1 Introduzione
1.1 Obiettivi della tesi
In questo lavoro di tesi verrà discusso l’utilizzo di batterie per consentire l’alimentazione di un veicolo elettrico; infatti, con l’aumento dei costi del petrolio, si sente sempre di più parlare di soluzioni al problema delle auto a combustione. Uno di questi riguarda proprio lo sviluppo di veicoli elettrici capaci di permettere un utilizzo ecosostenibile, indipendente e senza troppo peggiorare le prestazioni dell’autovettura.
Ma uno degli elementi che caratterizza il veicolo elettrico, e che spesso può ritenersi l’anello debole della catena in quanto può limitarne le prestazioni, facendo aumentare il peso del veicolo, il costo e perfino la sicurezza in determinate condizioni, è proprio la batteria. Pertanto con lo sviluppo di questo progetto si desidera creare un’interfaccia che permetta ad un utente di controllare lo stato di suddette batterie.
Questo costituisce il ruolo chiave di un Battery Management System, cioè il modulo più importante per il corretto utilizzo di un pacco batteria di celle al litio, in quanto monitora ed in opportuni casi, modifica le condizioni di funzionamento dell’accumulatore per migliorarne la vita utile e soprattutto la sicurezza.
Durante lo svolgimento di questa tesi, si farà notevole uso di una scheda di lavoro proveniente da STMicroelectronics, che ci permetterà di interfacciarci con le batterie; questa tesi, inoltre, fa parte di un progetto più ampio al quale partecipano come partner sia la stessa STMicroelectronics che l’Università di Pisa, oltre ad altre numerose aziende europee.
Il nome di tale progetto è POLLUX: il suo obiettivo principale è lo sviluppo di una piattaforma di sistemi embedded real time per migliorare e facilitare l’utilizzo della prossima generazione di veicoli elettrici.
Pertanto questa tesi non è altro che un piccolo lavoro all’interno di un progetto molto più ampio, e costituisce solo una piccola parte per arrivare a creare una completa macchina elettrica funzionante ed ottimizzata al meglio. Ma per far ciò, si deve partire da un corretto
utilizzo e funzionamento delle batterie ad essa collegate, per la realizzazione di un veicolo elettrico che lavori in piena sicurezza ed efficienza.
1.2 L’evoluzione delle celle al litio in campo automotive
Risulta utile introdurre brevemente le celle al litio, elencandone i difetti ed i pregi, dato che questa tesi verte sul loro utilizzo cercando di sfruttarle al meglio; confrontando le batterie al litio con i propri predecessori, si può senz’altro dedurre che sono stati risolti numerosi problemi come la scarsa densità energetica e problemi di riciclaggio, rapportato alle batterie al piombo, ed il problema di dover raggiungere elevate temperature di funzionamento come per le batterie al nichel.
Nella tabella sottostante si riporta una comparazione di massima tra alcune tecnologie di accumulo energetico oggi in commercio, in termini di energia e potenza specifica (misurate rispettivamente in Wh/Kg e W/Kg).
Pertanto gli accumulatori al litio rappresentano attualmente una delle fonti di energia autonoma con la maggiore densità di energia e con il minor impatto ambientale, non contenendo cadmio, piombo o mercurio.
Al momento le tipologie di batterie al litio presenti sul mercato sono prettamente due: Ioni di litio
Polimeri di litio
Le batterie a ioni di litio sono state le prime della nuova famiglia, e come suggerito precedentemente, hanno comportato un’alta densità di energia, una relativamente bassa corrente di auto scarica e hanno reso inutile la fase di prima carica prolungata. Dal loro canto, tuttavia, richiedono circuiti di protezione per poter mantenere i valori di tensione e corrente entro limiti di corretto funzionamento e sono soggette ad “invecchiamento” anche se non utilizzate.
Per quanto riguarda invece le batterie a base di polimeri di litio hanno come vantaggio il fatto di essere estremamente leggere e flessibile, per non parlare di una sicurezza migliore di quelle a ioni, in quanto più resistenti al sovraccarico. Però risentono di un costo maggiore e di una diminuzione dei cicli utili. legata ad una minore densità di energia.
