Alla crescente diffusione delle batterie, quale fonte di alimentazione, corrisponde la richiesta di massimizzare la loro vita utile. Nei grandi pacchi di batterie al litio lo sbilanciamento, una differenza nello stato di carica delle singole celle che formano un pacco, è un problema dovuto a variazioni nel processo di produzione, alle condizioni operative e all'invecchiamento della batteria. Lo sbilanciamento può ridurre la capacità totale del pacco e potenzialmente danneggiarlo; inoltre impedisce alle batterie di passare gradualmente dallo stato di carica a quello di scarica e, se non viene tenuto sotto stretto controllo, può comportare una carica/scarica eccessiva che danneggia le celle in modo permanente. Le batterie usate nei pacchi destinati ai veicoli elettrici ibridi ed elettrici vengono suddivise dal produttore in base alla capacità e alla resistenza interna al fine di ridurre le variazioni tra celle in un determinato lotto inviato a un determinato cliente. I pacchi vengono quindi realizzati con batterie accuratamente selezionate in modo da migliorare l'adattamento globale tra le varie celle. In teoria questo dovrebbe impedire grandi sbilanciamenti, ma la creazione di un pacco grande richiede comunque il monitoraggio e il bilanciamento delle batterie allo scopo di mantenere una capacità elevata per tutta la durata del pacco. Per comprendere meglio l'importanza del bilanciamento, verranno esaminate due strategie di gestione sulla base di due pacchi batterie identici. Il test intende valutare in che modo la capacità totale del pacco varia nel corso della vita utile della batteria. Per valutare le strategie è stato creato un sistema di monitoraggio delle batterie o Bms (Battery Monitoring System) costituito da tre elementi, l'hardware di monitoraggio, l'hardware di bilanciamento e il dispositivo di controllo. Il Bms utilizzato nei test è in grado di monitorare tensioni di cella e corrente di carico della batteria, di bilanciare le celle e di controllare il collegamento delle batterie al carico e al caricatore.
Hardware di monitoraggio
Il progetto dell'hardware del Bms è stato costruito intorno all'LTC6803-1, un circuito di monitoraggio di batterie a più celle altamente integrato. Questo dispositivo, sviluppato da Linear Technology, è in grado di misurare fino a 12 celle per circuito integrato e consente di realizzare un collegamento a margherita seriale in grado di connettere più circuiti integrati e permettere al sistema di monitorare più di 100 batterie con una sola porta seriale. Quando si progetta un sistema di monitoraggio delle batterie occorre tener conto di una serie di dati, in primo luogo della precisione della tensione di cella. Si tratta di un fattore importante per determinare lo stato di carica delle singole celle ed è uno dei fattori limitanti per determinare fino a quale limite sia possibile utilizzare una cella. L'LTC6803 ha una risoluzione di 1,5 mV e una precisione di 4,3 mV, dati che consentono al dispositivo di controllo di determinare con precisione lo stato delle batterie, a prescindere dal tipo utilizzato. In secondo luogo, un'importante fonte di sbilanciamento negli stack di batterie è dovuta alla variazione dell'alimentazione e alla corrente di standby dello stesso circuito di monitoraggio. La corrente di riserva è particolarmente importante nelle applicazioni automotive perché la maggior parte dei veicoli rimane spenta per la maggior parte del tempo, con il BMS in standby. L'LTC6803 ha una corrente di riserva di appena 12 µA; l'intervallo della corrente specificato è compreso tra 6 e 18 µA, il che garantisce, nel peggiore dei casi, uno sbilanciamento di 12 µA tra pacchi di un grande stack di celle, cioè uno sbilanciamento di meno di 10 mAhr al mese. Vi sono 2 ingressi Adc utilizzabili per monitorare la temperatura delle batterie o altri dati del sensore. Il progetto usa l'ingresso Vtemp1 per misurare la corrente della batteria. La corrente viene misurata con un dispositivo LT1999, un amplificatore per il rilevamento della corrente bidirezionale ad alta tensione. L'intervallo di tensioni in ingresso dell'LT1999 è compreso tra -5 e 80 V e, in questo caso, il dispositivo è impostato per monitorare +/- 10 amp sul lato caldo del pacco batterie. I due pin Gpio disponibili sull'LTC6803 servono a controllare un carico attivo e un caricatore, il che consente al dispositivo di disconnettere le batterie dal caricatore o dal carico al termine della carica/scarica.
