Molti nuovi prodotti incorporano batterie al litio a causa delle loro elevate prestazioni e leggerezza; e quando si realizzano molte delle applicazioni più complesse è necessario collegare una moltitudine di celle per ottenere la tensione di esercizio desiderata dalla batteria, spesso uguale a centinaia di volt. Poiché le celle al litio causano facilmente effetti dannosi se vengono sovraccaricate o si scaricano eccessivamente, le batterie ottenute collegandole in serie incorporano sistemi di monitoraggio del potenziale di ciascuna cella per prevenire questi problemi. Per sviluppare questi sistemi di monitoraggio multicella occorre un metodo comodo di “stimolazione” dei circuiti per verificare l’efficacia degli algoritmi di regolazione e protezione. Lo stimolo ideale sarebbe costituito dalle celle stesse, ma in tal caso variare lo stato di carica per avviare azioni funzionali diverse nel sistema di monitoraggio della batteria sarebbe un processo lento e scomodo. Spesso si utilizzano più alimentatori da laboratorio, ma questa è una soluzione molto costosa. Quindi per eseguire semplici test funzionali, spesso ci si limita a polarizzare serie di resistori per simulare le celle in modo elementare. Tuttavia le serie di resistori hanno limitazioni notevoli poiché presentano una resistenza piuttosto elevata al generatore, e quindi introducono nel sistema artefatti che non rappresentano le celle effettive. Ma anche impiegando alimentatori dedicati, se il sistema da analizzare richiede un bilanciamento attivo delle celle, gli alimentatori devono funzionare con correnti di carica virtuali (ossia, con inversione della corrente). In sostanza, è desiderabile un metodo che consenta di disporre di molteplici simulatori compatti di celle ai fini di facili misure in laboratorio della funzionalità di un sistema di monitoraggio della batteria. Un altro aspetto utile di un simulatore di batterie è che un tale dispositivo è facilmente trasportabile per via aerea per operazioni in luoghi lontani dal laboratorio, mentre una reale batteria a celle di litio in genere deve essere spedita via mare.
Scelta di un circuito pratico
La principale caratteristica necessaria è un’impedenza del generatore bassa e funzionamento a due quadranti (tensione positiva ma corrente bidirezionale, per poter simulare sia la direzione di carica che quella di scarica). Inoltre occorre isolare i vari simulatori di cella per poterli collegare in serie, come nella batteria effettiva; quest’ultimo requisito suggerisce l’uso di trasformatori e per ottenere un circuito compatto, un’architettura a commutazione. Una particolare topologia di commutazione - il convertitore flyback sincrono - offre sia l’isolamento che il funzionamento a due quadranti. In un semplice convertitore flyback impiegato come amplificatore di tensione, un interruttore “low-side” funziona a un duty cycle che determina la corrente di uscita su una sezione dell’uscita. In questo circuito ideale, il diodo di raddrizzamento conduce nell’intervallo in cui l’interruttore è aperto e consente alla corrente di uscita di circolare nell’induttore mentre l’energia magnetica viene trasferita al condensatore di uscita in una sola direzione. Durante la regolazione, l’interruttore è sottoposto a una tensione di picco di flyback dV superiore ai 12 V del generatore, dove nella maggior parte dei progetti dV è dell’ordine della tensione di alimentazione. Per isolare il convertitore, sostituiamo l’induttore con un trasformatore, affinché l’uscita compaia al secondario. Sebbene l’uscita sia stata così isolata, l’energia magnetica viene trasferita esattamente come nel caso dell’induttore. Il rapporto di spire N del trasformatore viene scelto in modo da ottimizzare il funzionamento con le specifiche tensioni di ingresso e uscita desiderate. Anche in questo caso, l’interruttore viene sottoposto a una tensione di picco di flyback dV superiore ai 12 V del generatore. Si noti che questo circuito non può impedire che la tensione di uscita sia portata oltre il valore prefissato da una corrente esterna (questo circuito consente solo un quadrante di funzionamento). Si crea allora una versione sincrona, in cui il raddrizzatore viene sostituito da un altro interruttore. Ciò comporta due vantaggi: si migliora l’efficienza, poiché l’interruttore dissipa meno potenza di un diodo in conduzione diretta, e si crea un secondo quadrante di funzionamento poiché ora il circuito è simmetrico. Questo circuito può accettare una corrente inversa nel secondario che induce nel primario una corrente di flyback verso l’alimentatore, per cui l’uscita rimane al valore prefissato anche in presenza di una corrente di uscita invertita. Bisogna tenere presente la possibilità che il generatore del circuito potrebbe a sua volta essere percorso da una corrente inversa se la cella simulata è ‘caricata’ in misura notevole (corrente circolante verso la tensione di uscita positiva). Poiché le uscite sono tutte isolate, la potenza del generatore può essere condivisa fra un numero qualsiasi di circuiti, per cui un singolo alimentatore di potenza adeguata può erogare comodamente la corrente necessaria all’intero array. Una tale connessione dell’array unifica inoltre le perdite del circuito parassita e quindi è improbabile che il generatore sia percorso da una corrente inversa durante l’uso normale (ossia, fintantoché la potenza di ‘carica’ netta è minore delle perdite di funzionamento complessive).
