Utilizzo di monitor avanzati delle batterie, bilanciamento delle celle e isolamento I/O per progettare un core BMS robusto

Le batterie ricaricabili sono fondamentali in un sistema di immagazzinaggio dell'energia a batteria (BESS), con varie composizioni chimiche sempre più combinate e utilizzate in decine, centinaia e persino migliaia di celle per garantire un funzionamento più efficiente a tensioni più elevate. Per i progettisti di un sistema di gestione della batteria (BMS), questa configurazione presenta diverse sfide all'ottenimento di prestazioni, efficienza, affidabilità e sicurezza ottimali.

Ad esempio, la progettazione o la selezione dei circuiti integrati (CI) necessari per soddisfare tali esigenze richiede una profonda conoscenza delle caratteristiche chimiche delle batterie, delle tecniche di ricarica, monitoraggio, bilanciamento del carico, isolamento, sicurezza e comunicazione per un'implementazione efficace.

Per aiutare ad affrontare queste sfide, i fornitori hanno integrato molte delle funzioni necessarie in CI specializzati, in gran parte indipendenti dal processore. Molti di questi supportano diverse composizioni chimiche delle batterie al litio, nonché celle non al litio, che raccolgono i dati delle celle della batteria e prendono decisioni e azioni ottimali in tempo reale per la gestione della batteria. Inoltre, forniscono al processore del sistema dati relativi allo stato e alla condizione delle celle.

Questo articolo offre una breve panoramica dei requisiti specifici dei gruppi di batterie multicella. Presenta quini sofisticati CI ottimizzati e specifici per applicazioni di Analog Devices e ne descrive l'utilizzo per soddisfare tali requisiti.

I gruppi con un elevato numero di celle comportano ulteriori sfide

Lo schema elettrico di base di una batteria, composto da numerose celle disposte in serie per ottenere una tensione più elevata e in parallelo per ottenere una corrente maggiore, è apparentemente semplice. Ciò implica che la disposizione è semplicemente un'estensione di un gruppo di una o poche celle che richiedono una gestione minima. Questi gruppi ad alta densità sono utilizzati in applicazioni quali utensili elettrici che richiedono 18 V o 48 V, veicoli elettrici (EV) che richiedono 400 V o 800 V e BESS che solitamente richiedono 1.500 V.

La realtà di questi gruppi batteria più grandi è che presentano particolari e complessità che vanno ben oltre quanto riportato nel diagramma schematico. La sfida gestionale aumenta in modo esponenziale con il numero di celle e gruppi.

In primo luogo, è necessario monitorare le singole celle per verificare la tensione terminale, il profilo di carica/scarica, lo stato di carica (SoC), la temperatura e le indicazioni di guasti imminenti. Inoltre, le varie celle devono essere gestite collettivamente, tenendo conto delle loro differenze.

La mancanza di un set universale di regole complica ulteriormente la gestione delle celle delle batterie. La strategia appropriata dipende anche dalla chimica delle celle. Esistono differenze tra le principali composizioni chimiche, ad esempio ioni di litio (Li-ion) e piombo-acido, nonché all'interno di una determinata composizione chimica, come le varie formulazioni degli ioni di litio. Pertanto, una strategia BMS di alto livello deve essere adattata alla chimica delle celle che gestisce.

A causa dell'elevato numero di celle presenti nei gruppi batteria ad alta tensione e alta capacità e delle numerose norme di sicurezza che questi gruppi devono soddisfare, il monitoraggio e la gestione locale delle celle diventano la soluzione ingegneristica più praticabile. Sebbene il sistema sia generalmente dotato di un processore host, questo è in genere in grado solo di fornire linee guida di supervisione di livello superiore alla supervisione delle celle locali e di valutare le prestazioni complessive del gruppo batterie. Il monitoraggio e la gestione delle singole celle della batteria sono effettuati da un sistema elettronico autonomo che garantisce funzionalità in tempo reale e opera in gran parte senza l'intervento di un processore a livello di sistema.

