Architetture di BMS in letteratura

Poiché una batteria solitamente non è composta da una singola cella ma da tanti moduli contenenti molteplici celle, sono presenti in letteratura più soluzioni per organizzare la gestione dei moduli (o celle).

Le architetture di Battery Management System (BMS) presenti in letteratura si distinguono in [16]:

• Architetture monolitiche • Architetture distribuite • Architetture semi-distribuite

Le architetture monolitiche concentrano il BMS in un unico blocco che svolge tutte le funzioni previste, mentre le architetture distribuite e semi-distribuite organizzano gerarchicamente i blocchi del BMS secondo la struttura Master-Slave. Essa consiste nella presenza di un circuito chiamato Master con capacità decisionale, e di un circuito denominato Slave che risponde ai comandi del Master. Il Master in un BMS è rappresentato dall’unità di elaborazione che valuta e regola il funzionamento della batteria comunicando con molti Slaves. Lo Slave in un BMS, invece, è la parte di circuito che acquisisce dati (tensioni, correnti, temperature…) e interviene nella regolazione delle funzioni di un singolo modulo della batteria, sotto gli ordini del Master.

Seguendo le definizioni descritte in letteratura [17], gli Slave sono Module Management Unit (MMU), poiché si occupano di gestire un singolo modulo associato, mentre il Master porta il nome di Pack Management Unit (PMU), dal momento che gestisce un intero gruppo di moduli, ovvero la batteria (o pacco batteria). Il BMS comprende il PMU e tutti i MMU e può essere diviso in più strati (layers). Lo strato più basso comprende i Cell Monitoring Unit (CMU) e si occupa di monitorare le singole celle. Tale strato è incorporato in quello intermedio, dove si trovano i MMU, che gestiscono tutto il modulo di CMU. I vari MMU sono infine gestiti dal PMU, che si trova sullo strato più alto.

1.4.1. Architetture monolitiche

Le architetture monolitiche sono più semplici ed economiche ma sono limitate dal numero di celle monitorabili. In queste architetture è presente un solo microcontrollore che si occupa di monitorare e controllare ogni cella del sistema. Il circuito di acquisizione, tuttavia, fissa dei limiti sul numero di celle supervisionabili, sia per l’interfaccia, sia per i Maximum Ratings sul livello di tensione a modo comune. Un gran numero di celle, infatti, implica la presenza di moltissimi collegamenti e di un livello di tensione a modo comune elevato sui capi delle celle in prossimità del polo positivo della batteria. Se tale numero è troppo grande, il 𝐵𝑀𝑆 può non disporre di sufficienti ingressi e può non essere compatibile con le tensioni da acquisire. Le architetture monolitiche sono, difatti, poco flessibili e difficilmente scalabili. [16]

Un tipo di architettura monolitica che si può trovare in letteratura è quello basato sul multiplexing degli ingressi. Essendo presente un unico circuito per monitorare tutti i moduli è possibile condurre i segnali di ogni cella al BMS impiegando dei multiplexers per regolare la selezione delle celle de monitorare.

Figura 14 - Multiplexing di celle condotte a un Amplificatore da Strumentazione (INA), posto in ingresso al BMS [18]

Tale architettura è molto economica e poco ingombrante ma dispone solo di un’unica unità di elaborazione che ha il ruolo di monitorare e controllare tutte le celle del sistema. Nel caso in cui il numero di celle sia elevato (o variabile), siano presenti molti segnali per ogni modulo o sia richiesta flessibilità, altri tipi di architetture sono preferibili.

1.4.2. Architetture distribuite

Le architetture distribuite sono caratterizzate da un elevato grado di modularità che garantisce una grande flessibilità, al costo di un elevato numero di componenti, e possiedono spesso una struttura Master-Slave. In una architettura distribuita, il dispositivo Slave di solito è integrato con il modulo della batteria e la maniera in cui il Master è connesso agli Slaves può essere di varia topologia. [19]

• Stella: tutti gli Slaves sono collegati al master direttamente. Master e Slave comunicano direttamente.