Il circuito ideale
Un circuito integrato particolarmente adatto per un tale convertitore è l'LT3837 di Linear Technology. In genere questo circuito viene impiegato per applicare tensioni basse, da batteria, a numerosi amplificatori da molte linee di alimentazione principale a tensione più alta. L’unica differenza per la funzione simulatore di cella è che sarebbe auspicabile una tensione di uscita regolabile. Poiché gli alimentatori di alta potenza pronti all’uso sono disponibili a 12 V, si può ottimizzare il progetto per utilizzarli come generatore. Dato che la gamma di composizioni chimiche delle celle al litio va da poco meno di 2 V a poco più di 4V, è possibile stabilire un corrispondente intervallo di regolazione che offre un utilizzo versatile e la possibilità di simulare un’ampia gamma di stati di carica. Per consentire la regolazione, la rete di retroazione può funzionare con il segnale di regolazione di un amplificatore operazionale tale che zero volt e 3 V corrispondano, rispettivamente, a un’uscita pari a circa 4,2 e 1,9 V. Per consentire una regolazione adeguata, si configura il circuito di ciascuna cella dotandolo di una manopola micrometrica e poi un set di array viene regolato in gruppo con un circuito di regolazione approssimata e uno di regolazione di precisione (il segnale di regolazione principale, MCTL può essere collegato a numerose sezioni del convertitore). Per i valori illustrati, la tensione di uscita per la regolazione approssimata di gruppo è pari a circa ±0,9 V, la tensione per la regolazione di precisione di gruppo è pari a circa ±0,15 V e le manopole micrometriche delle celle consentono circa ±0,1 V, per cui nel complesso si ottiene l’intervallo desiderato massimo (la regolazione con manopola micrometrica è resa disponibile a scapito della possibilità di eseguire un’inter-regolazione delle celle ai limiti massimi). Tutti i circuiti di regolazione sono alimentati dalla tensione di 3,3 V ricavata dalla tensione di 12 V dell’alimentatore di alta potenza. Per la regolazione di tensione computerizzata, i segnali dell’amplificatore operazione possono essere sostituiti con convertitori A/D come l’LTC2668 a 16 canali. Q101 e T100 sono gli elementi principali di flyback, mentre Q102 è il raddrizzatore sincrono. Per ottenere la regolazione veloce e isolata di Q102, il gate è comandato da T101 attraverso i buffer di corrente Q103 e Q104. Il segnale di retroazione viene prelevato da un avvolgimento ausiliario di T100. All’uscita è incluso un resistore in serie da 10mΩ in modo da rendere possibili misure del segnale di rilevazione della corrente eseguendo connessioni a quattro morsetti con un voltmetro (utilizzando i segnali I+ e I-). L’impedenza di uscita totale del circuito è uguale a circa 25 mΩ e assicura un’ottima escursione di ±6 A. Le perdite statiche sono pari a circa 1 watt per cella, per cui con un array di 24 celle, la probabilità di un’inversione nell’alimentatore a 12 V è minima e il livello di potenza è regolabile adeguatamente per l’uso con un alimentatore da 12 V/300 W immediatamente disponibile, come il SWS300-12 di TDK-Lambda.
