1. Introduzione
2.4. Il BMS Slave (MMU)
Il BMS Slave è il circuito che si occupa di monitorare e gestire il riscaldamento di un singolo modulo della batteria. Esso è dotato di dispositivi per monitorare le grandezze d’interesse, ovvero tensione e temperatura, e di un blocco d’elaborazione per controllare il riscaldatore e trasmettere i dati ottenuti al BMS Master.
2.4.1. Specifiche del BMS Slave
La batteria ZEBRA, a cui è dedicato il BMS progettato, possiede cinque moduli paralleli di venti celle collegate in serie. Ogni cella ha una tensione nominale di 2,6 V, a piena carica può raggiungere una tensione massima di 𝑉𝑐𝑒𝑙𝑙𝑀𝐴𝑋= 2,67 V, mentre la tensione minima è 𝑉𝑐𝑒𝑙𝑙𝑀𝐼𝑁 = 1,17 V[20]. Per progettare il BMS Slave sono stati scelti componenti al fine di soddisfare i seguenti requisiti
• Possibilità di misurare qualsiasi tensione in uscita dalla batteria
• Frequenze di campionamento sufficienti da seguire le dinamiche della batteria • Disporre di una risoluzione di tensione sufficiente da rilevare la rottura di una cella • Limitare la corrente assorbita dal circuito di misura
• Possibilità di misurare qualsiasi temperatura a cui si trova la batteria
• Disporre di una risoluzione di temperatura sufficiente a controllare il riscaldatore • Rendere idoneo l’intero circuito a lavorare a temperature ambiente elevate • Limitare il costo economico del circuito di misura
Da queste direttive, e dai dati sulla batteria ZEBRA, si può compilare la seguente tabella
Grandezza Simbolo Minimo Massimo Temperatura ambiente (°C) 𝑇𝑎 −40 100
Temperatura operativa della batteria (°C) 𝑇𝑐 250 350
Temperatura del sensore (°C) 𝑇𝑠 −70 400
Tensione misurabile della Batteria (V) 𝑉𝐻 23,4 53,4
Tensione d’Alimentazione Analogica (V) 𝑉𝐶𝐶 3 3,6
Tensione d’Alimentazione Digitale (V) 𝑉𝐷𝐷 3 3,6
Massima corrente assorbita (μA) 𝐼∗ 5
Risoluzione sulla tensione (mV) ∆𝑉𝑟𝑖𝑠 2
Accuratezza sulla tensione (mV) ∆𝑉 200 @23 °C 250 @60 °C Risoluzione sulla temperatura (°C) ∆𝑇𝑟𝑖𝑠 0,25
Il progetto prevede di monitorare una batteria di 52 V nominali fatta operare in un ambienta caldo (si suppone a 60 ÷ 80 °C ambiante). Ciò significa che tutti i componenti devono essere in grado di funzionare a temperature elevate (almeno oltre i 100 °C). Per minimizzare i costi, si è deciso di imporre 3,3 V come unico valore per l’alimentazione analogica e digitale dei vari componenti. La presenza di componenti che lavorano con alimentazioni diverse, infatti, richiede l’impiego di convertitori step-down che aumentano il costo e la complessità del circuito.
Il sistema di monitoraggio del BMS deve essere in grado di misurare la tensione della batteria a prescindere dello stato di carica (𝑆𝑂𝐶 ), per cui ci si può aspettare di dover misurare una tensione che va da 23,4 V a 53,4 V. Inoltre, deve possedere una risoluzione sufficiente a rilevare la rottura di una cella (nominalmente con potenziale 2,6 V). Quindi, ammettendo un errore di quantizzazione massimo dello 0,1% rispetto alla tensione di cella, e approssimando per difetto, si sceglie ±2 mV come risoluzione sulla tensione. Come accuratezza per la misura di tensione, si propone che il sistema presenti un errore inferiore allo 0,5% della tensione della batteria. Quindi, approssimando, si può impostare ±250 mV come tetto per l’accuratezza sulla misura di tensione. Il campionamento, infine, deve avere un sample rate sufficientemente elevato (almeno 100 Sample Per Second, SPS) adatto a seguire le dinamiche delle batterie che hanno bande di tensione e temperatura relativamente modeste, nell’ordine di 10 Hz.
