Sistema di gestione della batteria

Il sistema di gestione della batteria (BMS) di un veicolo elettrico è lo strato elettronico e software che mantiene la batteria di trazione entro i limiti operativi consentiti: misura il pacco, stima condizioni che non possono essere rilevate direttamente e controlla il collegamento con il veicolo. Comunica i limiti di ricarica, frenata rigenerativa e potenza di trazione al caricatore, all'inverter e al sistema di gestione termica, che eseguono la conversione dell'energia e il controllo della temperatura.

Cosa misura, stima e controlla il BMS

Una batteria ad alta tensione può contenere centinaia o migliaia di celle fisiche. Le celle collegate in parallelo condividono la stessa tensione ai terminali, quindi il BMS normalmente monitora ogni gruppo in parallelo come un unico punto di tensione. Un pacco descritto come 108s4p, per esempio, ha in genere 108 tensioni monitorate dei gruppi in serie, non 432 misurazioni indipendenti della tensione delle celle.

Le misurazioni dirette più importanti comprendono generalmente:

Tensione di ogni gruppo di celle monitorato
Tensione totale del pacco e tensioni nei punti chiave attorno ai contattori
Corrente in ingresso o in uscita dal pacco
Temperature di celle, moduli, piastre di raffreddamento, sbarre collettrici e componenti elettrici selezionati
Isolamento elettrico tra il sistema ad alta tensione e il telaio del veicolo
Stato dell'interblocco ad alta tensione, dei contattori, dei fusibili e del circuito di precarica

La sola tensione del pacco non basta. Due gruppi di celle possono discostarsi in direzioni opposte mentre la loro tensione combinata appare ancora normale. Il gruppo con la tensione più alta può terminare una ricarica e quello con la tensione più bassa può limitare la scarica, anche quando la media del pacco sembra accettabile.

Diversi valori utilizzati dal conducente e dagli strumenti di assistenza non sono letture dirette dei sensori. Il BMS li stima in base a tensione, corrente, temperatura, tempo, modelli della batteria e cronologia memorizzata. Queste stime comprendono:

Stato di carica (SOC)
Stato di energia (SOE)
Stato di potenza (SOP)
Stato di salute (SOH)
Capacità utilizzabile e resistenza interna
Corrente massima consentita di carica e scarica

Il BMS interviene poi in base a queste informazioni. Può azionare i contattori del pacco e i circuiti di bilanciamento, gestire la sequenza di precarica, richiedere riscaldamento o raffreddamento e comunicare ad altri controller i limiti di carica, scarica e potenza rigenerativa. Le piattaforme BMS automobilistiche combinano quindi monitoraggio delle celle, rilevamento di tensione e corrente a livello del pacco, monitoraggio dell'isolamento, controllo dei contattori e funzioni di interblocco ad alta tensione. (Texas Instruments)

Come è organizzato l'hardware del BMS

Un BMS moderno è distribuito all'interno della batteria anziché essere racchiuso in un'unica scheda elettronica. I nomi dei componenti variano, ma molti sistemi dividono il lavoro tra unità di monitoraggio delle celle, un controller centrale della batteria e una scatola di giunzione della batteria. L'architettura di riferimento 800-volt di NXP usa i termini CMU, BMU e BJB per questi tre livelli. (NXP)

Unità di monitoraggio delle celle

Una Cell-Monitoring Unit (CMU) si trova vicino a un gruppo di celle o moduli. I suoi circuiti analogici front-end misurano le tensioni dei gruppi di celle e gli ingressi dei sensori di temperatura. Possono anche eseguire il bilanciamento passivo e monitorare collegamenti o altri sensori locali.

Più CMU possono essere collegate in una daisy chain isolata, un anello, una rete CAN FD o un'altra rete di comunicazione automobilistica. Le misurazioni devono arrivare in modo affidabile nonostante il rumore elettrico e le grandi differenze di tensione tra le sezioni del pacco.

Unità di gestione della batteria

La Battery-Management Unit (BMU) è il controller centrale. Raccoglie le misurazioni, ne verifica la plausibilità, esegue gli algoritmi di stima dello stato, calcola i limiti operativi, memorizza informazioni diagnostiche e scambia dati con il controller del veicolo, il caricatore, l'inverter e il controller termico.

Scatola di giunzione della batteria

La Battery Junction Box (BJB) ospita l'hardware di rilevamento a livello del pacco e di commutazione delle correnti elevate. A seconda del progetto, può contenere:

Contattori principali positivo e negativo
Contattore e resistore di precarica
Sensori della corrente del pacco e dell'alta tensione
Fusibile principale e, se previsto, dispositivo di disconnessione pirotecnico
Hardware per il monitoraggio dell'isolamento
Collegamenti ad alta tensione verso inverter, sistema di ricarica e altri carichi

Il confronto tra le tensioni sui lati batteria e veicolo dei contattori consente al controller di verificare che la commutazione comandata sia realmente avvenuta. Anche le misurazioni di corrente e tensione devono essere sincronizzate con precisione, perché vengono utilizzate insieme nei calcoli di potenza, resistenza, SOC e SOH. (Texas Instruments)

Comunicazione cablata e wireless

La maggior parte dei pacchi batteria utilizza comunicazioni cablate tra le unità di monitoraggio. Collegamenti ridondanti o ad anello possono consentire ai messaggi di seguire un percorso alternativo in caso di guasto di una connessione.

