Bilanciamento delle celle nelle batterie dei veicoli elettrici: metodi passivi e attivi

Il bilanciamento regola la carica dei gruppi di celle collegati in serie affinché le loro differenze non limitino inutilmente l’energia utilizzabile della batteria. I sistemi passivi sottraggono carica a gruppi selezionati; quelli attivi trasferiscono energia tra parti del pacco.

Perché le differenze di carica limitano un pacco

Un gruppo di celle è una posizione monitorata nella catena in serie della batteria: una singola cella oppure più celle collegate in parallelo. Il capitolo battery pack spiega come questi collegamenti determinano tensione e capacità del pacco.

Il sistema di gestione della batteria (BMS) deve mantenere ogni gruppo entro i propri limiti operativi. Durante la ricarica, un gruppo può raggiungere il limite superiore di tensione mentre gli altri possono ancora ricevere energia. Durante la scarica, uno può raggiungere il limite inferiore mentre gli altri contengono ancora energia. Entrambe le situazioni limitano ciò che il pacco può erogare. Il bilanciamento aiuta a recuperare energia utilizzabile resa inaccessibile dalle differenze di livello di carica. Analog Devices — Maximize the Run Time in Automotive Battery Stacks Even as Cells Age

Tre distinzioni spiegano cosa può ottenere il bilanciamento:

• Una differenza nello stato di carica (SOC) significa che i gruppi contengono quantità di carica diverse rispetto alle rispettive capacità.
• Una differenza di capacità significa che un gruppo può immagazzinare meno carica di un altro.
• Una differenza di tensione misurata può anche dipendere da resistenza, temperatura o errori di misura.

L’autoscarica disuguale e piccole differenze nei carichi elettrici dei singoli gruppi possono creare gradualmente uno squilibrio di carica. Le differenze di capacità iniziale e di invecchiamento modificano la velocità con cui ogni gruppo percorre il proprio intervallo di SOC. Analog Devices — Maximize the Run Time in Automotive Battery Stacks Even as Cells Age

Consideriamo un esempio semplificato con due gruppi da 90 Ah e 100 Ah. Entrambi possono partire completamente carichi, ma dopo aver erogato ciascuno 90 Ah, il più piccolo è vuoto mentre il più grande contiene ancora 10 Ah. Allinearli nella parte alta della finestra di carica non ripristina la capacità mancante del gruppo più piccolo. L’esempio trascura altri limiti che potrebbero interrompere prima la scarica. Analog Devices — Maximize the Run Time in Automotive Battery Stacks Even as Cells Age

Bilanciamento passivo

Un circuito di bilanciamento passivo collega un resistore in parallelo a un gruppo selezionato mediante un interruttore elettronico. La corrente in questo ramo trasforma l’energia elettrica in calore. Il BMS controlla quali rami sono attivi e per quanto tempo funzionano. Analog Devices — Passive Battery Cell Balancing

Durante la ricarica, la corrente che arriva a questa posizione della catena in serie si divide tra le celle e il ramo di bilanciamento:

Corrente netta di carica delle celle = corrente di carica del pacco − corrente di bypass

Per esempio, se il pacco riceve 1 A e un ramo selezionato assorbe 0,1 A, le celle di quel gruppo ricevono 0,9 A. Un gruppo identico per il resto, con il ramo di bilanciamento disattivato, riceve l’intero 1 A e accumula carica più velocemente. Sono correnti illustrative, assumendo trascurabili gli altri piccoli carichi elettrici.

Lo stesso ramo può continuare a sottrarre carica dopo l’arresto del caricatore; in quel caso il gruppo selezionato fornisce direttamente la corrente nel resistore. L’implementazione Orion Jr. 2 descritta più avanti supporta questo funzionamento finché il BMS resta alimentato in modalità CHARGE. Ewert Energy Systems — Orion Jr. 2 BMS operation manual

Una piccola corrente di bypass riduce solo lievemente la corrente che entra in un gruppo durante una ricarica ad alta intensità. La ricarica deve comunque rallentare o arrestarsi quando un gruppo raggiunge il proprio limite. Il bilanciamento affianca quindi il controllo della ricarica senza sostituirlo.