Si può dire per certo che lo sviluppo delle batterie per mobilità elettrica hanno avuto un’evoluzione incentrata proprio sull’aumento della densità specifica di energia, a discapito tuttavia della sicurezza; è per questo che le batterie devono essere monitorate e controllate costantemente per verificare i loro stati di carica e la loro temperatura, proprio per evitare danni irreversibili.
1.3 Il battery management system (BMS)
Cerchiamo di analizzare la situazione riguardo le batterie ricaricabili per poi descrivere il ruolo di un generico sistema di gestione delle batterie, giusto per fornire un’idea del lavoro che ci si aspetta da tale BMS.
Dinamiche di batteria
Una batteria ricaricabile è in grado di convertire energia chimica in elettrica e vice versa, tramite ossidazione elettrochimiche e reazioni di riduzione. Se si volesse analizzare le caratteristiche di vita di una batteria nella sua integrità, si dovrebbe considerare che la tensione ai capi dei suoi terminali non è costante durante la sua scarica, ed assume un andamento non lineare. In più anche la capacità della batteria varia con il tasso di scarica ( più è alto più bassa risulta la capacità). Inoltre le batterie hanno un limitato recupero di carica sempre dovuto agli effetti del tasso di scarica: se ci fosse un’alta corrente di carica per un breve periodo di tempo, essa causerebbe una grande concentrazione di carica che andrebbe poi smaltita dalla cella, rendendo la restante carica presente nella cella inutilizzata per un lasso di tempo maggiore del normale. Infine, anche la temperatura ha effetti sulla resistenza interna e la piena capacità di carica, e più in dettaglio una più bassa temperatura fa aumentare la resistenza interna riducendo la massima capacità di carica.
Nonostante questi problemi, un malfunzionamento della cella è anche legato al deterioramento chimico e fisico inesorabile, che può essere anche aggravato e reso più veloce dagli elementi appena descritti. Questi guasti sono molto difficili da predire, ed in casi parecchio estremi possono condurre all’esplosione della cella, anche se ciò è impedito grazie ad un circuito di protezione che ferma l’eventuale aumento sconsiderato della corrente.
Il Battery-Management-System
Un generico BMS offre funzioni in grado di rendere ottimale l’utilizzo delle celle di batterie, come la loro fase di carica e di scarica e proteggendole in caso di usi impropri. Solitamente un BMS è costituito da una cella di batteria o un intero pacco,
un controllore che stima la condizione della batteria, compresi gli stati di carica e di salute, una unità di controllo in grado di gestire la carica/scarica in base a segnali di controllo; un termistore che misura la temperatura della batteria all’interno del package, un fusibile di temperatura in grado di interrompere il flusso di corrente se la centralina accusi un riscaldamento anomalo, un modulo di potenza in grado di caricare la batteria e di gestire eventuali sovraccariche (impedendo danni diretti alle batterie), un convertitore DC-DC che converte l’energia elettrica proveniente dal modulo di potenza in energia magnetica e di nuovo in elettrica con la più bassa alimentazione possibile. Occorre ricordare che tali convertitori risultano più efficienti nel caso in cui la tensione di ingresso risulti prossima a quella di uscita.
Motivazioni
Il caso che si deve prendere in considerazione riguarda un grande sistema di gestione delle batterie per applicazione complesse, come i veicoli elettrici, e che è in grado di gestire decine di migliaia di celle collegate in serie ed in parallelo. La nuova serie di auto elettriche che la General Motors sta producendo sono alimentate da una serie di batterie che consistono in un numero approssimativo di 12.000 celle di batteria, ognuna delle quali monitorata e controllata da una centralina, con circa 600 V di tensione di alimentazione. Esistono due principali motivi alla base di questo lavoro, innanzitutto il guasto di una singola cella può inibire il funzionamento dell’intero sistema di batteria. Sostituendo semplicemente la cella difettosa con una nuova non è un’opzione eseguibile, in quanto la nuova cella potrebbe facilmente
cortocircuitarsi. In secondo luogo riuscire a soddisfare le esigenze delle applicazioni sottostanti può causare un netto peggioramento relativo all’efficienza dei costi totali. Infatti nel caso di un auto elettrica sono presenti diversi terminali di uscita, pertanto a partire dai 600 V presenti nella singola batteria bisogna fornire i 12 V necessari per azionare applicazioni come i tergicristalli, il riscaldamento, ventilazione ed impianti di condizionamento. Non necessariamente tutte queste applicazioni dovranno essere attive simultaneamente, lasciando così inutilizzata una porzione di energia che potrà essere assegnata in caso di richiesta di maggiore potenza.