Hardware di bilanciamento
L'hardware di bilanciamento passivo viene usato con un resistore di bypass e un interruttore in ogni cella del pacco. Il resistore di bilanciamento è normalmente utilizzato in uno dei due modi. Può essere usato per guidare la corrente di carica intorno alla cella in modo che le batterie con lo stato di carica inferiore possano ricaricarsi a una velocità maggiore e rimanere cariche senza rischiare una carica eccessiva e danni alle celle con uno stato di carica elevato. In alternativa il resistore può essere usato per disperdere la carica in eccesso dalle batterie con stati di carica maggiori, uniformandole a quelle con uno stato di carica inferiore.
Il problema principale nel progettare l'hardware è determinare la corrente di bilanciamento adeguata che viene impostata mediante il valore del resistore di bypass utilizzato. La corrente di bilanciamento necessaria dipende in gran parte dalla capacità della cella, dalla quantità di tempo consentita per il bilanciamento, dal livello di sbilanciamento previsto e dal modo di utilizzo del resistore. Se utilizzato per bypassare la corrente del caricatore, viene impostato per derivare diversi ampere. Per poter disperdere la carica in eccesso, i resistori vengono dimensionati in modo da rispettare il tempo di bilanciamento desiderato. Il bilanciamento passivo può solo correggere lo squilibrio dello stato di carica derivante dal caricamento del pacco, dovuto al circuito di monitoraggio delle batterie, e dalla scarica stessa delle celle e da effetti di resistenza interna. Queste fonti, tenute sotto costante controllo, devono solo creare piccoli sbilanciamenti su base giornaliera. Il Bms usato in questi test di laboratorio ha un resistore di bilanciamento di 33 ohm che imposta la corrente di bilanciamento a circa 100 mA, una corrente elevata per batterie piccole, ma che consente di effettuare operazioni di bilanciamento in poco tempo.
La strategia di controllo
Il programma di controllo per l'hardware del Bms è stato scritto sia per monitorare lo stato delle batterie che per gestirne lo sbilanciamento. La funzione di bilanciamento passivo del sistema può essere attivata e disattivata per definire l'impatto del bilanciamento sul pacco batterie. Sono stati condotti alcuni test di laboratorio su due pacchi batterie identici prodotti da Turnigy, con numerosi cicli di carica/scarica. Ai fini del confronto, è stato monitorato un solo pacco batterie per garantire che la tensione di ogni singola cella rimanesse entro il normale intervallo d'esercizio. Il secondo pacco batterie monitorato è stato sottoposto a bilanciamento passivo periodico. I due pacchi usati per l'esperimento erano formati da sei batterie ai polimeri di litio in serie con una capacità totale di 2,2 AHr. Le singole celle hanno una tensione max ai morsetti di 4,2 V e una tensione minima ai morsetti di 3V. Per simulare un utilizzo in tempo reale e accelerare l'invecchiamento, i due pacchi batterie sono stati continuamente caricati e scaricati sotto il controllo del Bms. Il ciclo di scarica aveva un valore fisso di 2C-3C, da 4,4 a 6,6 A, mentre la carica avveniva a una corrente costante di 1C-2C, da 2,2 a 4,4 A. Il sistema di monitoraggio di base è stato creato per individuare eventuali stati di sovratensione o sottotensione delle singole celle o guasti dovuti alla sovracorrente. Nella fase di scarica la cella dello stack che raggiungeva il limite di sottotensione di 3,005 V ha concluso il ciclo di scarica. Nella fase di carica, quando una cella del pacco raggiungeva la sovratensione di 4,19 V, la carica terminava. Ogni pacco batterie è stato caricato e scaricato ripetutamente per 100 cicli per accelerarne l'invecchiamento. L'obiettivo del bilanciamento passivo consiste nel regolare il SOC di tutte le celle del pacco in modo da poter estrarre la quantità massima di energia. I dispositivi di bilanciamento passivo