Le batterie agli ioni di litio (Li-Ion) promettono radicali miglioramenti nelle prestazioni dei veicoli elettrici e ibridi; per concretizzare tali promesse occorre tuttavia una nuova generazione di dispositivi a semiconduttore. Questi dispositivi devono monitorare e gestire correttamente le celle agli ioni di litio per ottenere le prestazioni promesse dalle batterie. Altrimenti, un veicolo che dovesse percorrere 200 chilometri con una singola carica della batteria dovrebbe fermarsi per la ricarica dopo 180 chilometri. Ugualmente importante è il fatto che i nuovi dispositivi di monitoraggio a semiconduttore devono individuare in modo affidabile eventuali guasti alla batteria. Questo significa monitorare ciascuna cella agli ioni di litio, oltre a controllare il sistema di monitoraggio stesso. Queste considerazioni sono diventate comuni nell'industria automobilistica, dal momento che l'elettronica vi gioca un ruolo crescente. Tuttavia, le batterie agli ioni di litio introducono problematiche del tutto nuove per la sicurezza, oltre ad un sistema ad alta corrente che contiene un grande numero di singole celle. Il sistema deve usare più unità di monitoraggio a semiconduttore per misurare continuamente lo stato di ciascuna cella. Per gestire questo compito, tutti i dispositivi di monitoraggio devono comunicare fra di loro con assoluta affidabilità - un compito gravoso in un ambiente come quello automobilistico, che è caratterizzato da alti livelli di interferenze elettromagnetiche. Tenendo conto di questi requisiti, i quattro criteri più importanti per un buon sistema di monitoraggio sono:
• Accuratezza - Il sistema di monitoraggio deve determinare lo stato di carica di ciascuna cella agli ioni di litio con un'accuratezza sufficiente per ottenere le prestazioni migliori dalla matrice di batterie. Qual è l'accuratezza? La risposta dipende dal tipo di cella usata.
• Diagnosi completa - Oltre a monitorare lo stato di ciascuna cella, il sistema deve operare costantemente dei controlli sulla propria funzionalità per assicurare che ciascuna parte sia operativa con l'accuratezza attesa.
• Comunicazione robusta - Tutte le parti del sistema di monitoraggio devono coordinare il loro funzionamento, quindi devono comunicare in modo affidabile, un requisito che esclude gran parte dei metodi di comunicazione convenzionali in un ambiente rumoroso.
• Sicurezza - Gestendo in modo opportuno le celle agli ioni di litio, il sistema evita i guasti e i problemi per la sicurezza. Quando si verifica un guasto, il sistema deve intraprendere un'azione opportuna, pur evitando i falsi allarmi.
Anche se i produttori di semiconduttori fabbricano dispositivi per la gestione delle batterie agli ioni di litio da molti anni, solo di recente sono stati sviluppati dispositivi che soddisfano i requisiti specifici dei grandi sistemi di batterie per automobili.
Come evitare di disintegrare
i dispositivi di monitoraggio
La disposizione di base di un sistema di batterie agli ioni di litio per un veicolo ibrido consiste in otto pacchi di 12 celle ciascuno per un totale di 96 celle agli ioni di litio. Le celle in un pacco sono connesse in serie, e ciascuna cella nel pacco si connette anche a un dispositivo di monitoraggio. Sebbene possa essere usato un microcontrollore per la gestione del sistema complessivo, questi pacchi di batterie connessi in serie possono avere tensioni superiori ai 50 V - troppo alte perché un microcontrollore le possa gestire direttamente. Inoltre, il sistema di batterie può generare tensioni transitorie con valori diverse volte superiori rispetto a quelli della tensione nominale del pacco di batterie. I circuiti di monitoraggio delle celle devono sopravvivere a questi eventi di sovratensioni e talvolta devono operare in condizioni piuttosto gravose. Le condizioni ostili iniziano dal momento in cui la batteria è innanzitutto connessa. Dal momento che considerazioni di costo impediscono in genere la fornitura di una sequenza di connessione in fase di progetto del connettore, la prima cosa che i dispositivi di monitoraggio vedono è un evento casuale di interconnessione. Mentre i dispositivi di monitoraggio possono sopportare facilmente le tensioni in gioco in questo evento, per le correnti vale un discorso a parte. Le correnti della batteria, che caricano qualsiasi condensatore esterno in un sistema non protetto, possono raggiungere diversi ampere. Queste correnti fluiscono inevitabilmente attraverso qualche parte dell'elettronica, generalmente i circuiti di protezione dalle scariche elettrostatiche all'interno degli IC connessi. Il risultato può essere una spettacolare disintegrazione dell'IC. In gran parte delle circostanze, l'unico modo pratico per limitare queste correnti è quello di posizionare delle resistenze in serie con i terminali della batteria.