Riguardo alla temperatura, i sensori utilizzati devono essere in grado di misurare la temperatura in un intervallo molto esteso, che va dalla tensione minima di funzionamento dei componenti elettronici ( −40 °C ) alla temperatura massima che la batteria può raggiungere. Poiché la batteria ZEBRA sopra ai 350 °C si deteriora rompendosi, si sceglie una temperatura massima misurabile di 400 °C. La risoluzione e l’accuratezza sulla misura di temperatura non sono molto critiche, per cui si sceglie un’accuratezza target indicativa di ±5 °C e una risoluzione indicativa target di ±1 °C.
Per il tempo di campionamento della misura di temperatura, si richiede che sia abbastanza piccolo da permettere al BMS di intervenire in tempo nel caso in cui la temperatura raggiunga valori pericolosi. Considerando che la batteria ha una capacità termica molto grande, tuttavia, si ritiene che una frequenza di campionamento di 10 ÷ 100 Hz sia più che sufficiente.
Per quanto riguarda il costo complessivo del circuito, l’obiettivo è di limitarlo il più possibile. Una batteria 48TL200 della FZSoNick, per esempio, costa intorno ai 10.000 €, ed il BMS incluso al suo interno si stima che possa costare all’incirca il 7% del costo della batteria, quindi 700 €. Per il BMS Slave si intende impiegare un budget leggermente inferiore a 30 €, per cui, considerando che ogni batteria possiede cinque moduli Slaves, il costo complessivo del BMS proposto, esclusa la parte del Master, sarebbe di 150 €. Aggiungendo il costo del BMS Master il costo potrebbe aumentare di qualche decina di euro, ma rimarrebbe comunque molto più contenuto rispetto a quello del BMS della 48TL200.
2.4.2. Schema del BMS Slave
Il compito di ciascun Slave è di raccogliere tutte le informazioni necessarie del modulo della batteria collegato e riferirle al Master, una volta digitalizzate.
Lo Slave si occupa pure di gestire il riscaldamento della stringa, mantenendola ad una temperatura target 𝑇∗. L’architettura complessiva di uno dei cinque Slaves ha il seguente aspetto
Figura 21 - Schema rappresentante il Battery Module, il BMS Slave e i sistemi connessi
Si può distinguere due stadi. Il primo stadio, lo Slave Measure Block (SMB), che racchiude i Voltage Dividers (VD), i buffers, ADC e TDC, acquisisce le informazioni su tensione e temperatura e le digitalizza. Il secondo stadio, composto dallo Slave Processing Block (SPB), riceve i dati digitalizzati e li invia al BMS Master. Lo SPB si occupa pure di azionare il riscaldatore (Heater).
La corrente è misurata e digitalizzata dal DC-DC Converter ed il suo valore è direttamente trasmetto al Master. Ogni BMS Slave è associato a un singolo modulo di cui si può distinguere il blocco delle dieci celle inferiori e il blocco delle dieci celle superiori. Il blocco Slave comunica con il BMS Master, inviandogli tutti i dati acquisiti su tensione e temperatura. Il BMS Master raccoglie queste informazioni, calcola lo stato di ogni modulo e decide di conseguenza quali moduli tenere connessi e quali disconnettere. Conoscendo la differenza di potenziale ai capi di ciascuno dei due gruppi di ogni modulo, l’algoritmo del BMS Master può essere eseguito per entrambi i gruppi, così da avere una stima dello 𝑆𝑂𝐶
Il progetto realizzato racchiude lo sviluppo dello SMB, che è stato progettato e fabbricato a livello hardware, e la programmazione dello SPB, di cui è stato scritto il firmware a livello software. Essendo la scheda dello Slave Measure Block (SMB) un prototipo, la parte di elaborazione è stata separata dal SMB utilizzando una scheda di valutazione, così da poter valutare la parte di acquisizione dati prima di unire sulla stessa scheda SMB e SPB, scegliendo un microcontrollore ad hoc.