L'ultima generazione di batterie agli ioni di litio (Li-Ion) offre prestazioni elevate a un costo appropriato per soddisfare i requisiti di pratico accumulo dell'energia per i veicoli elettrici. L'adozione rapida di questa tecnologia è alla base di attività di progettazione senza precedenti nel settore automotive, in quanto i produttori sono impegnati ad acquisire quote nei mercati dei veicoli elettrici e ibridi in continua evoluzione. Il monitoraggio delle prestazioni è la chiave del successo delle applicazioni Li-Ion: oltre a calcolare l'accumulo di energia come metrica operativa, questa funzione garantisce lunga durata delle batterie evitando situazioni che potrebbero danneggiare le celle. Le celle Li-Ion, in particolare, hanno una bassa tolleranza in termini di sovraccarica o sottocarica rispetto alle celle che utilizzano altre sostanze chimiche. Ciò significa che il monitoraggio continuo e il bilanciamento delle tensioni delle celle è necessario per il funzionamento corretto del sistema Bms (Battery Management System) di gestione delle batterie per i veicoli elettrici e ibridi. Le sfide principali a livello di progettazione sono rappresentate dai rischi di alta tensione e dalle funzionalità hot-plug del circuito di acquisizione dei dati Bms, dove può essere necessario misurare anche centinaia di potenziali delle celle collegate in serie.
Funzionalità principali del sistema Bms
Le celle Li-Ion offrono potenziali operativi pari a circa 4 V a piena carica e a circa 2 V se completamente scariche. I potenziali di carica e scarica variano in base al tipo di batteria e sono specificati dal produttore. Le celle ANR26650M1 a 2,3 Ah di A123, ad esempio, sono normalmente caricate a 3,6 V e sono considerate esaurite a 1,6 V. Gli array di celle utilizzate nelle applicazioni EV/HEV sono spesso configurate fino a 400 V, normalmente in elementi modulari di circa 100 V max ciascuno. I pacchi batteria sfruttano i potenziali delle celle e trasmettono i segnali alla sezione di acquisizione dei dati del sistema Bms. L'obiettivo è quello di misurare la tensione di ciascuna cella e altri parametri come la temperatura, con precisione e risoluzione elevate (12 bit standard). Il circuito di acquisizione dei dati utilizza le connessioni di rilevamento della batteria come alimentazione locale. Per motivi di sicurezza il traffico digitale al processore host deve essere isolato galvanicamente utilizzando una tecnica di trasmissione basata su sistemi ottici, magnetici o capacità. Un'altra funzione importante del sistema Bms per la tecnologia Li-Ion è il bilanciamento delle celle che consente di compensare eventuali lievi discrepanze ottimizzando la durata del pacco batteria. Nelle attuali progettazioni Bms, ciò avviene in modo passivo attivando la resistenza di carico sui potenziali massimi delle celle. Questo metodo passivo richiede la progettazione termica per eliminare il calore residuo associato al processo di bilanciamento. I futuri schemi di bilanciamento sono progettati con tecniche di conversione della potenza in modalità di commutazione attiva ad alta efficienza e con funzionamento a freddo. I sistemi di batterie per veicoli HEV e EV devono essere progettati per supportare lunghi periodi di inattività, prima dell'installazione e durante il trasporto e il deposito del veicolo. Per tale ragione è importante che l'alimentazione in stand-by del circuito dei moduli consumi molta meno energia rispetto alla autoscaricamento delle celle della batteria, con sensibile riduzione del rischio di sovraccarica. Ancora più importante, la corrente di stand-by lungo la stringa di batterie deve essere perfettamente omogenea per escludere la possibilità di sbilanciamento delle batterie durante il deposito.
Considerazioni architetturali per il sistema Bms
Per tracciare le dinamiche di carico dei veicoli elettrici e ibridi, incluse la modalità di funzionamento in scaricamento e ricarica, i componenti elettronici di monitoraggio della batteria verificano le tensioni delle celle alla velocità di 50 campionamenti al secondo o superiore. Ciò implica un'alta velocità di flusso dei dati grezzi dal pacco batteria, talvolta con un throughput di carico utile pari a 60 kbps per un pacco da 96 celle. Considerando l'alimentazione standard di un micropocessore e il sovraccarico necessario, è sensato distribuire i processi a livello del modulo e limitare il traffico nei collegamenti di dati isolati ai flag di errore, nonché alle informazioni di carica e ai controlli di alto livello "preassimilati". La disposizione delle celle della batteria deve essere oggetto di particolare attenzione in quanto le dimensioni e il peso hanno implicazioni pratiche sulla manutenzione e la distribuzione all'interno del veicolo. Le batterie organizzate in moduli aiutano a distribuire il peso, oltre ad offrire praticità e facilità di gestione. Le dimensioni dei moduli devono essere studiate appositamente per il mercato dei veicoli EV/HEV, considerando che più sono contenute, più aumenta il costo e la complessità di cablaggio. I pacchi batterie modulari possono includere un microprocessore per controllare il processo di acquisizione dei dati, nonché un'interfaccia di comunicazione affidabile.
