Morsettiera intelligente con sincronizzazione di tensione e corrente nei veicoli elettrici

Autore: Dan Torres – Product Marketing Manager, Texas Instruments 

 

I veicoli elettrici si diffondono sempre più e le case automobilistiche si trovano di fronte alla sfida di eliminare l’«ansia da autonomia» degli automobilisti, rendendo al tempo stesso l’auto più conveniente. Tutto ciò si traduce nel ridurre i costi dei pacchi batterie aumentando le densità di energia. Ogni singolo wattora immagazzinato e recuperato dalle celle è fondamentale per aumentare l’autonomia di guida.

La disponibilità di misurazioni precise di tensione, temperatura e corrente è fondamentale per ottenere la stima migliore dello stato di carica o dello stato di salute di ogni singola cella del sistema.

La funzione principale di un sistema di gestione della batteria (BMS) è monitorare le tensioni delle celle, le tensioni del pacco e la corrente del pacco batterie. La Figura 1a mostra un pacco batterie nella casella bianca con più celle impilate. L’unità di supervisione delle celle contiene i monitor delle celle che controllano la tensione e la temperatura delle celle.

Figura 1: Un’architettura BMS tradizionale (a); un’architettura BMS tradizionale con una morsettiera per batteria intelligente (BJB) (b)

Nella Figura 1a è visibile l’unità di gestione della batteria (BMU). Di solito una BMU è dotata di un microcontroller (MCU) che gestisce tutte le funzioni all’interno del pacco batterie. La casella azzurra è la BJB. Si tratta di un portarelè o di una cassetta di distribuzione con contattori di grandi dimensioni che collega l’intero pacco batterie all’inverter di carico, al motore o addirittura al caricabatterie.

La Figura 1a mostra la BMS tradizionale. In questa configurazione non sono presenti componenti elettronici attivi all’interno della morsettiera: si tratta semplicemente di contattori passivi e fusibili. Tutte le misurazioni nella BJB avvengono all’interno della BMU. Sono presenti dei fili che collegano la BJB ai morsetti del convertitore analogico/digitale (ADC).

La Figura 1b mostra la BJB intelligente. Con questo sistema, è presente un monitor dedicato per le batterie all’interno della scatola, che misura tutte le tensioni e le correnti e trasmette queste informazioni alla MCU utilizzando una semplice comunicazione a doppino ritorto.

I vantaggi della BJB intelligente:

• Elimina i fili e i cablaggi.
• Migliora le misurazioni di tensione e corrente riducendo il rumore.
• Semplifica lo sviluppo di hardware e software. Poiché i monitor dei pacchi batterie e i monitor delle celle prodotti da Texas Instruments (TI) provengono dalla stessa famiglia di dispositivi, la loro architettura e le mappature sono tutte molto simili.
• Permette ai produttori di sistemi di sincronizzare le misurazioni della tensione e della corrente del pacco. I ridotti ritardi di sincronizzazione migliorano le stime dello stato di carica.

Misurazione di tensione, temperatura e corrente

La Figura 2 mostra le diverse alte tensioni, correnti e temperature che il monitor per pacco batterie è in grado di misurare all’interno di una BJB grazie al monitor per pacco batterie BQ79631-Q1.

Figura 2: Misurazioni dell’alta tensione all’interno della BJB.

Tensione: la tensione viene misurata utilizzando stringhe di resistenze ripartite. Queste misurazioni controllano se gli interruttori elettronici sono aperti o chiusi.

Temperatura: le misurazioni della temperatura provvedono al monitoraggio della temperatura della resistenza di shunt in modo che la MCU possa applicare la compensazione, nonché la temperatura dei contatori per assicurarsi che non siano sollecitati eccessivamente

Corrente: le misurazioni della corrente si basano su

Una resistenza di shunt. Poiché le correnti di un veicolo elettrico possono raggiungere migliaia di ampere, queste resistenze di shunt sono estremamente piccole, ossia tra 25 µOhm e 50 µOhm.

