CAPITOLO 3 IMPLEMENTAZIONE DEI MODELLI PREDITTIVI E DEI MODELLI PER LA GESTIONE OTTIMALE DE
3.3 U TILIZZO DELLO STORAGE E GESTIONE DEGLI SBILANCIAMENTI
3.3.5 Prove effettuate presso il Dimostratore Domus e caratterizzazione dello Storage
3.3.5.2 Caratterizzazione del sistema di accumulo
Il sistema di accumulo utilizzato è un sistema Li-Po di tipo NMC. Tale tipologia di accumulo rappresenta una delle migliori tecnologie che utilizza ioni di Litio. Il mix nichel-manganese garantisce sia elevate prestazioni in termini di energia specifica che di stabilità: infatti mentre il nichel ha elevate prestazioni in termini di energia specifica ma ridotte proprietà di stabilità, il manganese ha elevati benefici strutturali ma ridotta energia specifica, il loro mix garantisce prestazioni sia a livello di energia specifica che di stabilità. Inoltre, riuscendo ad utilizzare una ridotta quantità di cobalto, si riescono a ridurre notevolmente i costi associati ai materiali catodici. La differente combinazione dei materiali catodici consente di ottenere differenti prestazioni in funzione delle esigenze. Generalmente tali sistemi di accumulo hanno elevate prestazioni in termini di energia specifica, pur riuscendo a garantire prestazioni medie in termini di potenza specifica, sicurezza, vita utile, e costi. In Figura 103 vengono riportati i diversi parametri prestazionali riguardanti il sistema di accumulo analizzato, riuscendo ad osservarli contemporaneamente [72]; l’energia specifica è maggiore di 220 Wh/kg, la corrente di scarica può arrivare fino a 2C-rate, una vita utile anche pari a 2000 cicli.
Figura 103 Parametri prestazionali batterie NMC
Il Sistema di accumulo utilizzato è costituito da due cluster di capacità pari a 53 Ah e tensione pari a 222 V; ogni cluster è costituito da tre differenti moduli, di tensione pari a 74 V, collegati in serie; ogni modulo
156 è costituito da 20 celle. Le diverse celle che costituiscono il modulo vengono controllate sia per quanto concerne la temperatura che la tensione, in modo tale da mantenerne equilibrate le tensioni. La corrente massima di scarica è pari a 200 A, mentre quella di carica a 50 A. Inoltre viene monitorata sia la tensione complessiva dei differenti moduli che quella dell’intero cluster, in modo tale da mantenerli sempre in perfetto equilibrio. Viene inoltre calcolato e monitorato lo stato di carica dei singoli moduli e quello complessivo del cluster.
Tali variabili sono controllate e calcolate da un Battery Management System (BMS) interno al cluster, il quale effettua le diverse operazioni per la salvaguardia dell’accumulo e la sicurezza generale. Esso comunica con le diverse celle e con l’esterno attraverso protocollo di comunicazione CAN-Bus; il segnale messo a disposizione viene opportunamente convertito (attraverso un Single Computer Board) per renderlo disponibile anche secondo altri protocolli di comunicazione, ad esempio attraverso il protocollo Mod-bus, che è quello impiegato per la comunicazione con la nanogrid che gestisce il sistema di accumulo. Inoltre viene anche data la possibilità di modificare alcuni parametri di riferimento propri del sistema di accumulo, in modo tale da permetterne il funzionamento anche in condizioni differenti di lavoro.
Di seguito vengono riportati i principali parametri monitorati e controllati dal BMS, nonché delle soglie entro le quali tali parametri possono variare.
