3.2 L’architettura hardware del BMS
3.2.1 Le Module Management Unit – MMU
La MMU è il livello gerarchico più basso dell’architettura del BMS per PROTONE. È dotata di un battery monitor della Texas Instruments, il bq76pl455. Tale barrery monitor può misurare fino a 16 tensioni di cella e dispone di un elaborato meccanismo di comunicazione con il quale è possibile interconnettere fino a 16 chip tra di loro garantendo un’ottima modularità. Grazie a questo integrato è possibile misurare da 6 a 16 tensioni di celle e fino ad un massimo di 8 tensioni analogiche ausiliarie che, nel progetto, vengono utilizzate per misurare 8 punti di temperatura [13]. Come
acquisiti con un partitore resistivo. Inoltre, il chip ha a disposizione 6 canali di tipo digitale che è possibile usare come ingresso o uscita. Le tensioni acquisite dal chip sono campionate e convertite in digitale da un Convertitore Analogico-Digitale (ADC) di tipo sigma-delta a 14 bit [13]. È possibile
effettuare il sovracampionamento in due modalità diverse e fino ad un massimo di 32 campioni sui quali il chip effettua una media e restituisce essa come risultato del campionamento [13].
Questo integrato dispone dell’hardware necessario per poter effettuare un bilanciamento di tipo passivo delle singole celle del modulo [13]. Il circuito di
bilanciamento di ogni cella è schematizzato di seguito in fig. 15.
Fig. 15 – Circuito di bilanciamento della macro-cella i-esima
Esso consente di connettere ai terminali di prelievo della tensione di ogni cella una resistenza di bilanciamento tramite l’attivazione di un MOS. Il chip controlla l’attivazione delle resistenze di bilanciamento soltanto sotto opportuno comando che riceve dalla SMU.
Il chip è, inoltre, in grado di individuare autonomamente se le grandezze misurate si trovano all’interno di determinati range configurabili dalla SMU
tramite opportuni comandi. In particolare, sia per le tensioni delle celle che per le tensioni ausiliarie è possibile configurare delle soglie con le quali il chip confronta i campioni già convertiti dei rispettivi canali. L’ eventuale fenomeno di fuoriuscita dai range attiva un flag in un registro di errore che può essere letto dalla SMU. Per le tensioni delle celle, il chip dispone anche di 32 comparatori analogici integrati nel suo Analog Front End (AFE). Essi effettuano un preliminare confronto analogico delle tensioni delle celle con dei valori di soglia che possono essere configurati in maniera indipendente dalla SMU. Anche questi controlli preliminari, se verificano un evento, attivano un flag in un registro di errore dedicato che può essere letto dalla SMU [12] ma a differenza dei primi il loro intervento è innescato da un
meccanismo hardware indipendente dal sistema di controllo digitale del chip.
Tutti gli eventi di errore che si possono manifestare in un modulo vengono registrati e sono leggibili dalla SMU tramite apposito comando. Inoltre, possono, se il chip è opportunamente configurato, abilitare un segnale fisico di errore, chiamato FAULT_N, che può essere utilizzato dalla SMU come sorgente di un’interruzione che andrà ad agire opportunamente per salvaguardare lo stato della batteria [13].
Ogni chip bq76pl455 può comunicare con altri due di essi tramite due interfacce di comunicazione differenziali isolate, secondo un’architettura a daisy chain. Dunque, è possibile realizzare una catena di moduli che parlano tra di loro, per un massimo di 16 moduli. La configurazione della daisy chain è curata dal microcontrollore che comunica con solo uno dei moduli della catena, quello più in basso che chiameremo modulo zero, con un’interfaccia UART non isolata. Quindi, quando l’SMU interroga la daisy chain lo fa attraverso il modulo zero. Il messaggio si propaga attraverso la chain fino ad arrivare al modulo desiderato che eseguirà il comando e, nel caso sia prevista, ritrasmette indietro alla SMU la risposta che si propagherà tramite tutti i
moduli intermedi. I moduli nella chain sono “slave” nel senso che comunicano sono in risposta ad un comando esterno. Per questo motivo la chain comprende un’ulteriore linea di comunicazione monodirezionale verso il basso. Questa è una linea differenziale di propagazione di eventuali fault che si verificano lungo la catena. In condizioni normali ogni modulo trasmette su questa linea un segnale digitale a frequenza di 10 kHz al modulo precedente. In caso di fault il modulo non trasmette tale segnale, quindi, il modulo sottostante riconosce il fault e lo propaga interrompendo la generazione dello stesso segnale verso il modulo precedente. In questo modo qualsiasi fault che si verifichi nella daisy chain produce un effetto che si propaga fino al modulo zero che abilita il segnale fisico di FAUL_N precedentemente descritto [13].
