Roberto Romita, Industrial Key Account Manager – Industrial Division di Sparq, esamina le tematiche relative al BMS (Battery Management System) e alle batterie ricaricabili.
Negli articoli precedenti abbiamo esplorato il ruolo del litio all’interno delle batterie e di come può essere combinato per offrire performance che rispondono a svariate esigenze. Nel campo delle batterie ricaricabili, in particolar modo i pacchi destinati a sistemi di energy storage così come all’autotrazione, una chimica corretta da sola non può bastare per garantire prestazioni durature nel tempo e prolungare il ciclo di vita delle celle. Questo articolo prende in esame il BMS (Battery Management System) ossia il vero e proprio cervello delle batterie.
Batterie ricaricabili
Il Battery Management System è un sistema elettronico che ha l’incarico di supervisionare e gestire il funzionamento di una batteria ricaricabile, in tutta la sua interezza, ovvero che sia sempre in grado di operare in sicurezza e che le sue prestazioni siano sempre ottimali. Per poter funzionare il BMS richiede tutta una serie di parametri raccolti dal campo che riguardano lo stato del pacco come anche della singola cella. È a tutti gli effetti un sistema di monitoraggio continuo e in tempo reale che fornisce indicazioni tempestive sullo stato di salute della batteria. Tuttavia, il BMS può essere sviluppato per poter prendere in tempo reale e in completa autonomia decisioni sulla gestione dell’energia a disposizione. Questa è una delle caratteristiche peculiari che consente un ciclo di vita prolungato a beneficio, ad esempio, dei costi di esercizio e di manutenzione ma anche dell’impatto ambientale, poiché una batteria che dura più a lungo comporta interventi meno frequenti e, nel caso di fine vita, un processo di smaltimento ritardato nel tempo.
Architettura
Il BMS è suddiviso in una parte hardware che comprende i sistemi di acquisizione dei parametri mentre l’altra è dedicata al software di gestione. Sensori, processori, interfacce di comunicazione e circuiti di protezione sono combinati in modo da ricevere e comunicare con altri sistemi (integrati o integrabili). In particolare, riguardo alla sensoristica i parametri base di:
Tensione e corrente: la misurazione del valore di tensione è effettuata a livello della singola cella oppure di un gruppo di celle, ogni cella ha un limite di tensione operativo che se superato può causarne danni. Pertanto, la misurazione continua di questo parametro assicura che nessuna cella superi il limite. La quantità di corrente misurata (di carica e scarica) è riferita al pacco e anch’essa viene monitorata per evitare che superi un certo limite. Va considerato che per questa parte la precisione dei sensori è fondamentale poiché le più piccole derive di misura influiscono sulla qualità gestionale del BMS.
Temperatura: generalmente vengono impiegati termistori NTC (Negative Temperature Coefficient) o PTC (Positive Temperature Coefficient) i cui valori di resistenza possono rispettivamente diminuire o aumentare a seconda della temperatura. Possono anche essere utilizzate termocoppie ma, a differenza dei termistori, il grado di accuratezza di misura è molto inferiore con tolleranze che possono superare il grado centigrado. Una tale discrepanza potrebbe generare problematiche nel caso di surriscaldamento delle celle, ad esempio le celle al litio sono molto sensibili alle alte temperature, dato che è assolutamente necessario evitare il fenomeno del thermal runaway.
Batterie ricaricabili, le celle
All’interno dell’hardware, come accennato, è presente la parte che si occupa della protezione del pacco. La circuitazione di protezione rileva cortocircuiti, sovraccarichi come anche scarica eccessiva il che tradotto in termini parametrici significa valori di picco di tensione o corrente. Il circuito di protezione è anche progettato in modo da interrompere (ad esempio tramite un relè o un MOSFET) il funzionamento della batteria evitando eventuali danni. Riguardo alle funzioni del BMS, nel proprio hardware vi è anche la sezione che si occupa dell’equilibrio delle celle, ossia l’unità di bilanciamento.
