Monitor Batteria Massimizza le Prestazioni delle Batterie dei Veicoli Elettrici

Il BMS può migliorare l'efficienza operativa delle batterie dei veicoli elettrici

I sistemi avanzati di gestione della batteria (BMS) possono aiutare i veicoli elettrici a estrarre in modo efficiente una quantità significativa di carica dal pacco batteria durante il funzionamento. Possono misurare con precisione lo stato di carica (SOC) della batteria per estenderne il tempo di utilizzo o ridurre il peso, mentre migliorano la sicurezza della batteria evitando sovraccarichi elettrici sotto forma di scarica profonda, sovraccarica, sovracorrente e sovraccarico termico.   La funzione principale del BMS è monitorare i parametri fisici durante il funzionamento della batteria, assicurandosi che ogni singola cella all'interno del pacco batteria rimanga entro la sua area di funzionamento sicuro (SOA). Monitora le correnti di carica e scarica, le tensioni delle singole celle e la temperatura complessiva del pacco batteria. Sulla base di questi valori, garantisce non solo un funzionamento sicuro della batteria, ma facilita anche i calcoli dello stato di carica (SOC) e dello stato di salute (SOH).   Un'altra funzione cruciale offerta dal BMS è il bilanciamento delle celle. In un pacco batteria, le singole celle possono essere collegate in parallelo o in serie per ottenere la capacità desiderata e la tensione operativa (fino a 1 kV o superiore). I produttori di batterie cercano di fornire celle identiche per il pacco batteria, ma raggiungere una uniformità perfetta non è fisicamente realistico. Anche piccole differenze possono portare a variazioni nei livelli di carica o scarica, e la cella più debole nel pacco batteria può influenzare significativamente le prestazioni complessive. Un bilanciamento preciso delle celle è una caratteristica fondamentale del BMS, assicurando il funzionamento sicuro del sistema batteria alla sua massima capacità.

Il BMS wireless elimina i cablaggi di comunicazione, riducendo la complessità

Le batterie dei veicoli elettrici sono composte da numerose celle collegate in serie. Un tipico pacco batteria, con 96 celle in serie, genera oltre 400 V quando è caricato a 4,2 V. Quanto maggiore è il numero di celle nel pacco batteria, tanto maggiore è la tensione ottenuta. Mentre le correnti di carica e scarica sono le stesse per tutte le celle, è necessario monitorare la tensione di ciascuna cella.   Per ospitare il gran numero di batterie richiesto dai sistemi automobilistici ad alta potenza, molte celle della batteria vengono spesso suddivise in diversi moduli e distribuite in tutto lo spazio disponibile nel veicolo. Un modulo tipico è composto da 10 a 24 celle e può essere assemblato in diverse configurazioni per adattarsi a varie piattaforme di veicoli. Il design modulare costituisce la base per pacchi batteria di grandi dimensioni, consentendo al pacco batteria di essere distribuito su un'area più ampia, ottimizzando così l'utilizzo dello spazio in modo più efficace.   Al fine di supportare una topologia modulare distribuita nell'ambiente ad alta EMI dei veicoli elettrici/ibridi, è essenziale un sistema di comunicazione robusto. Il bus CAN isolato è adatto per interconnettere i moduli in questo ambiente. Sebbene il bus CAN fornisca una rete completa per interconnettere i moduli della batteria nelle applicazioni automobilistiche, richiede molti componenti aggiuntivi, con un conseguente aumento dei costi e dello spazio sulla scheda elettronica. Inoltre, se i moderni Sistemi di Gestione della Batteria (BMS) adottano connessioni cablate, comportano notevoli svantaggi. Il cablaggio diventa una questione onerosa, poiché i fili devono essere instradati verso diversi moduli, aumentando il peso e la complessità. I fili, inoltre, sono suscettibili al rumore, richiedendo ulteriori filtri.   Il BMS wireless è un'architettura innovativa che elimina la necessità di cablaggi per la comunicazione. In un BMS wireless, l'interconnessione tra ciascun modulo avviene tramite connessioni wireless. La connessione wireless nei grandi pacchi batteria con numerose celle riduce la complessità del cablaggio, diminuisce il peso, riduce i costi e migliora la sicurezza e l'affidabilità. Tuttavia, la comunicazione wireless affronta sfide in ambienti ad alta EMI e ostacoli alla propagazione del segnale causati da componenti metallici schermati contro le RF.

