Il Bilanciamento delle Celle Li-Ion

Il processo di carica di elementi posti in serie garantisce che siano attraversati dalla medesima intensità di corrente. Tuttavia non vi è la certezza che durante il suddetto processo i singoli elementi raggiungano, negli stessi tempi, lo stesso livello di carica: per questo è necessario intervenire direttamente su ciascun elemento per garantire una sufficiente omogeneità di trattamento.

INTRODUZIONE

I veicoli elettrici ibridi (Hybrid Electric Vehicles - HEV) sono diventati l’alternativa più valida e disponibile in commercio al motore a combustione interna standard (Internal Combustion Engine - ICE), offrendo i benefici di riduzione delle emissioni e consumi ridotti, pur mantenendo alte le prestazioni complessive del veicolo, come tempi di accelerazione, frenata, maneggevolezza e così via. Come è facile intuire, una parte fondamentale di tale sistema è la batteria di alimentazione che influisce notevolmente sulle prestazioni dell’intero veicolo. Quando si sviluppa un pacco batterie per applicazioni automobilistiche, devono essere considerati diversi vincoli, come il peso, le dimensioni e il contenitore, che vanno ottimizzati per affidabilità, costi, prestazioni e la capacità della batteria stessa. Ad oggi, la maggior parte degli HEV utilizzano batterie “nichel-metallo idruro” (NiMH) ma i veicoli elettrici (EV) hanno bisogno di batterie con un’energia significativamente più grande per raggiungere miglioramenti sulle emissioni e risparmio di carburante. Le batterie agli “ioni di litio” (Li-Ion) attualmente forniscono la soluzione migliore a questo problema. In tale ambito il “sistema di gestione della batteria” (Battery Management System - BMS) è una parte importante che protegge il sistema da danni, lo mantiene in una condizione operativa precisa e affidabile, predice e aumenta la durata della batteria. Il BMS svolge diverse attività quali la misurazione della tensione di sistema, corrente e temperatura, lo stato di carica della cella (“State of Charge” - SoC), lo stato di salute (“state of health” - SOH) ma anche la vita utile residua (Remaining Useful Life - RUL), la protezione delle celle, la gestione termica, il controllo della procedura di carica/scarica, l’acquisizione di dati, la comunicazione con i moduli esterni, il monitoraggio, l’archiviazione di dati storici e di bordo e, soprattutto, il bilanciamento delle celle. Quest’ultima funzionalità è di fondamentale importanza perché lo squilibrio delle celle è un fattore essenziale per la vita del sistema batteria; in assenza del sistema di bilanciamento, le tensioni delle singole celle tenderanno ad allontanarsi nel tempo, con una conseguente diminuzione della capacità totale, che diminuirà più rapidamente durante il funzionamento e il sistema di batterie fallirà prematuramente il suo scopo. Le cause degli squilibri tra le varie celle possono essere distinte in due tipologie:

  • cause dovute a fonti interne: di solito legate alla tolleranza delle caratteristiche fisiche ed elettriche delle batterie, che tra le altre cose includono la varianza di produzione, variazioni di impedenza interna e differenze nel tasso di auto-scarica;
  • cause dovute a fonti esterne: principalmente causate da alcuni circuiti integrati di protezione che drenano carica differente alle varie celle nel “pacco batteria”, la cui differenza termica genera diversi tassi di auto-scarica delle stesse.

In ogni caso si comprende bene come lo squilibrio della cella significa che la capacità di ogni batteria diventa differente nel tempo. Considerando le fonti interne, è noto che questo squilibrio è generalmente causato da un piccolo disallineamento del coefficiente di capacità di deterioramento e perciò dipendente dalla realizzazione della stessa cella. Anche se il rapporto di deterioramento della capacità e la resistenza interna sono ben controllate, dal punto di vista della tecnica di fabbricazione sono migliorate di molto, il piccolo effetto di disallineamento è comunque presente e aumenta gradualmente, influendo sulle prestazioni della batteria con il passare del tempo. Proprio per questa ragione, oggigiorno sono stati pensati e proposti vari metodi di bilanciamento delle celle. Vediamo prima le tipologie di bilanciamento per poi passare all’analisi di un integrato proposto dall’Atmel come soluzione a questo problema.

