Analog Devices spiega il bilanciamento attivo nel BMS

Frank Zhang di Analog Devices, esplora il prototipo di progettazione di un sistema di bilanciamento attivo per i sistemi di gestione batteria (Battery Management Systems, BMS).

Pensate ancora che le soluzioni di bilanciamento attivo per le celle siano complesse e costose oppure semplici e convenienti ma inefficienti? In effetti, ad essere onesti, questa prospettiva non è interamente dovuta ai pregiudizi di chi valuta, ma spesso si basa su una valutazione obiettiva e imparziale delle numerose soluzioni di bilanciamento attivo attualmente disponibili sul mercato.

Impatto dello squilibrio di cella nei pacchi batteria con BMS

In un BMS, in genere vengono collegate in serie più celle singole per formare un pacco batteria ad alta tensione. Quest’ultimo alimenta vari sistemi, tra cui veicoli elettrici, sistemi di accumulo di energia ad alta tensione e gruppi di continuità. In questo tipo di collegamento in serie, la condizione operativa ideale è che tutte le singole celle abbiano parametri costanti, quali tensione, impedenza interna, stato di carica (SoC), stato di salute (SoH) e temperatura operativa.

In realtà, quando si produce un lotto di celle, le loro prestazioni e specifiche sono generalmente uniformi. Tuttavia, dopo essere state messe in esercizio, con l’invecchiamento si verificano inevitabili differenze di prestazioni dovute a fattori quali carico, temperatura e umidità ambientali e numero di cicli di carica.

Quando le differenze di prestazioni tra le celle sono minime, in genere non compromettono il normale funzionamento del pacco batteria e non richiedono particolare attenzione. Tuttavia, quando queste differenze diventano così significative da compromettere la corretta funzionalità del pacco batteria, è fondamentale affrontare il problema. Queste differenze significative di prestazioni tra celle saranno definite “squilibrio di cella” nelle sezioni seguenti.

Squilibrio di capacità di cella

Come mostrato nella Figura 1, se alcune celle di un pacco batteria hanno una capacità significativamente inferiore rispetto alle altre, vengono definite celle deboli. Queste ultime causano problemi sia durante la carica che durante la scarica. Durante la carica, una cella debole raggiungerà più rapidamente la tensione massima e si caricherà completamente prima delle altre. Tuttavia, poiché le celle sono collegate in serie come parte di un pacco batteria più grande, la corrente di carica non si interrompe automaticamente una volta che la cella debole è completamente carica. Di conseguenza, l’intero processo di carica del pacco batteria deve essere interrotto non appena la cella debole raggiunge la carica completa per evitare il rischio di sovraccarico, che potrebbe mettere in pericolo sia la cella debole che l’intero pacco batteria.

Allo stesso modo, durante la scarica, la tensione della cella debole diminuirà più rapidamente e raggiungerà lo stato di scarica completa prima delle altre. Anche in questo caso, il processo di scarica dell’intero pacco batteria deve interrompersi immediatamente una volta che la cella debole è completamente scarica, altrimenti si rischia una scarica eccessiva, che comporta anche problemi di sicurezza. I lettori attenti potrebbero rendersi subito conto che in un pacco batteria contenente celle deboli, l’utilizzo completo della capacità è significativamente ridotto. Senza il bilanciamento delle celle, le celle sane non possono essere completamente caricate o scaricate durante ogni ciclo. Nel corso del tempo, man mano che la cella subisce ripetuti cicli di carica e scarica, la cella debole, essendo soggetta a un numero maggiore di cicli, tende a subire un degrado più rapido della capacità, il che peggiora lo squilibrio con le celle sane.

Figura 1. Impatto di celle con squilibrio di capacità durante carica e scarica del pacco batteria.

Disadattamento di impedenza di cella

Oltre alla capacità, un altro parametro importante che desta grande preoccupazione è l’impedenza di cella. Analogamente allo squilibrio di capacità, il disadattamento dell’impedenza si verifica quando una cella all’interno di un pacco presenta un’impedenza significativamente diversa rispetto alle altre. Alcuni ingegneri utilizzano il metodo della spettroscopia di impedenza elettrochimica (Ethrochemical Impedance Spectroscopy, EIS) per misurare l’impedenza di ciascuna cella e valutarne lo stato di salute. Una cella sana o relativamente nuova ha in genere un’impedenza inferiore, mentre una cella vecchia o malfunzionante tende ad avere un’impedenza più elevata. La seguente illustrazione fornisce una comprensione più intuitiva di come il disadattamento dell’impedenza influisca sulle prestazioni del pacco batteria.

Se una particolare cella all’interno del pacco ha un’impedenza significativamente più alta rispetto alle altre, viene definita cella problematica per facilità di discussione. La Figura 2 dimostra visivamente questo fenomeno rappresentando la cella come un modello di circuito semplificato con un condensatore e un resistore in serie durante la carica e la scarica. È importante notare che questa astrazione è una semplificazione necessaria ai fini della discussione in questo articolo; sebbene sia adatta per illustrare gli effetti del disallineamento dell’impedenza, non rappresenta le caratteristiche fisiche ed elettriche effettive di una cella reale.

Durante la carica, una cella problematica con un’impedenza interna più elevata subisce una maggiore caduta di tensione per una data corrente di carica. In questo caso, se tutte le celle presentano lo stesso valore di tensione, la cella problematica immagazzinerà effettivamente meno energia. Come mostrato nell’immagine, la cella non funzionante ha un valore Vcell_actual inferiore durante la carica. Inoltre, a causa della maggiore perdita di potenza causata dalla sua impedenza, questa cella presenta in genere una temperatura di carica più elevata.