non creano né contribuiscono alla carica del pacco, il che significa che le celle con la capacità più bassa determinano la vita utile del pacco. Per massimizzare la capacità del pacco, il dispositivo di bilanciamento deve garantire che le batterie con la capacità e il SOC più bassi possano essere interamente caricate e scaricate. L'energia totale accumulata viene usata solo se la batteria può essere interamente caricata e interamente scaricata, per cui la cella più debole deve essere quella che termina per prima la fase di carica e di scarica. Il problema principale di uno schema di bilanciamento passivo è la capacità di identificare le celle con la capacità maggiore. Il SOC di una batteria si riflette nella sua tensione a circuito aperto e indica la percentuale di energia residua. Se due celle hanno lo stesso SOC non significa che accumulano la stessa quantità di energia; la cella con una capacità maggiore avrà sempre più energia accumulata in un determinato SOC rispetto a una cella con una capacità inferiore.
L'algoritmo di controllo del software di bilanciamento è progettato per coordinare il bilanciamento con il caricatore e viene attivato all'inizio del ciclo di carica. Il bilanciamento passivo può solo togliere energia dal pacco batterie, pertanto non ha senso eseguirlo durante la fase di scarica del pacco. Questo evita anche che una cella con una capacità minore venga bilanciata in base al SOC di una cella con una capacità maggiore, provocando una diminuzione della capacità disponibile durante la scarica. Una volta avviato il ciclo di carica, le tensioni di cella vengono accumulate prima della connessione del caricatore; il dispositivo di bilanciamento individua la cella con la tensione minore (denominata Clow) all'inizio del ciclo di carica. Quando la carica è completa, quando cioè una delle celle raggiunge il limite di tensione massima previsto, le tensioni di cella vengono di nuovo accumulate. In entrambi i casi le tensioni di cella vengono misurate senza corrente di carico e dopo un breve periodo di adattamento. Il bilanciamento va eseguito se la tensione misurata di Clow non è la tensione massima al termine del ciclo di carica. La tensione di Clow dopo il ciclo di carica è impostata su Vbalance. I resistori di dispersione vanno attivati per le celle del pacco la cui tensione misurata è maggiore di Vbalance. Gli switch di bilanciamento devono rimanere attivi finché tutte le tensioni delle singole celle sono pari alla tensione Vbalance. A bilanciamento eseguito, le batterie continuano a caricare le celle fino alla carica completa. Sono stati effettuati due test per verificare l'effetto del bilanciamento passivo: questi i risultati.
Risultati del test:
pacco batterie 1
Il pacco batterie 1 è stato sottoposto a 100 cicli di carica/scarica. Le tensioni di cella misurate al termine di un ciclo di carica completo dopo un breve periodo di riposo. Lo sbilanciamento tra le tensioni di cella dopo la carica è associato a piccole variazioni della capacità e della resistenza interna. Al primo ciclo completo la capacità del pacco batterie era di 2,072AHr e dopo 100 cicli era di 2,043AHr, una piccola riduzione mano a mano che il numero dei cicli aumentava. C'è anche una tendenza per cui la tensione finale delle celle dopo la carica diminuisce con l'aumentare del numero di cicli di carica/scarica, fatto che si nota soprattutto dopo 100 cicli. Molto probabilmente questo è dovuto a un piccolo aumento della resistenza interna delle batterie a seguito del loro invecchiamento. L'aumento della resistenza interna fa sì che la batteria arrivi prima alla fine del limite di carica. Sebbene non fosse stato eseguito il bilanciamento durante il funzionamento, questo particolare pacco batterie ha mantenuto lo stesso livello di sbilanciamento per i 100 cicli. E' raro trovare un pacco di celle che si adattano naturalmente tra loro come in questo.