1.4 Lo stato dell’arte dell’architettura del BMS
La richiesta di veicoli elettrici con trazione ibrida è salita vertiginosamente negli ultimi tempi, a causa del costante aumento del prezzo della benzina. Tali autoveicoli sono alimentati dall’energia elettrica proveniente da decine di migliaia di celle di batterie, ciò si riflette nell’utilizzo di pacchi batteria in larga scala, e ciò consiste nella presenza di 12 celle connesse in serie ed in parallelo; sfortunatamente, tali batterie sono sensibili a guasti di una singola cella ed il battery management system non è in grado di prevenire tali malfunzionamenti. Per trovare una soluzione a tale problema, occorre avere una architettura che sia in grado di monitorare e controllare la situazione in tempo reale della batteria, ma anche di creare dei bypass delle celle guaste per non impedire l’utilizzo dell’intero pacco. Purtroppo ogni singola cella, nonostante faccia parte dello stesso pacco delle altre, opera in condizione rigide e non uniformi; questo ha ripercussioni sulla fase di carica/scarica di tutte le celle della batteria. Se infatti tutte le celle sono unite in serie, la presenza di una cella più debole può avere effetti cruciali sulle altre in due modi differenti: se raggiunge la sua carica massima abbastanza prima delle altre, rischia di sovraccaricarsi, mentre se non riesce a raggiungere una massima carica a causa della presenza di una forte auto scarica, il resto delle celle rischiano a loro volta di sovraccaricarsi.
La soluzione più comune a questo problema è costituita da una struttura a moduli, nella quale le celle sono raggruppate in piccoli moduli ognuno dei quali monitorato, controllato ed eventualmente bilanciato da un controllore locale, mentre uno di tipo centrale ha in mano la situazione di tutti i moduli presenti. Pertanto ogni electronic control unit (ECU) assume informazioni dei moduli posti immediatamente in serie al proprio riguardo tensione, corrente, temperatura ed altre caratteristiche; tali informazioni vengono inviate all’ ECU centrale che elabora tutti i dati ed è quindi responsabile del corretto funzionamento di tutti quelli locali. Nel caso in cui si verifichi un guasto su una singola cella, si può intervenire per mezzo di switch controllabili fatti in modo tale da isolare la cella mal funzionante per non infierire sul comportamento dell’intero pacco.
Ma questa risulta essere una soluzione valida solo per delle configurazioni di tipo statico, mentre per riuscire ad avere un approccio più dinamico occorre valutare due principali problemi: per prima cosa la struttura deve essere in grado di riconfigurare la connessione
delle batterie online, una volta appreso il malfunzionamento di una delle celle senza però intaccare il funzionamento corretto delle restanti celle e della batteria in generale; inoltre occorre considerare che, soprattutto in utilizzi su larga scala, ci possono essere un discreto numero di connessioni di uscita dalla batterie, in quanto tensioni intermedie possono essere utili a diverse dispositivi o applicazioni, ed il malfunzionamento di una cella potrebbe quindi creare problemi anche all’esterno della batteria.
Esiste però un certo tipo di struttura basata su meccanismi di bypass sintattici e semantici. Quelli di tipo semantici prevedono la riconfigurazione della connessione della batteria in caso di guasto di una cella tramite un bilanciamento della tensione presente nella catena di celle in serie della batteria in questione, mantenendo inoltre constante la tensione di alimentazione (ciò è identificata come politica di mantenimento della tensione costante). Al contrario, una politica dinamica cambia la tensione di alimentazione dei dispositivi o delle applicazioni online sottostanti. Queste due politiche sono applicate durante tutto il tempo di lavoro dell’intera batteria ( si intende il tempo di funzionamento della batteria finché essa non raggiunga un valore di soglia di scarica, risultando incapace di fornire tensione al carico) e ne estendono il periodo di funzionamento.