Le reti wireless integrate possono migliorare affidabilità e precisione

The SmartMesh® embedded wireless network, introduced by ADI, has undergone on-site validation in Industrial Internet of Things (IoT) applications. It achieves redundancy through the use of path and frequency diversity, providing connections with reliability exceeding 99.999% in challenging environments such as industrial and automotive settings.
 
In addition to enhancing reliability by creating multiple redundant connection points, wireless mesh networks also extend the functionalities of BMS. The SmartMesh wireless network enables flexible placement of battery modules and improves the calculation of battery SOC and SOH. This is achieved by collecting more data from sensors installed in locations previously unsuitable for wiring. SmartMesh also provides time-correlated measurement results from each node, enabling more precise data collection.
 
ADI has integrated the LTC6811 battery stack monitor with ADI SmartMesh network technology, representing a significant breakthrough. This integration holds the potential to enhance the reliability of large multi-cell battery packs in electric and hybrid vehicles while reducing costs, weight, and wiring complexity.
 
The LTC6811 is a battery stack monitor designed for multi-cell battery applications. It can measure the voltage of up to 12 series-connected cells with a total measurement error of less than 1.2mV. The measurement of all 12 cells can be completed within 290μs, and a lower data acquisition rate can be selected for high noise reduction. The LTC6811 has a battery measurement range of 0V to 5V, suitable for most battery chemistry applications. Multiple devices can be daisy-chained to simultaneously monitor very long high-voltage battery stacks. The device includes passive balancing for each cell, and data exchange occurs on either side of an isolation barrier, compiled by the system controller. The controller is responsible for calculating SOC, controlling battery balancing, checking SOH, and ensuring the entire system stays within safe limits.
 
Moreover, multiple LTC6811 devices can be daisy-chained, allowing simultaneous monitoring of long high-voltage battery stacks. Each LTC6811 has an isoSPI interface for high-speed and RF-resistant remote communication. When using LTC6811-1, multiple devices are connected in a daisy-chain, and all devices share one host processor connection. When using LTC6811-2, multiple devices are connected in parallel to the host processor, and each device is individually addressed.
 
The LTC6811 can be powered directly from the battery pack or an isolated power source and features passive balancing for each battery cell, along with individual PWM duty cycle control for each cell. Other features include a built-in 5V regulator, 5 general-purpose I/O lines, and a sleep mode (where current consumption is reduced to 4μA).

Il bilanciamento delle celle viene utilizzato per ottimizzare la capacità e le prestazioni della batteria