TIPOLOGIA DI BILANCIAMENTO

Come abbiamo già analizzato, in una batteria a celle multiple non esistono due celle identiche, ci sono sempre piccole differenze che possono essere nello stato di carica, nella caratteristica, impedenza e temperatura, anche tra celle dello stesso produttore e lotto di produzione; inoltre, tali differenze generalmente aumentano con la durata della batteria. I circuiti di bilanciamento delle celle sono in grado di eliminare in modo significativo questi disallineamenti con un conseguente aumento di efficienza, nonché una maggiore capacità complessiva e durata della batteria. Facendo riferimento alla Figura 1, si possono distinguere due grandi tipologie di bilanciamento, una passiva ed una attiva. I metodi di bilanciamento passivo rimuovono l’eccesso di carica dalle celle maggiormente cariche, attraverso una resistenza (elemento passivo), fino a quando la carica corrisponde a quella delle celle a carica inferiore; la corrente viene bypassata attraverso resistenze di bilanciamento e la scarica dell’energia viene dissipata sotto forma di calore. Dipendentemente dal resistore, se fisso o meno, si possono avere altre due sottocategorie come riportato in Figura 1.

Figura 1: tipologie di Bilanciamento

Figura 1: tipologie di bilanciamento

Il metodo di bilanciamento attivo, significativamente più efficiente, utilizza induttori o condensatori per spostare la carica tra le celle della batteria, senza “quasi” alcuna perdita d’energia per il trasferimento. I condensatori sono utilizzati per bilanciare le correnti inferiori a 50mA, mentre gli induttori possono essere usati per il bilanciamento di correnti fino a 1A. Dalla Figura 1, si possono evincere le varie tipologie e sottocategorie di questo metodo.

FUNZIONALITÀ E CARATTERISTICHE DEL DRIVER ATA6870

Tra i vari integrati presenti sul mercato per il bilanciamento delle celle nelle batterie multi-cella, l’Atmel propone l’ATA6870 come circuito di monitoraggio e misurazione, progettato appositamente per batterie Li-ion e NiMH multistack per veicoli elettrici (EV) ed ibridi (HEV). In Figura 2A è riportata la piedinatura di questo componente, con un contenitore QFN48 di dimensioni 7mm×7mm; mentre in Figura 2B è riportato il diagramma a blocchi semplificato, in cui si può notare che l’ATA6870 effettua il controllo della tensione e della temperatura delle celle, fornisce funzionalità di bilanciamento della carica per ogni cella e inoltre ha un regolatore lineare integrato per fornire alimentazione a un microcontrollore e/o ad altri componenti esterni. Infine può essere collegato in cascata con altri ATA6870 per gestire un numero elevato di celle, il limite di questa interconnessione è di 16 integrati e quindi 96 celle collegate in cascata in un’unica stringa ma il numero di stringhe non è limitato.

Figura 2: pinout ATA6870 (A) e diagrama a blocchi (B)

Figura 2: pinout ATA6870 (A) e diagrama a blocchi (B)

Il tutto porta sicuramente a una riduzione dei costi di sviluppo e tempi di progettazione. Le maggiori caratteristiche sono:

  • misure simultanee di temperatura e tensione delle celle mediante ADC a 12-bit;
  • bilanciamento della carica in parallelo per le single celle;
  • generatore integrato di alimentazione per microcontrollori e/o componenti esterni;
  • rilevazione di sottotensioni;
  • correnti si standby minori di 10μA;
  • timer e generazione di interrupt per il wake-up dei microcontrollori.