Infine, ma non meno importante, è l’alimentazione delle MMU. Esse, sono alimentate direttamente dalle celle del modulo che monitorano. Per questo motivo la comunicazione in daisy chain è isolata su bus differenziale, in modo da disaccoppiare la componente continua che, diversamente, andrebbe in cortocircuito con la componente continua dei moduli adiacenti. In particolare, i singoli moduli sono separati capacitivamente su ogni linea da un condensatore in serie, come mostra la fig. 16, presa dal datasheet del chip.
La gestione della potenza assorbita dalle MMU è stato un aspetto piuttosto critico in fase di sviluppo del BMS. Trattandosi di una batteria per imbarcazione da trasporto fluviale civile è possibile che la barca resti ferma in porto ormeggiata per un lungo periodo, che può durare anche diversi mesi. Questo significa che, in una situazione del genere, il BMS dovrà necessariamente adottare una politica di risparmio energetico, evitando che lo stack monitor, collegato perennemente alla batteria, possa scaricarla a tal punto da mandarla in una condizione di sotto-scarica, danneggiandola irreversibilmente. Di seguito nella tabella di fig. 17 elenchiamo gli assorbimenti tipici del chip [13]:
Condizione di funzionamento TYP Corrente assorbita in IDLE con comunicazione in corso 8 mA Corrente assorbita in IDLE ~ 5,4 mA Corrente assorbita in SHUTDOWN 22 μA
Fig. 17 - Tabella degli assorbimenti di corrente del chip monitor dalla batteria nei vari stati di funzionamento:
IDLE: chip attivo, pronto per comunicare ma senza comunicazione in corso SHUTDOWN: chip in modalità test, nessuna comunicazione, tono di wake sulla linea di comunicazione COMM DIFF HIGH spento, heartbeat di FAULT spento
Una cella agli ioni di litio NMC, come quelle impiegate nella costruzione della batteria del progetto PROTONE, in condizioni normali subisce una auto- scarica stimata del 3% ogni mese. Questo comporta una corrente equivalente di auto-scarica costante di circa 104 μA. La batteria del progetto PROTONE è composta da macro-celle, che sono il risultato di 7 celle connesse in parallelo; dunque la corrente equivalente di auto-scarica complessiva è di circa 730 μA. In una situazione in cui il BMS venisse spento, senza però spegnere lo stack monitor, l’assorbimento totale di un modulo sarebbe di circa 5,4 mA, più di 7 volte della corrente di auto-scarica tipica della batteria. È chiaramente una
situazione pericolosa perché andremmo ad aggiungere all’auto-scarica della batteria, una corrente costante ed elevata che comporterebbe un complessivo tasso di scarica della batteria di circa il 25% al mese. Per risolvere questo problema è necessario mandare ogni chip in modalità shutdown tramite l’attivazione di una sequenza di operazioni da parte della SMU, che comprende anche l’utilizzo di un segnale fisico chiamato WAKEUP.
Di seguito possiamo vedere in fig. 18 uno schema a blocchi del MMU.
Fig. 18 – Schema a blocchi delle Module Management Unit
Ogni scheda MMU è stata realizzata a partire dallo schematico della Evaluation Board del chip bq76pl455 presente nel documento [14]. Grazie alla flessibilità della evaluation board del chip monitor utilizzato, è stato possibile adattare tale scheda all’applicazione di questo progetto, velocizzando la fase di implementazione del firmware e la fase di test. Di seguito, in fig. 19, proponiamo un’immagine della scheda sopra citata.
Fig. 19 – Evaluation board del chip bq76pl455 utilizzata come MMU