Il bilanciamento delle celle ha un impatto significativo sulle prestazioni delle batterie, poiché anche con una produzione e una selezione precise, possono emergere differenze sottili tra di esse. Qualsiasi disallineamento di capacità tra le celle può portare a una riduzione della capacità complessiva del pacco batteria. Chiaramente, la cella più debole dell’insieme determinerà le prestazioni del pacco batteria intero. Il bilanciamento delle celle è una tecnica che aiuta a superare questo problema, equalizzando la tensione e lo stato di carica (SOC) tra le celle quando la batteria è completamente carica.   La tecnologia di bilanciamento delle celle può essere suddivisa in tipologie passive e attive. Nel bilanciamento passivo, se una cella è sovraccarica, la carica in eccesso viene dissipata in un resistore. Tipicamente, si utilizza un circuito shunt composto da un resistore e un MOSFET di potenza utilizzato come interruttore. Quando la cella è sovraccarica, il MOSFET si chiude, dissipando l'energia in eccesso nel resistore. L'LTC6811 utilizza un MOSFET integrato per controllare la corrente di carica per ciascuna cella monitorata, bilanciando così ogni cella controllata. Il MOSFET integrato consente un design compatto e può soddisfare una richiesta di corrente fino a 60 mA. Per correnti di carica più elevate, è possibile utilizzare un MOSFET esterno. Il dispositivo fornisce inoltre un timer per regolare il tempo di bilanciamento.   D’altra parte, il bilanciamento attivo prevede la ridistribuzione dell'energia in eccesso tra le altre celle nel modulo. Questo approccio consente il recupero di energia e una minore generazione di calore, ma ha lo svantaggio di richiedere un design hardware più complesso.   ADI ha introdotto un'architettura che utilizza l'LT8584 per ottenere il bilanciamento attivo delle batterie. Questa architettura devia attivamente la corrente di carica e restituisce energia al pacco batteria, affrontando i problemi associati agli equilibri passivi con shunt. L'energia non viene dissipata sotto forma di calore, ma viene invece riutilizzata per ricaricare le altre batterie nel gruppo. L'architettura di questo dispositivo affronta anche il problema in cui una o più celle nel gruppo raggiungono una soglia di tensione minima sicura prima che la capacità totale del gruppo si esaurisca, riducendo così il tempo di funzionamento. Solo il bilanciamento attivo può ridistribuire la carica dalle celle più forti a quelle più deboli, consentendo alle celle più deboli di continuare a fornire energia al carico, estraendo una maggiore percentuale di energia dal pacco batteria. La topologia flyback consente alla carica di muoversi avanti e indietro tra due punti qualsiasi del pacco batteria. Nella maggior parte delle applicazioni, la carica viene restituita al modulo batteria (12 celle o più), mentre in altre applicazioni la carica viene restituita all'intero pacco batteria o ai binari di alimentazione ausiliari.   L’LT8584 è un convertitore DC/DC monolitico flyback progettato specificamente per il bilanciamento attivo di pacchi batteria ad alta tensione. L'elevata efficienza del regolatore a commutazione aumenta significativamente la corrente di bilanciamento raggiungibile riducendo al contempo la dissipazione di calore. Inoltre, il bilanciamento attivo consente il recupero della capacità nei gruppi di batterie non uniformi, una caratteristica non raggiungibile con i sistemi di bilanciamento passivi. Nei sistemi tipici, può essere ottenuto oltre il 99% della capacità totale della batteria.   L’LT8584 presenta un interruttore di potenza integrato da 6A e 50V, riducendo la complessità del design del circuito applicativo. Il dispositivo opera completamente basandosi sulle celle che sta scaricando, eliminando la necessità di schemi di polarizzazione complessi tipicamente richiesti quando si usano interruttori di potenza esterni. Il pin di abilitazione (DIN) è progettato per coordinarsi senza problemi con i circuiti integrati di monitoraggio pacco batteria della serie LTC680x. Inoltre, se utilizzato in combinazione con i dispositivi della serie LTC680x, l’LT8584 fornisce funzioni di telemetria del sistema, inclusi il monitoraggio di corrente e temperatura. Quando disabilitato, l’LT8584 consuma tipicamente meno di 20nA di corrente statica totale dalla batteria.

Conclusione

La chiave per i veicoli a basse emissioni risiede nell'elettrificazione, ma richiede anche una gestione intelligente delle fonti di energia (come le batterie agli ioni di litio). Una gestione impropria potrebbe rendere il pacco batterie inaffidabile, riducendo significativamente la sicurezza del veicolo. Sia il bilanciamento attivo che passivo delle batterie contribuiscono a una gestione sicura ed efficiente delle batterie. I moduli batteria distribuiti sono facili da supportare e possono trasmettere dati in modo affidabile al controller BMS, sia tramite connessioni cablate che wireless, consentendo calcoli affidabili di SOC e SOH. ADI offre una gamma completa di componenti BMS che possono aiutare i clienti a velocizzare lo sviluppo del BMS, garantendo una gestione più efficiente dell'efficienza operativa e della sicurezza delle batterie dei veicoli elettrici.