Bilanciamento delle celle passivo e attivo

Il bilanciamento delle celle è fondamentale per mantenere l'integrità di un gruppo multicella e garantire che alcune celle non siano sottoposte a uno stress eccessivo mentre altre sono sottoutilizzate. Previene anche i danni alle celle e ai gruppi batteria, massimizzando le prestazioni. Il bilanciamento garantisce che tutte le celle all'interno di un gruppo raggiungano contemporaneamente la loro piena capacità, prevenendo il sovraccarico, lo stato di carica (SoC) irregolare, lo scaricamento eccessivo e il deterioramento prematuro, prolungando così la durata della batteria.

Esistono due approcci al bilanciamento: attivo e passivo. Il bilanciamento attivo è più preciso e veloce rispetto al bilanciamento passivo, ma è più complicato da implementare. Utilizza un circuito attivo per ridistribuire la carica tra le celle di un gruppo batterie, garantendo che tutte abbiano lo stesso SoC. Questo circuito monitora la tensione di ciascuna cella e regola la corrente di carica e scarica di conseguenza.

Per contro, il bilanciamento passivo si basa sulla legge di Ohm e sui resistori di bilanciamento per portare le celle allo stesso SoC. Oltre ad essere meno preciso e più lento rispetto al bilanciamento attivo, il bilanciamento passivo dissipa (spreca) l'energia in eccesso da una cella con carica maggiore.

Iniziare con il monitoraggio multicella

Sebbene esistano numerose soluzioni ESS facilmente reperibili, due funzioni essenziali di un BMS sono il monitoraggio e il bilanciamento delle singole celle. Un CI come ADES1830CCSZ (Figura 1), un monitor per batterie multicella e multichimica a 16 canali, soddisfa queste funzioni e aggiunge molte caratteristiche fondamentali che supportano e semplificano la progettazione e il funzionamento complessivo del sistema.

Figura 1: Il monitor per batterie multicella e multichimica ADES1830CCSZ è un elemento fondamentale per un sistema BMS completo. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Questo monitor per batterie multicella misura fino a 16 celle collegate in serie con un errore di misurazione totale (TME) inferiore a 2 mV nell'intero intervallo di temperatura; il modello ADES1831CCSZ ha un TME leggermente superiore, pari a 5 mV. L'intervallo di misurazione in ingresso da -2 V a 5,5 V rende ADES1830 e ADES1831 adatti alla maggior parte delle batterie.

Per garantire costanza nel monitoraggio di batterie con un numero elevato di celle, tutte le celle possono essere misurate simultaneamente e in modo ridondante con convertitori analogico/digitale (ADC) integrati doppi. Questi ADC funzionano in modo continuo ad un'elevata frequenza di campionamento di 4,096 Msps, consentendo una riduzione del filtraggio analogico esterno e risultati di misurazione privi di alias. Se necessario, è possibile ridurre ulteriormente il rumore tramite filtri programmabili a risposta impulsiva infinita (IIR). I modelli ADES1830 e ADES1831 offrono anche il bilanciamento passivo tramite controllo del ciclo di lavoro con modulazione della larghezza di impulso (PWM) individuale e supportano fino a 300 mA di corrente di scarica per cella.

Sebbene un singolo dispositivo ADES1830 o ADES1831 supporti solo 16 celle collegate in serie, è possibile concatenare più dispositivi per monitorare contemporaneamente celle che compongono stringhe di batterie lunghe e ad alta tensione. Per facilitare questa connettività tra CI, ogni dispositivo è dotato di un'interfaccia seriale isolata (isoSPI) per comunicazioni ad alta velocità, immune alle interferenze RF e su lunga distanza, con isolamento fornito da condensatori o trasformatori selezionati dall'utente.

