Gestire la batteria nei veicoli a motore

I veicoli a motore odierni presentano un impianto elettrico alimentato da una batteria a 12 V e dotato di un sistema di gestione dell'alimentazione. Tuttavia, vi sono due requisiti che potrebbero portare gli attuali sistemi di alimentazione a 12 V al limite della loro capacità: gli obiettivi UE per auto e furgoni previsti per l'anno 2020 fissano una soglia di 95g/km per le emissioni di CO2. Questa norma può essere rispettata solo attraverso l'introduzione di una maggiore trazione elettrica nei sistemi di trasmissione in almeno una parte dei veicoli; le richieste dei consumatori stanno favorendo un'adozione sempre più ampia di alcune caratteristiche interessanti, come i sistemi di sicurezza avanzati e i sistemi per il controllo del clima, della navigazione, l'intrattenimento a bordo e i sedili riscaldati. Entrambi i requisiti stanno portando il carico sull'impianto elettrico oltre la soglia dei 3 kW, che è approssimativamente il limite di capacità degli attuali impianti a 12 V. Ciò si traduce in guasti precoci e in una vita operativa ridotta delle batterie, causando insoddisfazione tra i guidatori. Allo scopo di affrontare questo problema, recentemente sono state proposte due soluzioni radicali per i sistemi di alimentazione degli autoveicoli. In primo luogo, alcuni produttori di veicoli sono orientati a introdurre un bus di alimentazione a 48 V. Questa rete, basata su un voltaggio superiore, consente di sostenere carichi più elevati (fino a 10 kW) con cavi di diametro uguale o addirittura inferiore a quelli attuali. In secondo luogo, le classiche batterie al piombo saranno sostituite da batterie al litio di maggiore durata (preferibilmente di tipo LiFePO4 o LiTi2O3), capaci di sostenere più cicli di carica e scarica. Ciò consentirà l'introduzione di nuove applicazioni nelle automobili, in aggiunta a quelle già presenti che influiscono notevolmente sul bus di alimentazione a 12 V. Queste potrebbero includere: sovralimentazione elettrica per assistere il motore a combustione interna; soluzioni a ibridazione leggera che operano a un voltaggio relativamente basso e in tutta sicurezza per l'utente e prevedono il recupero dell'energia in frenata; motori a combustione senza cinghia. Questo nuovo sistema, tuttavia, richiede cambiamenti radicali nella topologia dell'impianto elettrico dei veicoli. Il nuovo sistema a 48 V opererà accanto all'impianto convenzionale a 12 V; il bus a 48 V alimenterà solo quelle funzioni che richiedono un'elevata potenza in ingresso e in uscita - le funzioni restanti continueranno a essere supportate dal bus a 12 V. Un convertitore Dc-Dc consentirà di ripartire la corrente proveniente dalla batteria tra i due livelli di tensione. Il nuovo impianto a 48 V potrebbe anche richiedere la modifica dei sistemi di comunicazione già ampiamente adottati come il bus Can. Non bisogna inoltre dimenticare che le nuove batterie al litio, che forniscono una capacità sufficiente a sostenere i maggiori consumi di energia, richiedono un sistema di gestione della batteria e un sistema diagnostico molto più sofisticati di quelli necessari per una batteria al piombo.