Il circuito è relativamente semplice e può correggere una deriva graduale della carica tra gruppi con capacità simili. Analog Devices — Maximize the Run Time in Automotive Battery Stacks Even as Cells Age Lo svantaggio è che l’energia sottratta diventa calore. Il bilanciamento passivo non dispone inoltre di un percorso di trasferimento per alimentare un gruppo poco carico dagli altri durante la scarica. Analog Devices — Passive Battery Cell Balancing

Corrente e tempo di bilanciamento

Un utile punto di partenza è la quantità di carica da rimuovere, misurata in ampere-ora (Ah):

Tempo di bilanciamento (h) = differenza di carica (Ah) ÷ corrente media di bilanciamento (A)

Per due gruppi da 100 Ah identici per il resto, una differenza di un punto percentuale di SOC corrisponde a 1 Ah. Rimuoverla con una corrente continua di 0,1 A richiede 10 ore. Se il ramo funziona solo per metà del tempo trascorso alla stessa corrente, la corrente media è 0,05 A e la correzione richiede 20 ore. Entrambi i calcoli sono semplificati e presuppongono l’assenza di ulteriore deriva e che il gruppo interessato rimanga lo stesso.

Il controller di celle per uso automobilistico MC33775A di NXP supporta il bilanciamento passivo fino a 300 mA per canale. I suoi controlli comprendono timer individuali e soglie di tensione. Sospende automaticamente il bilanciamento durante le misure e lo interrompe se i resistori di bilanciamento si surriscaldano. I 300 mA sono un limite del componente; il circuito installato e il software determinano corrente e durata di funzionamento nel veicolo. NXP — MC33775A product short data sheet, revision 2

La corrente effettiva dipende anche dalla tensione della cella e dalla resistenza del percorso di bilanciamento. La guida di progettazione BQ7961x-Q1 di TI spiega come scegliere i resistori e considerare i vincoli termici; la modalità automatica alterna canali dispari e pari. Texas Instruments — BQ7961x-Q1 automotive BMS design recommendations, revision B Le pause di misura, le interruzioni termiche e la sequenza dei canali riducono il tempo in cui un ramo può bilanciare. Questo spiega perché la corrente media può essere inferiore a quella con il ramo attivo; il tempo di funzionamento del 50% nell’esempio da 20 ore è un’ipotesi illustrativa.

Bilanciamento attivo

Il bilanciamento attivo utilizza un circuito di conversione di potenza per spostare energia tra gruppi o tra un gruppo e una parte più ampia del pacco. Il circuito può immagazzinare temporaneamente energia in un condensatore o in un componente magnetico prima di erogarla altrove. La sua architettura determina quali gruppi possono scambiare energia. Ashraf et al. — Review of Cell-Balancing Schemes for Electric Vehicle Battery Management Systems

Una soluzione che supporta il trasferimento durante la scarica può alimentare un gruppo vicino al proprio limite inferiore usando gruppi che contengono ancora energia. Ciò può prolungare la scarica utile del pacco anche quando le capacità dei gruppi differiscono. Durante la ricarica, un circuito adatto può allontanare energia da un gruppo che si avvicina al limite superiore. Analog Devices — Active Battery Cell Balancing

La corrente di trasferimento e il tempo disponibile per bilanciare limitano questo beneficio, come osserva ADI. Analog Devices — Active Battery Cell Balancing In pratica, un circuito di trasferimento può fornire troppo poca energia per mantenere il gruppo limitante sopra il limite inferiore durante una richiesta elevata di potenza. Redistribuire energia migliora lo sfruttamento del pacco; la capacità di accumulo di ciascun gruppo rimane invariata.

La commutazione e la conversione di energia causano perdite, mentre l’hardware aggiuntivo aumenta costo, ingombro e complessità del controllo. Ashraf et al. — Review of Cell-Balancing Schemes for Electric Vehicle Battery Management Systems La scelta progettuale consiste nel valutare se l’energia recuperata e la velocità di bilanciamento giustifichino queste aggiunte nel pacco previsto.