In questo modo, una singola connessione del processore host può leggere i dati e supervisionare l'intera stringa. Questo collegamento tramite porta seriale può essere gestito in modo bidirezionale, che ne garantisce l'integrità anche in caso di guasto lungo il percorso di comunicazione.

Per ottimizzare l'applicabilità di questi monitor multicella, Analog Devices offre la scheda di valutazione EV-ADES1830CCSZ (Figura 2, a sinistra). Per un maggiore realismo, è possibile collegare più schede di valutazione tramite l'interfaccia isoSPI per monitorare una lunga serie di celle impilate (Figura 2, a destra).

Figura 2: La scheda di valutazione EV-ADES1830CCSZ per ADES1830 e ADES1831 (a sinistra) include ingressi multicanale per la lettura della tensione delle celle, circuiti di bilanciamento delle celle e connettività porta isoSPI (a destra). (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Migliore bilanciamento delle celle per prestazioni ottimali

Ottimizzare le prestazioni dei gruppi multicella più grandi richiede un bilanciamento delle celle potenziato. Per risolvere questa sfida, Analog Devices offre ADES1754GCB/V+ (Figura 3), un sistema di acquisizione dati CI a 14 canali, ad alta tensione e multichimica per il bilanciamento delle batterie, progettato per gestire moduli batteria sia ad alta che a bassa tensione.

Figura 3: Il CI ADES1754GCB/V+ a 14 canali e alta tensione per l'acquisizione di dati multichimica supporta tecniche avanzate di bilanciamento delle batterie. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Questo sistema è in grado di misurare nell'arco di 162 μs ben 14 tensioni delle celle e una combinazione di sei temperature con motori di misurazione completamente ridondanti. In alternativa, può valutare in soli 99 μs tutti gli ingressi esclusivamente con il motore di misurazione ADC.

Per il bilanciamento attivo delle celle, sono presenti 14 interruttori di bilanciamento interno con una corrente di bilanciamento delle celle superiore a 300 mA, che possono essere commutati per supportare un'ampia diagnostica incorporata. Grazie a questi interruttori, il CI può essere configurato per implementare il bilanciamento automatico con timer individuali per ogni cella o in base alla tensione delle celle. Il CI offre anche una modalità di scarica di emergenza.

È possibile collegare a margherita fino a 32 dispositivi di questo tipo per gestire fino a 448 celle e monitorare 192 temperature. Le tensioni delle celle e dei condotti sbarra che vanno da -2,5 V a 5 V sono misurate in modo differenziale su un intervallo di modo comune di 65 V, con una precisione tipica di 100 μV. Per garantire una comunicazione affidabile, il sistema utilizza il protocollo UART di gestione della batteria di Analog Devices e supporta un'interfaccia controller I²C per la gestione dei dispositivi esterni.

Come per i modelli ADES1830 e ADES1831, Analog Devices offre la scheda di valutazione ADES1754EVKIT# (Figura 4, a sinistra) per migliorare l'esperienza di progettazione e ridurre i tempi di configurazione. Il layout fisico della scheda (Figura 4, a destra) è ottimizzato per un collegamento efficiente a più celle della batteria e per l'isolamento delle porte I/O del processore.

Figura 4: ADES1754EVKIT# (a sinistra) accelera il processo di progettazione di ADES1754; il suo layout fisico (a destra) è ottimizzato per una connessione efficiente a più celle della batteria e per l'isolamento delle porte I/O del processore. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Il kit è una piattaforma pratica per valutare le caratteristiche e le funzioni del CI, nonché i suoi parametri elettrici. I connettori di comunicazione verticali del kit, insieme al connettore a scatto per il gruppo batterie, consentono di realizzare e valutare rapidamente un sistema con un massimo di 32 dispositivi collegati a margherita.