Gestire la batteria per un funzionamento sicuro
La sfida per i progettisti di sistemi elettronici in ambito automotive è l'implementazione di un sistema di gestione della batteria capace di garantire un funzionamento sicuro, una lunga durata della batteria e la separazione dei domini di bassa e alta tensione senza richiedere circuiti complessi e con un elevato numero di componenti. Dal momento che i sistemi di alimentazione per autoveicoli a 48 V stanno ancora muovendo i loro primi passi, non vi è ancora nessuna architettura collaudata e nessun approccio standard in grado di raggiungere questi obiettivi. Il circuito illustrato in Fig. 1 offre un approccio altamente integrato per risolvere i problemi sopra menzionati: è semplice da implementare, ma allo stesso tempo permette una misurazione molto accurata della tensione e della corrente delle celle. Supporta anche un bilanciamento preciso dei livelli di carica tra le diverse celle, massimizzando la capacità di accumulo di energia e mantenendo al minimo il numero di cicli di carica e scarica necessari per i differenti livelli di consumo di energia. Il sistema implementa le quattro funzioni principali di un BMS a 48 V; misura della tensione del gruppo batterie e della tensione e corrente delle singole celle; bilanciamento delle celle; separazione tra 12 e 48 V; disconnessione a sicurezza intrinseca del voltaggio a 48 V. La prima funzione è un requisito standard di un sistema BMS. Oggi le vetture con impianto a 12V dotate di funzione automatica start / stop richiedono che lo stato di carica della batteria sia mantenuto a un livello non inferiore al 50%. Ciò assicura in qualsiasi momento una capacità sufficiente per azionare il meccanismo di avviamento del motore. Raggiungere quest'obiettivo, tuttavia, è sorprendentemente difficile. Una batteria al litio - soprattutto del tipo LiFePO4 - ha una curva di scarica di tensione molto piatta (Fig. 2). In altre parole, la tensione in uscita diminuisce gradualmente in funzione della scarica, e scende a maggiore velocità (facilitandone la misurazione) solo quando lo SdC è vicino allo 0%. Di conseguenza, la sola misurazione della tensione non è un metodo efficace per determinare lo SdC. In realtà, il modo migliore per monitorare lo SdC di una batteria al litio è la misurazione della tensione a circuito aperto per stabilire un punto di inizio della misurazione, e poi effettuare il conteggio di carica, misurando la corrente totale in uscita dalla batteria. Ciò richiede una precisione molto elevata sul percorso della tensione e un percorso per la misurazione della corrente privo di offset: nel circuito, l'interfaccia per il sensore di batteria AS8510 di ams offre entrambi gli elementi. Per la misurazione della tensione del gruppo batterie, l'AS8510 integra le funzioni di condizionamento del segnale e due convertitori analogico-digitale a 16 bit, ed è usato in combinazione con attenuatori AS880x ad alta precisione. La precisione di questo circuito è superiore a quella delle tradizionali implementazioni discrete, raggiungendo un livello di precisione dello 0,2%. La stessa interfaccia per sensori implementa anche il conteggio Coulomb, per mezzo dell'accoppiamento con un resistore shunt in manganina da 100μΩ prodotto da Isabellenhuette. Le specifiche dell'AS8510 sono abbinate a questo shunt in particolare Ciò consente ai progettisti di ottenere una precisione a livello di sistema superiore allo 0,5% nell'intero intervallo di temperatura delle applicazioni automotive, con uno sfasamento pari a zero su tutto il range di misurazione.

Durata della batteria prolungata
Allo stesso modo dei gruppi di batterie al litio, le batterie al piombo sono composte da una serie di celle singole. In ogni batteria hanno luogo variazioni casuali tra una cella e l'altra, il che significa che alcune celle diventano completamente cariche prima delle altre. L'obiettivo della gestione della batteria è assicurare che tutte le celle mantengano uno stato di carica uguale. Quanto più un BMS si avvicina al raggiungimento di questo obiettivo, maggiori saranno la capacità e la vita operativa della batteria. In una batteria al piombo, le celle sono normalmente tolleranti verso i sovraccarichi. Questa caratteristica può essere usata come una tecnica per il bilanciamento delle celle, lasciando che le celle già completamente cariche dissipino il surplus di energia come calore, mentre le celle restanti continuano a caricarsi. Le batterie al litio, tuttavia, sono estremamente sensibili ai sovraccarichi, pertanto questa tecnica non può essere utilizzata per il bilanciamento delle celle al litio. Al contrario, la carica deve continuamente essere redistribuita tra le celle durante l'intero ciclo di carica / scarica. Questa funzione è normalemente implementata nei dispositivi consumer che integrano le celle al litio, ma l'operazione diventa più complicata nei veicoli a causa dei severi requisiti di compatibilità elettromagnetica. Il nuovo chip AS8506 di ams utilizza comparatori interni sincronizzati e privi di offset per decidere quali celle specifiche bilanciare. A differenza degli schemi tradizionali per il bilanciamento delle celle, questo sistema è in grado di funzionare senza un microcontrollore. Questo comporta due notevoli vantaggi: è più facile da implementare, in quanto elimina la necessità di sviluppare un software applicativo per un microcontrollore. Inoltre, elimina la necessità di un percorso del segnale ad alta velocità di trasmissione dati verso il microcontrollore, che di norma causa problemi negli ambienti sensibili alla compatibilità elettromagnetica; è più preciso, poiché i dati di monitoraggio delle celle non sono soggetti a perdite durante le conversioni analogico-digitale.

Mantenere la separazione tra le tensioni a 48 e 12 V
La separazione tra i differenti domini di voltaggio è ottenuta attraverso l'uso di divisori di tensione ad alta resistenza. In caso di guasto, un resistore in serie in combinazione con il diodo Zener da 3,9 V attenua la tensione in eccesso prima che possa danneggiare gli altri componenti o giungere fino al bus Can. Questo schema consente una separazione sicura tra i due domini di voltaggio, senza la necessità di implementare costosi componenti per l'isolamento come accoppiatori ottici o magnetici. Qualora il veicolo fosse coinvolto in un incidente, o la batteria raggiungesse il limite della sua gamma di esercizio, si consiglia di scollegare completamente il gruppo batterie dal circuito a 48 V. Questo dovrebbe essere fatto anche quando il veicolo non viene utilizzato per lungo tempo. Si può fare inserendo un relè ad alta potenza presso il terminale positivo della batteria. Infine, il System Basis Chip AS8601 fornisce energia a tutto il sistema BMS e integra un ricetrasmettitore Can.

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