I metodi di acquisizione dei dati
All'interno del modulo del pacco batteria il circuito deve misurare e controllare i potenziali delle celle. Dato che la tensione di ciascuna cella lungo la stringa di batterie ha una tensione di modo comune sempre più elevata, la soluzione sarebbe quella di utilizzare un amplificatore di differenza di modo comune di alta qualità. Questo amplificatore trasmette un segnale convertito, pronto per essere digitalizzato da un convertitore analogico/digitale. Le ampie tensioni di modo comune sugli ingressi dell'amplificatore sono un fattore limitante per la precisione. Per un amplificatore di differenza monolitico ad alte prestazioni come l'LT1991A, il rapporto di reiezione di modo comune Cmrr è 90 dB e prestazioni a 12 bit sono disponibili per circa 50 Volt di tensione di ingresso di modo comune, ovvero circa 12 potenziali delle celle Li-Ion. Ciò corrisponde anche alla capacità della tensione d'ingresso dell'LT1991A (60 V max), per cui una progettazione semplice consentirebbe di elaborare le letture di un raggruppamento di 12 potenziali delle celle. Tale circuito potrebbe essere adeguatamente isolato e quindi replicato per acquisire tutte le letture desiderate. Naturalmente altri requisiti Bms di bassa potenza in standby e bilanciamento delle celle richiedono l'implementazione di un numero elevato di elementi aggiuntivi. Un approccio più conveniente in termini di costi prevede l'utilizzo di una soluzione di monitoraggio integrata appositamente sviluppata per tale scopo. L'LTC6802 di Linear Technology è un dispositivo modulare che consente di costruire moduli batteria con un numero ridotto di componenti rispettando al contempo tutti i requisiti di prestazioni del sistema Bms descritti sopra. Questo componente di monitoraggio a più celle offre la digitalizzazione diretta precisa a 12 bit di fino a 12 potenziali delle batterie collegati in serie, controlli di bilanciamento delle celle e una coppia di ingressi Adc supplementari per le letture della temperatura e altre metriche. L'Adc dell'LTC6802 non utilizza reti di resistenze al contrario dello schema basato sull'amplificatore di differenza, garantisce un carico leggero e uniforme su ciascuna cella e presuppone automaticamente una condizione di stand-by a bassa potenza durante i periodi di inattività per ridurre la potenza. La connessione digitale Spi (Serial Peripheral Interface) a un microprocessore locale include strumenti di comando e comunicazione dei dati. Il circuito integrato dell'LTC6802 funge da dispositivo di I/O slave standard per il microprocesso µP, consentendo la codifica software di tutti gli algoritmi Bms e il relativo controllo esclusivo da parte dello sviluppatore. Una versione include una porta Spi collegata in cascata per il funzionamento di più raggruppamenti di celle impilati attraverso un'unica porta Spi dell'µP, riducendo ulteriormente il costo e la complessità di progettazione dei moduli.
Il circuito di bilanciamento delle celle
Il bilanciamento delle celle nelle progettazioni Bms correnti è eseguito in modo passivo attivando le resistenze di carico sulle celle con più carica rispetto ad altre all'interno del modulo o del pacco batteria. La corrente è equalizzata attraverso transistori esterni al circuito integrato di monitoraggio. Ciò garantisce la quantità di corrente necessaria ed evita il riscaldamento dello stampo che può avere effetti negativi sulla precisione. Gli switch di bilanciamento delle celle sono controllati con un comando al circuito integrato di monitoraggio da un microprocessore. Per ottenere la massima precisione, il circuito integrato di monitoraggio può aprire gli switch di bilanciamento delle celle durante le conversioni da analogico a digitale, riducendo così al minimo le dissipazioni di potenza IR nei collegamenti delle celle e garantendo al contempo misurazioni precise per ciascun potenziale della cella in fase di test. Durante i periodi di inattività, il circuito integrato di monitoraggio apre automaticamente tutti gli switch di bilanciamento e presuppone un consumo di potenza minimo per evitare che la batteria si scarichi inavvertitamente. Gli switch di bilanciamento delle celle possono essere utilizzati anche per attività di autotest aggiungendo una resistenza in serie con gli ingressi della batteria. Se lo switch è attivo, la lettura della cella mostra un cambiamento di tensione prevedibile, fornendo la convalida del funzionamento sia dello switch, sia della porta Adc. Questa funzionalità richiede tuttavia che lo switch di bilanciamento delle celle sia attivato durante le conversioni eseguite dall'Adc. L'LTC6802 è stato il primo dispositivo a includere questa funzionalità di test automatico e le misurazioni dell'Adc sono attivate in queste condizioni con un semplice comando di configurazione.