Per mezzo della politica dinamica si può ovviare al problema di tutte le connessioni entranti ed uscenti dalle batterie, in quanto tutta la batteria può essere configurata simultaneamente, anche se ciò comporterebbe una discreta flessibilità ed adattamento in fase di riconfigurazione. Inoltre, anche i dispositivi e le applicazioni sottostanti ne gioverebbero, in quanto è possibile partizionare e riallocare le sorgenti di potenza utili a tali dispositivi intervenendo nella riconfigurazione di diverse batterie.
Senza entrare troppo nel dettaglio riguardante i calcoli effettuati per il conseguimento di questi risultati, possiamo quindi sostenere che questa soluzione porterebbe dei miglioramenti per la gestione delle celle di batteria; ma come tutte le soluzioni, prevede dei compromessi. Infatti non si può escludere che anche la centralina possa avere dei guasti, oppure che non riesca ad analizzare al meglio il malfunzionamento di una delle celle, optando per una configurazione errata. In tal proposito sarebbe utile definire un numero ottimale di celle che la centralina debba monitorare, per non sovraccaricarla di lavoro e renderla efficiente in caso di guasti delle batterie. Inoltre, anche l’aggiunta di unità di
monitoraggio dei sensori, di fili e di interruttori controllabili può essere una fonte di errore, il che comporta l’utilizzo di materiali di ottima qualità che dal loro canto aumentano il costo del prodotto finale.
Mettendo da parte ciò di cui si è parlato riguardo l’architettura del BMS, si può anche spendere qualche parola per un altro problema che con la struttura di monitoraggio è particolarmente collegato: la comunicazione all’interno del BMS. Una delle soluzioni optate è quella di utilizzare dei CAN (Controller Area Network), cioè una rete di comunicazione seriale per il controllo distribuito in tempo reale. I bus di tipo CAN sono ampiamente utilizzati nel campo delle apparecchiature di controllo elettrico, in quanto diminuiscono di gran lunga il cablaggio e permettono un alto baud rate di comunicazione, oltre che ad essere altamente affidabili.
Ipotizziamo per esempio che nell’autoveicolo siano presenti 80 celle di batteria, divise in due contenitori a loro volta divisi in due moduli. I due contenitori, fissati sul fondo del corpo vettura, sono collegati tra loro per mezzo di un contatto. Ora, in ogni modulo, occorrerebbero diversi segnali di campionamento, e ciò comporterebbe, nel caso di una struttura basata su un BMS centrale, ad una moltitudine di fili che dovrebbero collegare il BMS principale con ogni modulo. Infatti, per monitorare in maniera corretta la batteria, saranno utili segnali per la tensione, per la temperatura anche in diversi punti del modulo e diversi altri.
Per ottimizzare questa comunicazione si è pensato di utilizzare un BMS basato sullo sviluppo di due bus di tipo CAN, per evitare l’eventuale disturbo tra i dati: un bus chiamato interno è usato per la comunicazione dentro il BMS e l’altro chiamato esterno per la
comunicazione con la centralina principale, che per semplicità chiameremo HCU (Head Controlling Unit).
Il BMS in questione è costituito da un modulo principale collocato nel contenitore posteriore e quattro moduli di campionamento situati in corrispondenza dei moduli di batteria. Questi quattro moduli campionano la tensione delle celle e la temperatura, ed i loro dati sono trasmessi per mezzo del bus interno. Il modulo principale, invece, riceve le informazioni relative alla batteria dal bus interno e campiona la tensione e la corrente dell’intero pacco batteria grazie ai sensori. Quindi, una volta stimato lo stato di carica SOC (State Of Charge) della batteria viene effettuata una gestione sicura della batteria in accordo con i dati forniti dal campionamento e dai sensori. Inoltre il modulo master è in grado di comunicare con il HCU o anche con un PC, se è presente una porta di tipo seriale, permettendo così un tipo di controllo online.
Anche in questo caso, si tralasciano le analisi dettagliate, che riguardano le caratteristiche dei dispositivi che devono far parte dei diversi moduli per ottimizzare al meglio la comunicazione ed il consumo di potenza. Si può certo concludere che una soluzione basata su bus di tipo CAN è in grado di ridurre sensibilmente la presenza di fili e risulta molto più semplice da installare, offrendo dei risultati altamente affidabili. Nel caso in cui si desideri approfondire il discorso, si può accedere all’articolo segnalato nel capitolo bibliografia e
