Come la fusione sensoriale può migliorare le prestazioni del sistema di gestione della batteria e la durata della batteria

La fusione sensoriale può essere uno strumento molto utile nella progettazione di sistemi di gestione della batteria (BMS) per applicazioni quali veicoli elettrici (EV), sistemi di accumulo dell'energia in batteria di livello residenziale e utility (BESS) e robot mobili autonomi (AMR). Ad esempio, al fine di massimizzare le prestazioni e la durata della batteria, lo stato di carica (SoC) e lo stato di salute (SoH) sono caratteristiche importanti che il BMS deve monitorare e gestire. Per gestire SoC e SoH di una batteria, è possibile applicare tecniche di fusione sensoriale che combinano misurazioni di tensione, corrente e temperatura in tempo reale.

Per i risultati migliori, tuttavia, i sensori del BMS devono assicurare alta precisione e resistenza ambientale. Anche i più piccoli errori dei sensori possono presentare nel corso del tempo degli effetti cumulativi che portano a stime SoC e SoH errate. In aggiunta, i calcoli per SoC e SoH devono tenere in considerazione i tassi di carica e scarica, oltre allo storico delle temperature delle celle. Tutte queste sfide possono essere affrontate grazie alla fusione sensoriale.

Diamo una rapida occhiata a cosa sono SoC e SoH e quali sono i metodi per calcolarli, incluso l'impatto che le variazioni termiche possono avere sulla precisione. Vedremo poi come la fusione sensoriale può migliorare le prestazioni del BMS e forniremo alcuni esempi di sensori di tensione, corrente e temperatura che è possibile utilizzare per progetti BMS nel settore automotive e industriale.

Cosa sono SoC e SoH?

Il SoC è il livello di carica di una batteria. Le batterie al litio (Li) presentano curve di scarica molto piatte e la loro tensione è quasi costante fino a che non sono scariche all'80%, pertanto misurare la tensione di uscita non è utile per misurare il SoC. Per misurare il SoC, il BMS deve monitorare il flusso di corrente e misurare i coulomb in ingresso e in uscita dalla batteria.

Mentre il SoC è una quantità misurata, il SoH è una stima della capacità attuale della batteria come percentuale della sua capacità quando era nuova. Sono stati sviluppati numerosi algoritmi per la stima del SoH, e tutti si basano sulla fusione sensoriale. Alcuni parametri comuni utilizzati negli algoritmi SoH includono:

• Impedenza
• Tasso di autoscarica
• Capacità di accettare una carica
• Numero di cicli di carica/scarica
• Età della batteria
• Storico delle temperature della batteria
• Energia cumulativa caricata e scaricata

La fusione sensoriale per il SoC e il SoH viene implementata tramite sensori distribuiti nell'intero sistema della batteria, inclusi sensori di temperatura in singole batterie, sensori di tensione e temperatura in dispositivi di monitoraggio di batterie multicella, monitor di corrente nel bus di distribuzione dell'energia elettrica ad alta tensione e sensori centralizzati di temperatura e rilevamento di alta tensione nell'unità di controllo principale (Figura 1). Per calcoli di SoC e SoH precisi, sono necessari sensori ad alta precisione e stabili nel corso del tempo, oltre che in grado di funzionare in condizioni difficili.

Figura 1: Per la fusione sensoriale in un BMS è necessaria una varietà di sensori di temperatura, tensione e corrente (in verde). (Immagine per gentile concessione di Vishay)

La buona notizia è che Vishay offre una vasta gamma di componenti per supportare le attività di progettazione di un BMS. I sensori indicati di seguito sono solo la punta dell'iceberg.

Rilevamento di corrente bus ad alta tensione

I resistori in serie WSLP sono adatti come shunt per il rilevamento di corrente bus ad alta tensione. Supportano il rilevamento ad alta precisione in applicazioni dalle temperature elevate con coefficiente di temperatura fino ad appena 75 ppm/°C e una forza elettromotrice termoelettrica inferiore a 3 µV/°C. Sono disponibili con valori di resistenza da 0,0002 a 0,1 Ω. Un'altra opzione per il rilevamento di corrente bus ad alta tensione sono gli shunt di potenza WSBS/WSBM, con valori di resistenza fino ad appena 25 µΩ e in grado di gestire impulsi superiori a 2 kA. In aggiunta, i resistori Power Metal Strip WSK1216 presentano un design a quattro terminali, con l'1% di tolleranza e valori di appena 0,0002 Ω.

Rilevamento della tensione

È possibile utilizzare resistori in chip a film sottile come il dispositivo MCA1206MD5004BP500 da 5 MΩ per il rilevamento di alta tensione nell'unità di controllo principale e nei dispositivi di monitoraggio delle batterie. In questa famiglia di dispositivi di grado automotive sono disponibili resistenze da 1 Ω a 10 MΩ. Tali dispositivi presentano intervalli della temperatura di funzionamento che vanno da -55 a 175°°C e coefficienti di temperatura di appena ±10 ppm/K. I resistori in chip a film sottile ad alta stabilità TNPW sono progettati per l'uso in applicazioni che richiedono precisione e stabilità nel lungo termine. Presentano una bassa deriva resistiva ≤0,05% dopo una prova di durata di 1000 ore.

Sensori di temperatura

Vishay offre inoltre un'ampia gamma di sensori di temperatura adatti a specifiche applicazioni BMS, come i sensori di temperatura con capocorda della serie NTCALUG, progettati per applicazioni di rilevamento della temperatura in superficie (Figura 2). Questi sensori combinano l'isolamento elettrico e un contatto termico saldo, fornendo misurazioni affidabili e precise da -40 a +150°°C.

La progettazione di circuiti per il monitoraggio delle batterie e unità di controllo principali può trarre beneficio dalla serie NTCS di termistori NTC a montaggio superficiale incassati in una struttura in vetro per una maggiore protezione ambientale. Consentono un rilevamento ad alta sensibilità e precisione da -40 a +150°°C. I termistori NTC utilizzano una tecnologia basata su ceramica e sono disponibili in tre dimensioni: 0402, 0603 e 0805.

Figura 2: Vishay offre un'ampia gamma di stili di confezionamento per sensore di temperatura, tra cui sensori di temperatura NTC con capocorda (sinistra, non in scala) e a montaggio superficiale (destra, non in scala). (Immagine per gentile concessione di Vishay)

Conclusione

La fusione sensoriale è utile in un BMS per misurare tensione, corrente e temperatura in modo da determinare con precisione SoC e SoH di una batteria, estendere la durata della batteria e massimizzare le prestazioni del sistema a batteria. Come abbiamo visto, Vishay offre una gamma completa di sensori ad alta precisione e resistenza ambientale e altri componenti idonei a progetti BMS dalle alte prestazioni.

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