Come le letture di tensione guidano il bilanciamento

La differenza tra la tensione di gruppo più alta e quella più bassa misurate viene spesso chiamata dispersione di tensione o delta di tensione delle celle. Il suo significato cambia con corrente, temperatura e SOC.

Un gruppo con resistenza interna maggiore può mostrare una tensione superiore durante la ricarica e inferiore durante la scarica, anche senza differenze di SOC. Sottrarre carica soltanto perché presenta la tensione più alta sotto corrente di carica può peggiorare lo squilibrio. Una corrente più bassa e condizioni stabilizzate riducono questi effetti, rendendo la tensione più facile da interpretare. Texas Instruments — Battery Cell Balancing: What to Balance and How

Anche le differenze di temperatura influenzano il comportamento della tensione. Un offset del sensore o un guasto del filo di misura può produrre una differenza apparente senza creare uno squilibrio fisico di carica. Il capitolo battery management system spiega come distinguere i guasti di misura dai guasti delle celle.

Il litio-ferro-fosfato (LFP) presenta una difficoltà specifica: la tensione varia poco su gran parte dell’intervallo di SOC. Livelli di carica differenti possono quindi produrre tensioni simili. L’isteresi, per cui la tensione dipende dalla storia recente di carica o scarica della cella, complica ulteriormente il confronto. Le parti più ripide della curva di tensione forniscono più informazioni sulle differenze di carica. Analog Devices — Considerations for Fuel Gauging Lithium-Iron-Phosphate Batteries

Tensione, misure di corrente e modelli della batteria contribuiscono alla stima del SOC. Il bilanciamento modifica fisicamente la carica contenuta in gruppi selezionati; la calibrazione del SOC corregge la stima del BMS. Una variazione della percentuale visualizzata, da sola, non dimostra che sia stata redistribuita carica.

Quando avviene il bilanciamento e cosa può dedurre il conducente

La strategia di controllo determina quando il bilanciamento viene attivato o sospeso. Le condizioni possono comprendere la tensione dei gruppi, la differenza misurata tra essi, la temperatura e lo stato operativo del veicolo.

Il bilanciamento in alto allinea i gruppi vicino all’estremo superiore della finestra di carica; quello in basso li allinea vicino all’estremo inferiore. Questi termini descrivono il punto di allineamento. Passivo e attivo descrivono il meccanismo usato per modificare la distribuzione della carica. Gruppi con capacità diverse possono essere allineati a un’estremità e divergere mentre il pacco si sposta verso l’altra.

Un’implementazione documentata è Orion Jr. 2, un BMS per pacchi fino a 48 V nominali in veicoli leggeri e applicazioni stazionarie. Il manuale del 2018 descrive soglie di bilanciamento regolabili e raccomanda il bilanciamento in alto. Quello a metà o in basso può richiedere un controller esterno che segnali quando il bilanciamento deve funzionare. Ewert Energy Systems — Orion Jr. 2 BMS operation manual

Il 100% visualizzato indica il limite superiore della finestra di carica presentata al conducente, anziché il punto assoluto di carica completa di ogni cella, come spiegato in battery buffers and the operating window. Non rivela se siano state soddisfatte le condizioni necessarie né quanto tempo abbia funzionato il bilanciamento. Seguire le indicazioni di ricarica del veicolo specifico invece di adottare una routine universale di carica completa o scarica profonda. Il capitolo battery charging spiega i fattori distinti che determinano la velocità di ricarica e la sua progressiva riduzione.

Se un gruppo torna ripetutamente fuori equilibrio, la diagnosi deve stabilire se la causa sia deriva di carica, capacità ridotta, resistenza, temperatura o un problema di misura. Una lettura della dispersione di tensione è più utile insieme alle condizioni e alla storia che l’hanno prodotta. La perdita permanente di capacità è trattata in battery degradation.