminando il rischio di guasti meccanici ai connettori, la concept car con Bms wireless mostra la promessa della tecnologia wireless di migliorare l’affidabilità complessiva del sistema e semplificare la progettazione dei sistemi di gestione delle batterie per autoveicoli.
Funzionalità e vantaggi
Un Bms con una rete SmartMesh può offrire nuove funzionalità, attualmente non disponibili in un sistema cablato. La rete mesh wireless assicura flessibilità nella collocazione dei moduli batteria e rende possibile l’installazione di sensori in punti prima inadatti per un sistema cablato. Semplicemente aggiungendo sensori compatibili con sensori SmartMesh si potrebbe consentire al master del Bms di acquisire ulteriori dati importanti per la precisione dei calcoli dello stato di carica della batteria, come corrente e temperatura. La rete SmartMesh sincronizza automaticamente ciascun nodo con uno scarto di alcuni microsecondi e contrassegna con precisione le misure in corrispondenza di ciascun nodo. La capacità di correlare nel tempo misure eseguite in punti diversi di un veicolo è una funzione utilissima per calcolare con maggiore precisione sia lo stato di carica che lo stato di funzionalità della batteria. Un nodo SmartMesh con elaborazione locale a ciascun nodo migliora il normale funzionamento del Bms e inoltre promette di consentire la realizzazione di sistemi modulari di batterie intelligenti, in cui la diagnostica dei moduli e la trasmissione dei loro dati potrebbero essere disponibili per migliorare le operazioni di assemblaggio e manutenzione.