Poiché le singole celle possono scaricarsi a ritmi differenti, l’unità di bilanciamento ristabilisce l’equilibrio del livello di carica tra le varie celle. In questa specifica sezione va considerato che il bilanciamento può essere effettuato principalmente in due modi: attivo e passivo. Nel bilanciamento attivo l’eccesso di carica di un certo numero di celle è ridistribuito fra le celle meno cariche ottenendo uniformità di carica, mentre in quello passivo l’energia viene dissipata attraverso resistenze passive. Come tecnica, il bilanciamento attivo/passivo, può essere paragonato ai sistemi di frenatura elettrica nei veicoli e nella trazione ferroviaria, dove l’energia cinetica viene riconvertita in energia elettrica per poi essere restituita alla fonte di alimentazione o dissipata attraverso reostati. È facile comprendere che il bilanciamento attivo, sebbene sia un sistema più complesso, consente alle batterie di innalzare l’efficienza con il risultato di migliorare il rendimento.
Software e modelli matematici
Nei BMS il software comprende numerose funzionalità di controllo e monitoraggio basate su modelli matematici riferiti ai parametri base sopracitati. Logicamente, precisione e accuratezza sul rilevamento dello stato di carica e salute della batteria sono direttamente proporzionali alla precisione dell’algoritmo di controllo.
Il modello elettrico si fonda su un circuito equivalente virtuale con resistenze e capacità che rappresenta in modo ideale la batteria. Nel modello è inserito il funzionamento dinamico (e la risposta) a seconda di tutte le possibili variazioni dei parametri di tensione e corrente. Nello specifico, il circuito equivalente è solitamente rappresentato da un generatore di tensione collegato in serie a una resistenza, dove avremo un valore di tensione a circuito aperto e un valore di resistenza interna.
Semplificando, attraverso il circuito virtuale viene misurata la condizione, ovvero a seconda del carico applicato alla batteria: se non collegato si avrà un valore di tensione che corrisponde a quello del circuito aperto, mentre se applicato avremo valori di corrente fornita corrispondente alla legge di Ohm (I=V/R). Di conseguenza, più è complessa la circuitazione reale della batteria più lo sarà quella virtuale con l’aggiunta (fra il generatore di tensione e la resistenza) di altri blocchi composti da resistenze e capacità disposti in parallelo.
Il modello termico prevede l’intero percorso del calore all’interno del pacco considerando convezione e conduzione, temperatura interna ed esterna delle celle, crescita o decrescita del valore in relazione della fase di carica e scarica ecc. A seconda delle caratteristiche di prestazione della batteria viene quindi predisposto il modello termico la cui accuratezza è determinante allo stesso modo del modello elettrico.
È noto che con il variare dei parametri termici può variare la capacità della singola cella (ma anche del pacco), pertanto lo stato di carica e il valore di resistenza (vedi paragrafo precedente) sono proporzionali al valore di temperatura. In sostanza, il modello termico si basa sulla capacità di scambio termico che ogni singola cella può avere con l’ambiente esterno, pertanto è fondamentale avere un’acquisizione precisa della temperatura nelle varie zone della batteria.
All’interno dei software BMS esistono anche sistemi dedicati ad altre funzionalità come, ad esempio, controller proporzionali ID basati su integrale, per il calcolo dell’area sottesa alla curva di carica/scarica, e derivata, per misurazione della crescita o decrescita della curva. Questi sistemi assolvono al mantenimento dei valori di corrente e tensione entro limiti programmabili ottenuto regolandone il flusso di input e output. Altri algoritmi possono essere inseriti nel software per ottimizzare l’accuratezza di misurazione dello stato di salute e carica della batteria.
Comunicazione dei dati
La comunicazione dei dati acquisiti dal BMS, pur essendo una funzione che potremmo ritenere secondaria, è un aspetto fondamentale con il quale poter costruire sistemi scalabili, che si tratti di BESS come anche UPS e applicazioni automotive. La trasmissione dati verso sistemi di livello più alto consente di ottimizzare ulteriormente l’utilizzo della batteria. Esistono pertanto protocolli diffusi alla comunicazione, come ad esempio I2C, RS485 (protocollo largamente utilizzato grazie alle sue caratteristiche di robustezza e affidabilità nella trasmissione su lunghe distanze) ma anche CAN bus e UART. A seconda delle caratteristiche del pacco, delle specifiche dell’impianto, questi protocolli possono prestarsi a una comunicazione dati rapida ed efficace.