BILANCIAMENTO INDUTTIVO MEDIANTE ATA6870

Dopo una breve carrellata delle caratteristiche e funzionalità dell’integrato ATA6870, analizziamo più nel dettaglio il suo utilizzo nell’applicazione di nostro interesse. La Figura 3A mostra la circuiteria interna del ATA6870 che controlla il pin DISCHn, dedicato al pilotaggio di un transistor esterno adibito al bilanciamento della cella (cell-balancing); come si evince, internamente viene usato un transistor PMOS per applicare un valore logico alto al pin DISCHn, mediante il segnale TDISCH. Generalmente le porte dei transistor esterni vengono commutate tramite una tipica corrente di uscita di 1 mA. Per motivi di sicurezza, è previsto anche un resistore di pull-down integrato (RDISCH_PD) invece di un transistor di pull-down, questo assicura che il processo di bilanciamento venga interrotto quando l’integrato ATA6870 viene spento, evitando correnti parassite causate dai gate flottanti. A causa del controllo SPI (Serial Peripheral Interface) dei pin DISCHn, la frequenza di commutazione massima è fissata a 3kHz, in più per ottenere tempi di commutazione adeguati conviene prevedere un’ulteriore resistenza esterna RPD (visibile in Figura 3B) in parallelo alla RDISCH_PD interna. Se a questo punto si considera di applicare un bilanciamento induttivo, mostrato in Figura 3B, si ha il vantaggio di alte correnti di bilanciamento (maggiori di 100mA) fino ad arrivare a 1A, oltre al fatto che il bilanciamento è indipendente dalle tensioni della cella. Mediante l’utilizzo del ATA6870, si ha un pin DISCHn per il controllo della scarica delle celle, disponibile per ogni cella della batteria. Il concetto per trasferire l’energia da una cella alle sue celle vicine con carica inferiore è illustrato nella Figura 3B; in linea di principio, questo è un concetto modulare che può essere utilizzato per tutte le celle di una batteria. Si nota come un modulo, ad esempio quello per la “cella n”, è generalmente costituito da un transistor di commutazione (PMOS), un diodo (Dn) e un induttore (Ln). Per una pila di n celle, sono necessari n-1 moduli. Per analizzare il funzionamento, facciamo sempre riferimento alla Figura 3B, in cui si comprende rapidamente che quando il segnale di controllo DISCHn passa a un valore logico basso, allora il transistor PMOS della “cella n” è acceso e l’energia viene trasferita dalla “cella n” all’induttore Ln. Nel caso in cui il segnale di controllo DISCHn viene commutato a un valore logico alto, il transistor di commutazione PMOS è spento e il flusso continuo della corrente dell’induttore attraverso il diodo Dn-1 trasferisce l’energia immagazzinata nell’induttore Ln alla cella inferiore della batteria. Il trasferimento di energia è completato con leggere perdite causate dalla resistenza serie dell’induttore, dalla resistenza (ON) del transistor e dalla potenza dissipata attraverso il diodo. Per garantire che i transistor di commutazione esterni vengano attivati solo con un breve impulso, è raccomandato inserire un accoppiamento AC tra il pin DISCHn e il transistor, che può essere ottenuto con un condensatore (in Figura 3B indicato come Ccoup). In aggiunta a una tale configurazione, viene inserita una resistenza di sorgente del gate (RPUP) supplementare, che garantisce lo spegnimento sicuro del transistor quando non può essere fatto dal microcontrollore. Valori consigliati sono Ccoup=100nF e RPUP=100k .
A causa dell’accoppiamento AC, è raccomandabile utilizzare dei transistor con una tensione di soglia bassa (ad esempio gli Si5515CDC/Si5935CDC della Vishay ®). Come accennato in precedenza, conviene inserire una ulteriore resistenza RPD esterna in parallelo al DISCHn per ottenere tempi di commutazione adeguati, visibile in Figura 3B.

Figura 3: pin di pilotaggio DISCHn (A) e rete di bilanciamento (B)

Figura 3: pin di pilotaggio DISCHn (A) e rete di bilanciamento (B)

In più per minimizzare le perdite di trasferimento sono necessari transistor con una bassa RDS(ON) e induttori con una resistenza serie (RDC) molto bassa. Infine è raccomandabile utilizzare i diodi Schottky per la loro bassissima tensione di polarizzazione diretta. In Figura 4 viene mostrata la corrente attraverso l’induttore Ln per una configurazione di bilanciamento con un induttore 470 H e una frequenza di commutazione di 3kHz; il bilanciamento dalla cella n alla sua vicina cella inferiore cella n-1 è stato ottenuto con una corrente media di bilanciamento di circa 280mA e con una tensione della cella n di 4,0V. Il “canale 1” (C1) mostra il segnale di commutazione proveniente dal pin DISCHn; mentre il “canale 2” (C2) mostra la corrente di bilanciamento, con un valore di picco di circa 790mA. Con il concetto appena descritto è possibile trasferire la carica da tutte le celle di una batteria alle loro celle confinanti “inferiori”.

Figura 4: corrente attraverso l’induttore Ln nel bilanciamento induttivo

Figura 4: corrente attraverso l’induttore Ln nel bilanciamento induttivo

Tuttavia, se la cella che deve essere scaricata è la più in basso della pila, può essere applicato il “concetto trasformatore”, come mostrato nella Figura 5, in cui l’energia viene trasferita dalla “cella 1” che risulta carica, alla cella superiore nella pila della batteria (cella n).

