PARAMETRI FISICI

Lo scopo principale di un BMS è quello di monitorare i parametri fisici della batteria quali: • Tensione delle celle del pacco batteria.

• Corrente del pacco batteria. • Temperatura delle singole celle.

Il BMS deve garantire il controllo di questi tre parametri che, in caso di scostamenti dai valori operativi, potrebbero produrre dei guasti al pacco batteria arrivando a causare, nella peggiore dell’ipotesi, possibili esplosioni pericolose per gli utenti che ne usufruiscono. Il rispetto di tali valori permette alla cella di operare nella propria Safe Operating Area (SOA).

2.1.1 Monitoraggio tensione di cella

Il monitoraggio delle tensioni di cella è una prerogativa principale di ogni BMS.

Come riportato nel capitolo 1 la cella agli ioni di litio presenta dei valori tipici di undercharge e overcharge. Questi valori devono essere rispettati per evitare reazioni chimiche non controllabili che causerebbero seri danni alla cella stessa [24] [33].

Il BMS ha il compito di segnalare quando si presentano tali condizioni e, nei BMS più avanzati, effettuare procedure di carica o di scarica per garantire il rispetto di tali range.

Infine, come già accennato nel capitolo 1, in caso di specifiche necessità è possibile effettuare collegamenti misti, serie e parallelo, così da aumentare sia la tensione nominale sia la capacità del pacco batteria. Questo comporta un aumento della complessità della struttura del BMS.

2.1.2 Monitoraggio corrente di batteria

Un altro aspetto fisico che deve essere tenuto sotto osservazione è la corrente del pacco batterie e in questo caso i motivi sono due.

Il primo motivo è dovuto all’aspetto della sovracorrente che si può suddividere in ulteriori due casi. Un caso è il cortocircuito: una cella a ioni di litio presenta una resistenza interna estremamente bassa questo comporta che, in caso di cortocircuito, il pacco possa fornire in uscita una corrente pari a

𝐼𝑏𝑎𝑡𝑡 =

𝑉𝑏𝑎𝑡𝑡

∑ 𝑅𝑐𝑒𝑙𝑙𝑎

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realizzando così una situazione di pericolo. In questo caso viene previsto un fusibile in serie all’uscita del pacco così che, in caso di cortocircuito, il fusibile possa interrompere l’erogazione di corrente.

L’ulteriore casistica che riguarda la sovracorrente risiede nel fatto che: nelle celle a ioni di litio, come nella cella Winston LFP060AHA, se scorre una corrente eccessiva la cella può subire danneggiamenti e avere così ripercussioni su tutto il sistema. Secondo il datasheet le celle Winston LFP060AHA possiedono l’esigenza di limitare la corrente in scarica a 600 A per 10 s e in carica a 180 A, rispettando queste soglie la cella non si rovina [32]. Allora, in caso di sovracorrente, il BMS deve sospendere il flusso di corrente nella batteria. Il secondo motivo è dovuto alla conoscenza del valore di corrente erogata o assorbita che è di estrema importanza. Prendendo in esempio la scarica di una batteria, se si conosce la corrente erogata si può risalire a quante cariche sono state erogate e quindi, nel caso iniziale di batteria carica con carica massima nota, è possibile ricavare a quale percentuale di Stato di Carica (SoC) si trova la batteria.

Mentre per il primo motivo il sistema non necessita di precisione nella lettura di corrente, ma solo di capire il superamento di una soglia fissata, per il secondo scopo è necessario che il sensore di corrente sia preciso in quanto la carica è in funzione del flusso di corrente.

Si riportano le due grandi tipologie di sensori di corrente presenti sul mercato:

• Sensori basati su resistenze di shunt [34]. La corrente da misurare viene fatta passare in una resistenza di valore molto basso e preciso, realizzata con dei materiali aventi una resistività elettrica non dipendente dalla temperatura. La corrente che scorre nella resistenza crea ai suoi capi una caduta di potenziale

proporzionale alla stessa corrente da misurare; così viene valutato il modulo e il segno di questo potenziale risalendo al valore di corrente e al verso.

Per una misura più accurata ed indipendente dalle resistenze di contatto si effettua una misura a 4 punti. Questi sensori sono realizzati con materiali, come la costantana (lega rame nickel), che sottoposti a un gradiente termico garantiscono basse variazioni di resistività. Questa tecnica di misura è semplice ma richiede un circuito dedicato per il condizionamento del segnale; inoltre questa tipologia di misura condiziona il circuito in cui si vuole misurare la corrente.

• Sensori ad effetto Hall [34]. Sono dei sensori che sfruttano l’effetto Hall di alcuni materiali per cui un campo magnetico induce ai capi del materiale una differenza di potenziale in direzione ortogonale al campo e proporzionale al campo stesso. Se il campo è quello generato da una corrente, la differenza di potenziale indotta ai capi del materiale sarà proporzionale alla corrente. Questo tipo di sensori hanno il privilegio di essere isolati galvanicamente dal circuito sottomisura, a differenza dei precedenti basati su shunt resistivo. Per contro, la precisione di misura dipende da quanto il flusso del campo magnetico generato dalla

corrente viene convogliato all’interno del sistema di misura.

2.1.3 Monitoraggio delle temperature di cella

La temperatura è il terzo parametro fisico che richiede di essere controllato. Se una cella supera la temperatura massima operativa si innescano, al suo interno, delle reazioni chimiche non reversibili che la renderebbero nella migliore dell’ipotesi inutilizzabile e nella peggiore incline a esplosioni (come già precisato nel capitolo precedente) [35]. Nel caso che la temperatura diminuisca così da superare la temperatura minima operativa il problema si focalizza nella carica. Infatti, durante la carica a basse

temperature gli ioni di litio, invece che inserirsi come interstiziali nello strato di grafite, creano uno strato di metallizzazione nella grafite stessa che porterebbe come minimo ad una riduzione di capacità e nella

33 peggiore dell’ipotesi a cortocircuitare la cella.

Tuttavia, il BMS, tramite dei sensori di temperatura, controlla le temperature delle celle del pacco batterie e nel caso di fuoriuscita dai range operativi di temperatura si preoccuperà di adottare delle soluzioni opportune per evitare l’innesco delle reazioni chimiche irreversibili, come interrompere il flusso di corrente.

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