Bilanciamento attivo delle celle nei pacchi batteria

Durante il processo di bilanciamento delle celle, sia attivo che passivo, ogni singola cella del pacco batteria viene monitorata per mantenere uno stato di carica (SoC) sicuro. Ciò prolunga il ciclo di vita della batteria e fornisce ulteriore livello di protezione evitando il danneggiamento della singola cella per sovraccarico o scarica eccessiva. Il bilanciamento passivo fa in modo che tutte le celle della batteria abbiano un stato di carica simile dissipando semplicemente la carica in eccesso su una apposita resistenza; questa operazione tuttavia non estende l’autonomia delle batterie. Il bilanciamento attivo delle celle è una tecnica più complessa, che redistribuisce la carica tra le celle della batteria durante i cicli di carica e scarica. Questo ha l’effetto di prolungare l’autonomia del sistema poichè aumenta la carica totale utilizzabile nel pacco batteria, ed inoltre riduce il tempo di ricarica rispetto al bilanciamento passivo, così come il calore generato durante il bilanciamento.

Bilanciamento attivo durante la scarica

Il diagramma seguente rappresenta un tipico pacco batterie in cui tutte le celle partono a piena capacità. In questo esempio, per piena capacità si intende il 90% della carica, poichè mantenere una batteria al 100%, o quasi, della capacità totale per lunghi periodi degrada più velocemente la durata di vita della batteria stessa. La scarica completa è indicata come il 30% della capacità totale al fine di evitare la scarica profonda delle celle.

Piena Capacità

Nel corso del tempo, alcune celle diventeranno più deboli di altre, mostrando il profilo di scarica rappresentato dalla figura seguente.

Scarica non uniforme

Si può notare come, nonostante vi sia della capacità residua in molte celle, quelle più scariche limitano l’autonomia dell’intero pacco batteria. Un disallineamento delle batterie del 5% si traduce in un 5% di capacità inutilizzata. Con batterie di grandi dimensioni una tale quantità di energia lasciata inutilizzata può essere eccessiva. Il problema diventa ancora più critico in sistemi remoti e di difficile accesso, poichè esso si traduce in un aumento del numero di cicli di carica e scarica e quindi una riduzione della durata di vita della batteria stessa, che porta ad un aumento dei costi dovuto a sostituzioni più frequenti.

Con il bilanciamento attivo la carica viene redistribuita dalle celle più forti a quelle più deboli, il che si traduce in un profilo di carica del pacco batteria completamente esaurito.

Svuotamento completo con bilanciamento attivo

Bilanciamento attivo durante la carica

Quando si carica la batteria senza alcun bilanciamento, le celle deboli raggiungono la piena capacità prima di quelle più forti. Di nuovo il fattore limitante è rappresentato dalle celle deboli; in questo caso limitano la capacità totale che il sistema può trattenere. Il diagramma seguente illustra la carica con questa limitazione.

Carica senza bilanciamento

Con il bilanciamento attivo durante il ciclo di carica il pacco batteria può raggiungere la sua piena capacità. Si noti che fattori quali la percentuale di tempo allocata per il bilanciamento e l’effetto della corrente selezionata in funzione del tempo di bilanciamento non sono trattati nel presente articolo, ma sono considerazioni importanti.

I bilanciatori attivi di Analog Devices

Analog Devices offre una famiglia di bilanciatori attivi Power by Linear in cui ogni dispositivo soddisfa diversi requisiti di sistema. LT8584 è un convertitore flyback monolitico da 2,5A da utilizzare in combinazione con la famiglia LTC680x di monitor di pacchi batteria multichimica; la carica può essere redistribuita in diversi modi: da una cella al terminale positivo del pacco batteria o a un’altra batteria o ancora ad una combinazione di celle all’interno del pacco. Per ogni cella del pacco batteria viene utilizzato un LT8584.

LTC3300 è un controllore flyback bidirezionale stand-alone per batterie al litio e LiFePO4 che fornisce fino a 10A di corrente di bilanciamento; essendo bidirezionale, la carica di qualsiasi cella selezionata può essere trasferita ad alta efficienza da o verso 12 o più celle adiacenti. Un singolo LTC3300 è in grado di bilanciare fino a sei celle.

LTC3305 è un bilanciatore stand-alone per batterie al piombo che può gestire fino a quattro celle; esso utilizza una quinta cella di riserva (AUX) mettendola continuamente in parallelo con ciascuna delle altre (una alla volta) per bilanciarle (le batterie al piombo sono robuste e consentono questa operazione).

 

Conclusioni

Sia il bilanciamento attivo che quello passivo rappresentano due modi efficaci per migliorare lo stato di salute del sistema monitorando e riequilibrando lo stato di carica (SoC) di ciascuna cella. Il bilanciamento attivo redistribuisce la carica durante il ciclo di carica e scarica, mentre il bilanciamento passivo più semplicemente dissipa la carica in eccesso durante il ciclo di carica. Perciò il bilanciamento attivo aumenta l’autonomia e può migliorare l’efficienza di ricarica. Esso richiede soluzioni di maggiore complessità e ingombro, mentre il bilanciamento passivo risulta più conveniente in termini di costi. Qualunque sia il metodo migliore per la vostra applicazione, Analog Devices offre soluzioni per tutte le esigenze direttamente integrate nei nostri chip di gestione delle batterie (come LTC6803 e LTC6804) e nei dispositivi complementari che operano in abbinamento con essi per fornire un sistema di gestione delle batterie preciso e robusto.