• BUS: il Master e gli Slaves sono tutti collegati tramite un BUS a comune. La comunicazione richiede l’utilizzo di indirizzi poiché ogni circuito condivide gli stessi collegamenti.

• Anello (Daisy-Chain): gli Slaves sono connessi in cascata e il master è connesso all’ultimo Slave della serie. La comunicazione è ottenuta con il passaggio dei dati da Slave a Slave lungo la cascata, fino al Master.

• Ibrida: combinazione delle altre topologie menzionate. Consiste nella presenza di cascate di Slaves multiple collegate al Master in parallelo tramite un BUS o un collegamento diretto.

Master e Slave parlano tra loro con un protocollo di comunicazione che, a seconda della tipologia, può essere di vario tipo (SPI, I2C, CAN, RS-232, Ethernet…) per scambiarsi comandi e informazioni.

Un esempio di architettura distribuita Master-Slave con BUS condiviso basato sul protocollo Control Area Network (CAN) è il seguente

1.4.3. Architetture semi-distribuite

Le architetture Semi-Distribuite rappresentano compromesso tra le architetture monolitiche, rispetto a cui sono più flessibili, e le architetture distribuite, rispetto a cui impiegano un numero minore di componenti. Esse presentano generalmente la stessa struttura Master-Slave (in una delle sue topologie) delle architetture distribuite ma non integrano gli Slaves assieme ai moduli della batteria. [16]

2. Soluzione proposta di BMS

Per il sistema è stata scelta un’architettura distribuita con gerarchia a due livelli di tipo Master-Slave, poiché si preferisce una soluzione flessibile rispetto al numero di moduli della batteria. Inoltre, il numero di segnali da gestire, comprendendo riscaldatore, sensori di temperature e terminali elettrici, è elevato per un’architettura monolitica.

2.1.

Descrizione generale

Il BMS che si vuole proporre è costituito da un blocco Master in comunicazione con cinque blocchi Slave e il convertitore DC-DC. Ogni BMS Slave è quindi associato a un modulo di celle. Ogni Slave ha il compito di misurare la tensione di mezza stringa, la tensione sul polo positivo e la temperatura delle celle. In più, ogni Slave si occupa di attivare o disattivare il riscaldatore, in modo da mantenere una temperatura adeguata al funzionamento della batteria. La misura della corrente non è fatta dallo Slave poiché già effettuata dal convertitore DC-DC, che per funzionare richiede la conoscenza di tale dato. Visto che il BMS Master e il convertitore sono in comunicazione, l’informazione sulla corrente può essere facilmente condivisa, risparmiando allo Slave il compito di effettuare a sua volta la misura. All’interno del BMS Slave, può essere inoltre incluso un sistema per bilanciare la tensione tra i due gruppi di celle.

Il BMS Master si occupa di controllare tutti gli interruttori (tra cui il teleruttore), di stimare il numero di celle ancora funzionanti, e di computare l’algoritmo con cui si determinano i parametri interni del modulo di celle, 𝑆𝑂𝐶 e 𝑆𝑂𝐻 . Gli Slave possono comunicare continuamente i dati acquisiti al Master, così che quest’ultimo possa usarli nella computazione del suo algoritmo per ogni modulo. Il blocco Master può decidere, intervenendo con degli interruttori, se staccare per motivi di sicurezza alcuni moduli di celle oppure no. Ciò può essere necessario qualora siano presenti dei moduli in cui si è rotto un numero eccessivo di celle o sia presente una temperatura inadeguata.

Quando le condizioni di funzionamento sono sicure, il BMS deve far sì che la batteria alimenti il carico se la rete elettrica è inattiva (o guasta).

Il BMS si occupa pure di regolare la corrente che scorre in ciascun modulo controllando un convertitore DC-DC. La regolazione delle correnti è attuata in modo sia da equalizzare il più possibile lo 𝑆𝑂𝐶 dei vari moduli, sia da ricaricare (o scaricare) le stringhe evitando una corrente eccessiva. È desiderabile che il BMS ricarichi la batteria con la corrente maggiore possibile, impiegando minor tempo, senza che questa si sovraccarichi.