Purtroppo, l'uso di queste resistenze ha limitato tradizionalmente l'accuratezza dei dispositivi di monitoraggio, perché la fuga di corrente attraverso le resistenze crea incertezza nelle misure di tensione del dispositivo di monitoraggio. Per assicurare un'accuratezza elevata nella misura, le correnti di fuga devono essere mantenute a valori bassi e prevedibili - un compito difficile con i tipi convenzionali di circuiti di ingresso a transistor bipolari. L'ultima generazione di dispositivi di monitoraggio usa una nuova architettura a trasferimento di carica, la quale rende la corrente di fuga più prevedibile e di conseguenza migliora considerevolmente l'accuratezza nella misura.
Quanto è accurato?
Durante il funzionamento, i dispositivi di monitoraggio misurano la tensione di ciascuna cella 100 volte al secondo. In base a queste misure, il sistema di carica del veicolo può determinare in che punto ciascuna cella si trova all'interno del proprio ciclo di scarica (partendo dal livello di tensione più alto e decrescendo con una curva caratteristica). Queste informazioni, assieme alle misure di temperatura e di corrente, consentono di calcolare la carica residua delle batterie e quindi l'autonomia del veicolo.
Il ciclo di scarica di una cella dipende dalla sua chimica. Negli ultimi anni, le chimiche delle celle agli ioni di litio hanno subito miglioramenti che forniscono alle celle attuali un'impedenza interna inferiore e caratteristiche migliori nel corso della loro vita utile. Questi miglioramenti nella chimica hanno anche appiattito le curve di scarica. Di conseguenza, la nuova generazione di dispositivi di monitoraggio deve avere una maggior precisione nel misurare le piccole variazioni nella pendenza della curva di scarica. Siccome quest'ultimo parametro riflette la carica residua di una cella, l'accuratezza della misura ha un impatto diretto sull'accuratezza dei calcoli dell'autonomia. Ad esempio, una cella ai fosfati di ferro e litio nel mezzo della sua curva di scarica potrebbe avere una pendenza di tensione di appena 1 mV per punto percentuale della carica complessiva. Per calcolare la carica totale con un'accuratezza del 2 per cento, il sistema di carica richiede un'accuratezza di misura di +/-2 mV. Gli sbilanciamenti nella cella complicano ulteriormente la situazione. All'invecchiare delle celle, la loro capacità diminuisce, e alcune celle potrebbero mostrare una diminuzione maggiore di altre. Nello specifico, leggeri cortocircuiti (cortocircuiti a resistenza molto alta) possono provocare l'autoscarica all'interno di una cella, riducendone la carica nel tempo. Se usata in un pacco a singola cella, una simile cella sarebbe solo ricaricata e non mostrerebbe alcuna perdita di capacità. In un pacco multi-cella tuttavia, lo sbilanciamento porta a una carica incompleta. Se una cella nel pacco è al 30% della carica, mentre le altre celle sono al 3%, la carica di queste ultime al 100% lascia una cella insufficientemente caricata. Nel tempo e con cariche ripetute, questa disparità cresce fino a quando la capacità di energia totale delle batterie è ridotta in modo significativo. La cella più debole nel pacco determina l'energia complessiva disponibile. Per ottenere la massima capacità delle batterie (e l'autonomia promessa per il veicolo), è necessario il bilanciamento delle celle per mantenere la batteria in uno stato in cui tutte le celle abbiano la stessa carica. Il bilanciamento richiede che i dispositivi di monitoraggio inviino le proprie misure effettuate sulle celle a un microcontrollore, il quale esegue un algoritmo di bilanciamento per determinare la strategia ottimale di bilanciamento. Prima di caricare le batterie, il microcontrollore invia ai dispositivi di monitoraggio un comando di attivazione dei circuiti che prelevano la carica dalle celle più caricate. Tutte le celle possono quindi essere caricate al 100%.