La comunicazione e l'isolamento di sicurezza completano il core del BMS

A causa delle evidenti preoccupazioni relative alla sicurezza associate alle elevate tensioni dei gruppi batteria, è obbligatorio che il collegamento di comunicazione tra il controller BMS e i singoli dispositivi di monitoraggio delle batterie includa l'isolamento galvanico (ohmico). Alcuni CI di misurazione e monitoraggio offrono questa funzione di isolamento direttamente, ma non tutti.

Per soddisfare questo requisito nei casi in cui non è parte integrante del circuito, Analog Devices offre il modello ADBMS6821 a canale singolo (Figura 5, a sinistra) e il modello ADBMS6822 a doppio canale. Questi CI compatibili drop-in e certificati AEC-Q100 implementano comunicazioni isoSPI bidirezionali, isolando così i dispositivi tramite una singola connessione a doppino intrecciato per ciascun collegamento dati (Figura 5, a destra).

Figura 5: Il dispositivo ADBMS6821 a canale singolo (a sinistra) e il dispositivo ADBMS6822 a doppio canale contengono i blocchi funzionali necessari per fornire comunicazioni isoSPI bidirezionali; si interfacciano facilmente con un anello bidirezionale su cavi a doppino intrecciato (a destra). (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Durante il funzionamento, ogni transceiver codifica gli stati logici in segnali che vengono trasmessi attraverso la barriera di isolamento a un altro transceiver. Il dispositivo ricevente decodifica la trasmissione e porta il bus periferico sugli stati logici appropriati.

Il transceiver funge da ponte tra la porta SPI del microcontroller BMS e le porte isoSPI dei singoli monitor dei gruppi batteria e converte i segnali SPI standard (CS, SCK, PICO e POCI) in impulsi che possono essere inviati in modo bidirezionale su cavi a doppino intrecciato.

I dispositivi supportano velocità di trasmissione dati di 2 Mbps su lunghezze di 100 metri con una suscettività molto bassa alle interferenze elettromagnetiche (EMI) e alle emissioni. I progettisti possono scegliere di utilizzare condensatori o trasformatori per la barriera di isolamento, a seconda della tensione nominale richiesta, dello spazio disponibile, delle normative vigenti e di altri fattori tecnici.

Come ulteriore vantaggio, i transceiver possono essere accoppiati con altre avanzate soluzioni di monitoraggio dello stack della famiglia ADBMS di Analog Devices per il monitoraggio della tensione delle celle e dei sensori anche quando il controller BMS è spento, ottenendo così un progetto a basso consumo energetico per il monitoraggio delle celle (LPCM).

Come per altri dispositivi BMS, una scheda di valutazione è un valido strumento ausiliario con cui i progettisti possono esplorare, testare e verificare le funzionalità. Per questi transceiver è disponibile una scheda di valutazione completa, EVAL-ADBMS6822DEC (Figura 6). Funziona come una doppia scheda isoSPI SPI-2-Wire, dotata del ADBMS6822 a doppio canale, ma può essere utilizzata anche con ADBMS6821 a canale singolo.

Figura 6: In qualità di doppia scheda isoSPI SPI-2-Wire, EVAL-ADBMS6822DEC facilita lo sviluppo e la valutazione di un collegamento isolato tra il processore BMS e i singoli dispositivi di monitoraggio delle celle. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Con questa scheda di valutazione, è possibile collegare più monitor batteria ADBMS68xx tramite interconnessioni a margherita. La scheda è inoltre dotata di una porta isoSPI reversibile, per un percorso di comunicazione ridondante alle unità periferiche. La scheda a circuiti stampati (PCB), i componenti e i connettori sono ottimizzati per garantire una bassa suscettività alle interferenze elettromagnetiche (EMI) e alle emissioni.

Conclusione

La gestione corretta, efficace ed efficiente dei gruppi batteria con un numero elevato di celle e tensioni elevate è una questione complessa che comporta molte decisioni progettuali. I CI ottimizzati e specifici per applicazioni di Analog Devices offrono una vasta gamma di soluzioni per soddisfare i requisiti tecnici e normativi richiesti.