Implicazioni hot-plug
Il processo di collegamento di uno stack di batterie di grandi dimensioni a componenti elettronici è una sfida di progettazione importante. Normalmente i componenti elettronici di acquisizione dati vengono scollegati dall'alimentazione prima di collegare le batterie. La batteria all'interfaccia dei componenti elettronici, inoltre, richiede un elevato numero di contatti su più connettori singoli. Si verifica quindi una situazione di tipo hot-plug dove le connessioni possono essere casuali. Ciò può creare picchi di corrente inusuali durante l'eccitazione della capacità. Mentre i circuiti integrati normalmente includono strutture di protezione interne per evitare possibili danni durante la movimentazione e l'assemblaggio, queste strutture non sono progettate per supportare energie elevate associate a capacità esterne ed è quindi consigliabile prevedere protezioni aggiuntive. Per evitare differenze di tensione tra gli ingressi delle celle, è possibile aggiungere diodi Zener standard da 6,2 V/500 mW sui singoli ingressi. Questi diodi distribuiscono automaticamente tensioni sicure sugli ingressi mancanti mentre i contatti si accoppiano durante il processo di collegamento delle celle. Portano anche la corrente transitoria necessaria alle sezioni del filtro RC. La tensione nominale di 6,2 V del diodo Zener è sufficientemente elevata per ridurre la dispersione di corrente dalla batteria a due micro amp, ma sempre a un livello tale da proteggere il circuito integrato. Attivando il circuito, alcune sequenze di collegamenti possono sviluppare una tensione istantanea elevata sulle resistenze del filtro. Gran parte di questa tensione è applicata alla tensione gate-fonte del relativo Mosfet. Si consiglia quindi di utilizzare una resistenza gate in serie ad esempio 3,3 k, e la protezione dei blocchi per ciascun Mosfet. Questa protezione viene normalmente fornita con il transistore; in caso contrario è possibile utilizzare un diodo Zener discreto. In tal caso, la tensione gate del diodo Zener non deve superare la tensione VGS indicata per il Mosfet. La resistenza gate limita la corrente transitoria tra il diodo Zener gate e il pin di controllo dello switch del circuito integrato a un livello di sicurezza, garantendo al contempo una risposta di controllo gate rapida.
Progettazione di riferimento dettagliata
I moduli batteria con numero elevato di celle possono replicare questo circuito in base alle esigenze, con l'aggiunta di un microprocessore o di un ricetrasmettitore di dati isolato. I circuiti integrati aggiuntivi utilizzati nei moduli con elevato numero di celle consentono di gestire le connessioni Spi in cascata. L'esclusiva architettura di spostamento di livello dell'LTC6802 è configurabile per un segnale Spi di modo corrente convenzionale per comunicare direttamente con un microprocessore. Per la comunicazione tra i circuiti integrati, i dispositivi in cascata sono configurati in modo da funzionare con un segnale Spi in modalità corrente. L'LTC6802 può funzionare con solo quattro celle per supportare architetture con disposizioni di moduli diverse. Lo schema illustra inoltre l'uso delle porte dati per garantire massima affidabilità contro i picchi di corrente durante l'accensione e le scariche elettrostatiche durante la produzione o la manutenzione del veicolo. La porta Spi inferiore utilizza un soppressore di picchi standard orientato al bus che blocca le linee logiche agendo come i diodi Zener a bassa capacità. Le resistenze in serie illustrate proteggono il soppressore di picchi da brevi sovraccarichi, ma si aprono in modo sicuro in caso di guasto persistente dell'alimentazione. Sulla porta Spi superiore, invece, i sovraccarichi positivi sono bloccati da diodi Schottky in corrispondenza del collegamento alle celle più in alto, mentre i sovraccarichi negativi sono isolati tramite diodi da 600 V. Il sovraccarico negativo è previsto in fase di progettazione in quanto si tratta di una situazione relativamente probabile durante l'assemblaggio, la manutenzione e l'integrazione dei moduli nel veicolo, dove la disposizione in pila dei potenziali dei moduli può essere discontinua. Le resistenze in serie limitano quindi la corrente della porta e garantiscono protezione in caso di un guasto grave. L'LTC6802 offre altri importanti elementi per semplificare il circuito dei moduli, quali ad esempio un regolatore in serie integrato da 5 V, nonché ingressi Adc e ingressi e uscite digitali generici. I Gpio possono essere utilizzati come controlli multiplexer per estendere i due ingressi Adc a una capacità di otto canali. Per garantire il corretto funzionamento del circuito integrato, il timer WatchDog con ingresso open-drain indica un periodo di inattività delle comunicazioni.