Diagnostica, comunicazioni, sicurezza
La struttura delle attuali celle agli ioni di litio le rende molto più sicure rispetto a quanto erano una volta, ma è ancora essenziale gestirle in modo opportuno e individuare qualsiasi guasto nel sistema di batterie. I dispositivi di monitoraggio deve controllare costantemente fattori quali la sovratensione e la sottotensione della cella e la sovratemperatura. Inoltre, i dispositivi devono monitorare gli aspetti di integrità del sistema, come i livelli adeguati di alimentazione ed eventuali interruzioni dei conduttori di monitoraggio tensione e temperatura. L'individuazione dei guasti genera una risposta da parte dei dispositivi di monitoraggio e impone la segnalazione del guasto. In via opzionale, è possibile impostare i dispositivi di monitoraggio per arrestare il sistema automaticamente e istantaneamente se si verificano alcuni tipi di guasti, senza l'intervento del microcontrollore. È possibile programmare la risposta specifica a vari tipi di guasto, di modo che i produttori di veicoli possano operare le scelte più appropriate per i mercati in ogni parte del mondo. Dato che, in caso di rilevazione di guasti, i dispositivi di monitoraggio devono comunicare fra loro (per arrestare l'intero sistema, se necessario) e anche con un microcontrollore; la comunicazione è una funzione critica. Le interfacce Can o Spi standard consentono le comunicazioni affidabili con il microcontrollore, ma l'uso di una simile interfaccia fra tutti i dispositivi di monitoraggio aggiunge costi inutili. Un'interfaccia Can più un sezionatore costano un paio di dollari per ciascun dispositivo di monitoraggio, mentre un'interfaccia specializzata può svolgere il suo compito per una piccola frazione di quella somma. La soluzione migliore è un'interfaccia di comunicazione a due fili di tipo daisy chain, che sia completamente differenziale e configurata per evitare la suscettibilità ai transitori per alcune delle interfacce più tradizionali. Che cosa accade tuttavia, se i dispositivi di monitoraggio stessi sviluppano un guasto? La specifica Iso26262 punta a coprire questo requisito attraverso un'analisi statistica di guasti a punto singolo e multi punto per ridurre l'incidenza dei guasti residui (guasti che rimangono non rilevati) a un livello accettabile. Per l'elettronica delle batterie, la specifica richiede una capacità di individuare e di riportare qualsiasi guasto che comprometta la funzione dell'elettronica nel mantenimento di uno stato sicuro. Per esempio, i dispositivi di monitoraggio devono assicurare che le misure della tensione della cella rimangano accurate all'interno di limiti predefiniti e devono individuare cortocircuiti nei componenti che potrebbero causare danni attraverso una dissipazione di calore eccessiva. I dispositivi di monitoraggio devono quindi diagnosticare i propri guasti e intraprendere le azioni opportune se si verifica un guasto. Il componente ISL78600 di Intersil è il primo di una nuova generazione di prodotti di monitoraggio e di bilanciamento delle celle agli ioni di litio che soddisfano i requisiti dei veicoli elettrici e ibridi di oggi. Con un convertitore analogico-digitale a 14 bit e con un progetto dell'ingresso allo stato dell'arte, il dispositivo fornisce l'accuratezza necessaria per spremere le massime prestazioni possibili dalle nuove chimiche agli ioni di litio. Le funzioni di monitoraggio di sistema e di diagnostica integrate nel dispositivo evidenziano un funzionamento sicuro e affidabile, filtrando gli ingressi con segnali di rilevamento guasti. Queste funzionalità legate alla sicurezza consentono al componente ISL78600 di ottenere la compatibilità allo standard Asil (Automotive Safety Integrity Level) C come componente stand-alone.