Risultati del test:
pacco batterie 2
Il secondo pacco batterie è stato valutato applicando l'algoritmo di bilanciamento passivo. Prima del bilanciamento il pacco è stato caricato/scaricato per 10 volte. A differenza del pacco 1, i SOC delle batterie non coincidevano molto con i dati del costruttore. È molto più probabile incontrare questo tipo di divario. Il pacco 2 necessitava del bilanciamento prima di poter esprimere tutta la sua capacità potenziale, aspetto molto tipico. Esiste un notevole sbilanciamento, maggiore di 100mV, tra la cella 5 e le altre celle che influisce molto sulla capacità della batteria. Dopo un ciclo completo il pacco aveva una capacità misurata di 1,765 AHr. Dopo 10 cicli lo sbilanciamento era lo stesso per cui è stato attivato l'algoritmo di bilanciamento. I dispositivi di bilanciamento hanno scaricato tutte le celle in modo da adeguarle alla cella 5 e, dopo un ciclo di carica completo, è stato registrato un SOC di 2,043 AHr, con un aumento del 16% rispetto al SOC originale. L'algoritmo è rimasto attivo, ma ha eseguito poche correzioni nei 50 cicli successivi; dopo 50 cicli la capacità misurata era di 2,044 AHr.
Nonostante l'elevato numero di cicli di bilanciamento, il pacco continua a non sfruttare tutta la potenziale energia utilizzabile. Il limite principale è che l'algoritmo di bilanciamento non tiene conto della resistenza interna della batteria. La cella 1 ha una resistenza interna più elevata e ha terminato la carica molto prima della cella 5, impedendo a questa di caricarsi completamente. Dopo 50 cicli l'algoritmo è stato modificato per cercare di migliorare la capacità del pacco. L'algoritmo è stato modificato per lasciare i resistori di scarica connessi nelle celle, mentre il caricatore è stato attivato quando la tensione di una delle celle era maggiore di Clow. Questo cambiamento nella strategia di bilanciamento ha prodotto un aumento della capacità disponibile (2,051AHr) e un tempo di bilanciamento migliore. Il pacco batterie si è caricato e scaricato altre 50 volte, per un totale di 100 cicli, trascorsi i quali è stata misurata una capacità di 2,054AHr. La capacità del pacco batterie 2 è rimasta uguale per tutto il test ed è aumentata quando è stata migliorata la strategia di bilanciamento. Tale miglioramento è stato possibile anche se all'inizio una cella mostrava un netto divario rispetto alle altre.
Conclusioni
Se i pacchi batterie sono fisicamente piccoli e hanno un numero limitato di celle, una fase di condizionamento iniziale consente alle batterie di rimanere bilanciate per tutta la loro vita utile. In genere nei pacchi batterie piccoli il carico e le condizioni di temperatura sono ben bilanciati. I test hanno evidenziato uno sbilanciamento minimo dopo un numero elevato di cicli di carica/scarica; il pacco batterie 1 ha perso l'1,4% della sua capacità. Il secondo pacco batterie ha dimostrato di aver bisogno di un bilanciamento fin dall'inizio; senza l'hardware di bilanciamento l'efficienza del pacco batterie dipende completamente dal costruttore e non è possibile correggere gli errori. Con il sistema di bilanciamento il pacco batterie 2 è riuscito a mantenere la sua capacità per tutto il test, mentre quella del pacco 1 è gradualmente diminuita. Nel complesso il sistema di bilanciamento contribuisce a estendere la capacità del pacco batterie per tutta la loro durata. Per migliorare l'algoritmo di bilanciamento si potrebbero utilizzare i dati caratteristici della batteria e applicare una modellizzazione specifica delle celle. In questo modo il dispositivo di controllo può determinare con maggiore precisione il livello di energia delle singole celle del pacco e ridurre il tempo di bilanciamento, anche quando utilizza la stessa corrente di bilanciamento.