Un sensore a effetto Hall. La sua gamma dinamica è solitamente limitata, pertanto in alcuni casi sono presenti più sensori nel sistema per misurare l’intera gamma. I sensori a effetto Hall sono intrinsecamente soggetti ai disturbi elettromagnetici. Questi sensori possono essere comunque posizionati in qualsiasi punto all’interno del sistema e forniscono intrinsecamente una misurazione isolata.

Sincronizzazione di tensione e corrente

La sincronizzazione della tensione e della corrente è il ritardo temporale necessario per campionare la tensione e la corrente fra il monitor del pacco batterie e i monitor delle celle. Queste misurazioni sono utilizzate principalmente per calcolare lo stato di carica e lo stato di salute tramite spettroscopia di impedenza elettronica. Calcolare l’impedenza della cella misurando la tensione, la corrente e la potenza attraverso la cella permette al BMS di monitorare la potenza istantanea dell’auto.

La tensione della cella, la tensione del pacco batterie e la corrente del pacco batterie devono essere sincronizzate per fornire le stime più precise di potenza e impedenza. Il campionamento entro certi intervalli di tempo è detto intervallo di sincronizzazione. Minore è l’intervallo di sincronizzazione, maggiore è la precisione della stima di potenza o della stima di impedenza. L’errore dei dati non sincronizzati è proporzionale. Maggiore è la precisione della stima dello stato di carica, più aumenta il chilometraggio a disposizione degli automobilisti.

Requisiti della sincronizzazione

I BMS di nuova generazione richiedono misurazioni di tensione e corrente sincronizzate in meno di 1 ms, ma vi sono delle sfide da superare per soddisfare questo requisito:

Tutti i monitor di celle e pacchi batterie hanno sorgenti di clock diverse; pertanto, i campioni acquisiti non sono sincronizzati intrinsecamente.

Ogni monitor delle celle potrebbe essere in grado di misurare da 6 a 18 celle; i dati hanno una lunghezza di 16 bit per ciascuna cella. Sono quindi molti i dati che devono essere trasmessi su un’interfaccia daisy-chain e che porterebbero ad esaurire il budget di temporizzazione consentito per la sincronizzazione di tensione e corrente.

Qualsiasi filtro, come un filtro di tensione o un filtro di corrente, incide sul percorso del segnale e contribuisce a ritardare la sincronizzazione di tensione e corrente.

I monitor per batterie BQ79616-Q1, BQ79614-Q1 e BQ79612-Q1 di TI sono in grado di mantenere una relazione temporale inviando un comando di avvio ADC al monitor delle celle e al monitor del pacco batterie. Questi monitor per batterie di TI supportano inoltre il campionamento ADC ritardato per compensare il ritardo di propagazione nella trasmissione del comando di avvio ADC lungo l’interfaccia daisy-chain.

Conclusione

I notevoli sforzi per l’elettrificazione di massa in atto nel settore automobilistico sono alla base della necessità di ridurre la complessità dei BMS introducendo l’elettronica all’interno della morsettiera e migliorando la sicurezza del sistema al tempo stesso. Un monitor per pacco batterie è in grado di misurare localmente le tensioni a monte e a valle dei relè e di misurare la corrente che attraversa il pacco batterie. I miglioramenti in termini di precisione delle misurazioni di tensione e corrente porteranno direttamente all’ottimizzazione dell’utilizzo di una batteria.

Una sincronizzazione efficace della tensione e della corrente consente calcoli precisi dello stato di salute, dello stato di carica e della spettroscopia di impedenza elettronica che, a loro volta, consentiranno un utilizzo ottimale della batteria per aumentarne la durata utile e per aumentare l’autonomia dei veicoli.

Risorse supplementari

Guardate questi video di formazione di TI:

«Morsettiera per batteria intelligente per sincronizzazione di tensione e corrente».

«Gestione autonoma di un pacco batterie xEV in modalità parcheggio».

Consultate il white paper «Considerazioni di sicurezza funzionale nella gestione della batteria per l’elettrificazione dei veicoli».