Figura 5: bilanciamento con Trasformatore

Figura 5: bilanciamento con Trasformatore

Un’ultima considerazione è doverosa, nel caso in cui siamo in presenza di due integrati ATA6870 è possibile effettuare un bilanciamento a carico induttivo, come viene illustrato in Figura 6, in cui si notano due integrati collegati e viene mostrato come la carica può essere facilmente trasferita ad esempio, dalla “cella 7” alla “cella 6”, se necessario.

Figura 6: circuiti di bilanciamento induttivi tra due integrati ATA6870

Figura 6: circuiti di bilanciamento induttivi tra due integrati ATA6870

BILANCIAMENTO CAPACITIVO MEDIANTE ATA6870

Dopo aver analizzato il bilanciamento induttivo e aver visto che può essere utilizzato con correnti fino a 1A, possiamo affermare che il bilanciamento capacitivo è un metodo attivo economico, adatto per correnti medie fino a 50mA. Anche in questo caso i pin di pilotaggio DISCHn vengono utilizzati tramite l’interfaccia SPI del drive ATA6870 e la loro frequenza massima di commutazione è 3kHz. Le Figure 7A - 7B mostrano come la carica viene trasferita nel caso di bilanciamento capacitivo. In primo luogo, il condensatore CSHUFFLE è collegato in parallelo alla cella con la tensione più alta, viene caricato a questo livello di tensione e poi commuta in parallelo alla cella con la tensione più bassa. In questa condizione, carica la cella fino a quando la sua tensione è uguale a quella di partenza. Si comprende rapidamente come mediante la commutazione di questo condensatore (CSHUFFLE) tra le due celle, si riesce a trasferire la carica della cella con la tensione più alta a quella con la tensione più bassa. Maggiore è la differenza di tensione tra le celle, maggiore è la carica trasferita in un solo passo. Ci sono due coppie di transistor NMOS e PMOS adibiti al trasferimento di carica tra le due celle; i transistor PMOS collegano il condensatore CSHUFFLE alla cella superiore, mentre i transistor NMOS collegano il condensatore CSHUFFLE alla cella inferiore. Come è ovvio intuire, la direzione di trasferimento di carica è sempre dalla tensione più alta a quella più bassa, indipendentemente dalla posizione della cella. In Figura 7A è riportato il caso in cui le uscite DISCHx sono in uno stato logico basso e quindi i due PMOS sono attivi, mentre la Figura 7B riporta il caso in cui le uscite DISCHx dell’integrato ATA6870 sono in uno stato logico alto e perciò i transistor NMOS sono attivi e i PMOS sono disabilitati.

Figura 7: funzionamento del bilanciamento capacitivo (A-B)

Figura 7: funzionamento del bilanciamento capacitivo (A-B)

Sono raccomandati dei transistor esterni con bassa capacità gate-source (es. Si5504BDC sempre della Vishay) per limitare le perdite di commutazione causate dalla carica dei condensatori gate-source dei canali NMOS/PMOS; in più per garantire il corretto funzionamento on/off dei transistor è necessaria una resistenza da 10k di pull-down tra i pin DISCHn e MBATn. In Figura 8 si può vedere il comportamento del circuito con un condensatore da 100uF al tantalio e con frequenza di commutazione a 3kHz.

Figura 8: risposta di un bilanciamento capacitivo

Figura 8: risposta di un bilanciamento capacitivo

Le celle hanno una tensione dell’ordine 3.8V, con una differenza di circa 30mV e la carica equilibrata/bilanciata mediante la metodologia appena analizzata. Il “canale 1” mostra il livello di tensione del punto negativo del condensatore, mentre i canali 3 e 4 mostrano le correnti di bilanciamento delle celle. Infine un’ultima considerazione riguarda la possibilità di utilizzare questa tecnica di trasferimento di carica anche con più driver ATA6870 collegati, una possibile configurazione è riportata in Figura 9.

Figura 9: circuiti di bilanciamento capacitivi tra due integrati ATA6870

Figura 9: circuiti di bilanciamento capacitivi tra due integrati ATA6870

CONCLUSIONI

Come analizzato, il bilanciamento della carica nelle celle delle batterie di veicoli elettrici (EV) e ibridi (HEV) è un argomento di fondamentale importanza e fortunatamente ci sono varie soluzioni per gestirlo. In questo ambito si colloca l’integrato della Atmel, che semplifica di molto la complessità dell’argomento e permette una gestione semplificata del bilanciamento nelle varie tipologie di applicazione.

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2 Commenti

  1. ingino 13 Aprile 2020
  2. Mariangela.Mone Mariangela.Mone 13 Aprile 2020

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