Per salvaguardare la sicurezza del sistema di accumulo vengono monitorate diverse temperature all’interno del cluster, nel caso particolare vengono utilizzate 7 variabili corrispondenti ai rispettivi sensori, inoltre di tutti tali valori misurati ne viene calcolato il valore minimo e massimo. Tali variabili sono vincolate tra un valore minimo e massimo sia per la fase di carica che di scarica; sebbene tali valori possano essere variati in base alle esigenze particolari, come valori di default sono così classificate: temperatura di carica minima e massima pari rispettivamente a 0 e 55 °C, temperatura massima e minima di scarica pari rispettivamente a -20 e 65 °C, temperature di warning 5 °C in meno o in più della temperatura massima o minima rispettivamente. Parametro molto importante da tenere sotto controllo per la salvaguardia del sistema di accumulo e per garantire dei margini di sicurezza è la tensione di cella. Sono infatti definiti i seguenti parametri: tensione assoluta minima per la cella, tensione massima assoluta per cella, tensione di warning minima per cella e tensione di warning massima per cella, tali parametri sono posti come valori di default pari rispettivamente a 2.9 V, 4.23 V, 3.3 V, 4.21 V. Qualora il sistema di monitoraggio e gestione dell’accumulo misuri una tensione superiore o inferiore rispettivamente a quella massima assoluta o minima assoluta, viene bloccato il sistema di accumulo in maniera definitiva per cui non può essere più utilizzato a meno che non si sblocchi il sistema di accumulo forzatamente. Mentre sono definite due tensioni massima e minima per le quali il sistema interviene in maniera provvisoria, interrompendo momentaneamente la fase di carica/scarica dell’accumulo; tali tensioni sono poste di default pari a 4.2 V e 3.2 V. Come noto la carica del sistema di accumulo avviene in due fasi, una a corrente costante e una a tensione costante; viene quindi definita la tensione di cella alla quale bisogna ridurre la corrente di carica, essa è pari a 3.95 V.
Per consentire un corretto funzionamento del sistema di accumulo, soprattutto per effettuare la carica corretta delle celle collegate in serie, necessita che esse siano bilanciate e che non si abbia quindi una cella ad
157 una tensione eccessivamente maggiore dell’altra per evitare che le stesse si danneggino, qualora la tensione diminuisca o aumenti eccessivamente; per tale ragione viene definita una tensione pari a 0.05 V che indica la differenza di tensione tra celle a cui si deve necessariamente giungere a seguito del bilanciamento.
La corrente massima di carica è anche un parametro che viene definito anche qualora la batteria risulti essere carica: in particolare è pari a 1C e 0.05C quando la batteria non è carica e quando la batteria è carica.
Per effettuare tali controlli, per ogni cella viene misurata la tensione la tensione istantanea e confrontata con i parametri definiti in precedenza, la variabile che tiene in conto tale informazione è denominata “fvc_n”, dove con “_n” si indica la cella a cui la tensione viene riferita.
Per quanto riguarda il calcolo dello stato di carica, sono diversi i parametri che entrano in gioco; anzitutto viene monitorato lo stato di carica del sistema di accumulo attraverso il rilevamento con i sensori di corrente ad effetto Hall e attraverso la misurazione della tensione delle celle. Sono definite delle tensioni massima e minima di calcolo del SOC, rispettivamente pari a 4.15 e 3.20 V. Vi è inoltre un parametro utile a definire lo stato di carica delle batterie che si riferisce alla quantità di carica presente; è utile a definire lo stato di carica nelle condizioni iniziali. Tale parametro (Qsum) si può impostare ad un valore determinato a partire dalla tensione delle celle (attraverso una opportuna tabella), altrimenti si esegue la carica completa, impostandolo ad un valore pari a “190800”.
Oltre a monitorare lo stato delle singole celle, viene anche monitorato lo stato, la tensione e lo stato di carica, dell’intero blocco a cui la batteria appartiene. Viene fornita la tensione massima e minima di cella della lane (cluster) a cui la batteria appartiene (rispettivamente lane_tens_max e lane_tens_min), la tensione totale attuale della lane a cui la batteria appartiene (lane_tens_tot_act), corrente misurata nella lane a cui la batteria appartiene (lane_fiTtot), analogamente vengono rilevate le grandezze del blocco a cui la batteria appartiene.