Durante la scarica, un’impedenza più elevata comporta una maggiore caduta di tensione e una maggiore dissipazione di potenza per una data corrente di scarica. Di conseguenza, la cella difettosa subisce un calo più rapido della tensione e della capacità e generalmente funziona a una temperatura di scarica più elevata. Nel tempo, con cicli di carica-scarica ripetuti, la temperatura più elevata e gli effetti dell’invecchiamento accelerano ulteriormente l’aumento di impedenza nella cella in cattiva salute, aggravando il problema del disadattamento di impedenza all’interno del pacco batteria.

Figura 2. Impatto di celle con disadattamento di impedenza durante la carica e la scarica del pacco batteria.

Analizzando sia lo squilibrio di capacità che il disadattamento di impedenza, i lettori più attenti potranno osservare che, sebbene questi rappresentino aspetti diversi dello squilibrio delle celle, i loro effetti finali sono piuttosto simili. Che si tratti di una cella debole con capacità inferiore o di una cella in cattiva salute con impedenza più elevata, entrambi i problemi influiscono principalmente sulla capacità utilizzabile e sulla tensione operativa del pacco batteria. In un pacco batteria con celle deboli o difettose, l’utilizzo della capacità completa e il tempo di funzionamento sicuro vengono notevolmente ridotti. Inoltre, queste celle sbilanciate rappresentano una minaccia continua per la sicurezza e il normale funzionamento delle celle regolarmente funzionanti all’interno del pacco.

L’importanza fondamentale del bilanciamento passivo/attivo nel BMS

Grazie alla precedente discussione sui problemi di squilibrio di cella, comprendere l’applicazione del bilanciamento passivo e attivo nel BMS diventa molto più semplice.

Il bilanciamento passivo è un metodo dissipativo che opera tipicamente durante il ciclo di carica. Poiché le celle deboli hanno una capacità inferiore, la loro tensione aumenta più rapidamente a parità di corrente di carica. Quando raggiungono o si avvicinano per prime alla carica completa, l’energia in eccesso deve essere immediatamente dissipata. Sebbene questa dissipazione di energia comporti la generazione di calore e problemi di gestione termica, prolunga il tempo di carica delle celle sane, migliorando in ultima analisi il tempo di esercizio complessivo del pacco batteria. Il bilanciamento passivo è ampiamente adottato nel BMS, con la maggior parte dei circuiti integrati di monitoraggio delle celle che già integrano questa funzionalità.

Il bilanciamento attivo, invece, trasferisce l’energia tra le celle utilizzando trasformatori, condensatori e induttori. Questo metodo funziona sia durante i cicli di carica che durante quelli di scarica, ridistribuendo la carica in modo efficiente. Sebbene sia il bilanciamento passivo che quello attivo presentino vantaggi e svantaggi (riassunti nella Tabella 1), la scelta del metodo di bilanciamento nella progettazione pratica dei BMS non si basa semplicemente su un confronto diretto dei loro pro e contro. Dipende invece dalla capacità e dalle dimensioni del sistema di batteria.

In generale, la corrente di bilanciamento è impostata a circa 1-5% della capacità della cella. Ad esempio, in una cella al litio da 4 Ah, se la carica di bilanciamento è pari al 5% della sua capacità, è necessario equalizzare 200 mAh. Questo scenario è particolarmente adatto al bilanciamento passivo, in cui un progettista BMS può implementare un circuito di bilanciamento passivo da 200 mA per dissipare la carica in circa un’ora o un circuito da 100 mA per farlo in due ore. In definitiva, il progettista può adattare la strategia di bilanciamento passivo in base alla capacità di corrente di bilanciamento passivo dell’IC di monitoraggio cella selezionato, e alla capacità della cella stessa.

Al contrario, si consideri una cella di accumulo energetico ad alta capacità da 300 Ah in cui la carica di bilanciamento al 5% raggiunge i 15 Ah. Anche con una corrente di bilanciamento passivo di 300 mA, che è già piuttosto elevata, occorrerebbero oltre 50 ore per completare il bilanciamento. In realtà, questo tempo sarebbe ancora più lungo, poiché il bilanciamento passivo continuo su un singolo canale della cella per periodi prolungati potrebbe surriscaldare e danneggiare il chip BMS. Pertanto, il bilanciamento attivo è essenziale per le celle ad alta capacità.

Ad esempio, se un circuito di bilanciamento attivo è in grado di gestire un trasferimento di carica di 15 A, lo squilibrio di 15 Ah può essere corretto in circa un’ora. Con una capacità di trasferimento di 7,5 A, ci vorrebbero circa due ore e così via. A differenza del bilanciamento passivo, il bilanciamento attivo non spreca energia, ma la ridistribuisce ad altre celle o pacchi, migliorando l’efficienza energetica complessiva e alleggerendo il carico di gestione termica del BMS.

Bilanciamento passivo

Bilanciamento attivo

Vantaggi

1.Dimensioni contenute

2. Basso costo

3.Complessità ridotta e facile da controllare

4. Estende il tempo di carica del pacco batteria

1. Può essere applicato efficacemente sia durante la carica che durante la scarica della batteria

2. Migliora la durata complessiva del pacco batteria e l’efficienza di utilizzo della capacità

3. Gestione termica migliore per il sistema circuitale

4. Consente un bilanciamento rapido e una corrente di bilanciamento elevata