Un BMS wireless sostituisce parte del cablaggio interno dei segnali con una rete radio appositamente progettata. Può ridurre connettori, instradamento dei cavi e complessità di assemblaggio, ma non elimina l'elettronica di monitoraggio delle celle, i collegamenti per il rilevamento della tensione, i sensori di temperatura, i circuiti di bilanciamento, gli alimentatori, la diagnostica o la necessità di comunicazioni affidabili e sicure. L'hardware BMS wireless per auto collega i dispositivi di monitoraggio delle celle al controller BMS centrale; non è un collegamento wireless direttamente alle celle della batteria. (Analog Devices)

Collegamento della batteria ad alta tensione

Spegnere un veicolo elettrico non rende prive di tensione le celle o le sbarre collettrici interne. Grandi interruttori ad azionamento elettrico chiamati contattori scollegano invece, in condizioni normali, i terminali esterni positivo e negativo della batteria dal resto del veicolo.

Prima di chiudere questi contattori, il BMS controlla le tensioni e le temperature rilevanti delle celle, la resistenza d'isolamento, lo stato dell'interblocco, la comunicazione e i guasti memorizzati. Esegue quindi la precarica.

L'inverter, il caricatore di bordo, il convertitore DC-DC e gli altri dispositivi elettronici ad alta tensione contengono condensatori. Collegare direttamente alla batteria un condensatore scarico genererebbe una forte corrente di spunto, capace di intaccare o saldare le superfici dei contattori e di sollecitare cavi, connettori e fusibili. Un circuito di precarica convenzionale collega dapprima il bus ad alta tensione del veicolo attraverso un resistore. Quando la tensione del bus si è avvicinata abbastanza a quella del pacco, i contattori principali possono chiudersi ed escludere il resistore. (Texas Instruments)

Una sequenza di avviamento semplificata è:

Il sistema elettrico a bassa tensione riattiva il BMS e gli altri controller necessari.
Il BMS controlla le condizioni monitorate della batteria e del sistema ad alta tensione.
Vengono chiusi il percorso di precarica e il contattore principale necessario.
Il bus esterno ad alta tensione si carica attraverso il resistore di precarica.
Il BMS confronta la tensione del pacco con quella oltre i contattori.
Quando la differenza rientra nell'intervallo consentito, il contattore principale rimanente si chiude e il percorso di precarica si apre.

L'ordine esatto di commutazione varia secondo il progetto. Lo scopo è sempre stabilire il collegamento ad alta tensione senza una corrente di spunto incontrollata.

Monitoraggio dell'isolamento e interblocco ad alta tensione

Il circuito di trazione è normalmente isolato dalla carrozzeria del veicolo. Un monitor d'isolamento misura la resistenza elettrica tra il sistema ad alta tensione e il telaio. Una riduzione dell'isolamento può derivare da isolamento danneggiato, infiltrazione di acqua o liquido di raffreddamento, contaminazione, un problema a un connettore o un guasto nella batteria, nell'inverter, nel motore, nel caricatore o nei cavi ad alta tensione.

L'High-Voltage Interlock Loop (HVIL) è un circuito di monitoraggio separato a bassa tensione che attraversa connettori, coperture e componenti ad alta tensione selezionati. L'interruzione dell'anello segnala al veicolo che una parte del sistema ad alta tensione potrebbe essere scollegata o aperta. A seconda della condizione, il veicolo può interrompere la ricarica, aprire i contattori o impedirne la chiusura.

Questo spiega anche perché una batteria da 12-volt o 48-volt debole possa immobilizzare un veicolo elettrico la cui batteria di trazione contiene ancora molta energia. Il BMS, l'elettronica dei controller e le bobine dei contattori richiedono alimentazione a bassa tensione prima che la batteria ad alta tensione possa essere collegata al veicolo.

Stima di carica, energia, potenza e salute

Percentuale della batteria, energia residua, potenza disponibile e stato di salute rispondono a domande diverse. Trattarli come un unico valore genera gran parte della confusione sulla diagnostica delle batterie.

Stato di carica

Lo stato di carica (SOC) è il livello di carica stimato entro la finestra operativa definita della batteria. La percentuale mostrata al conducente corrisponde normalmente alla finestra utilizzabile, non all'intero intervallo elettrochimico delle celle. Parte della capacità può essere riservata sopra il 100% visualizzato e sotto lo 0% visualizzato, come spiegato in Buffer della batteria e capacità utilizzabile.

Il SOC non può essere misurato da un singolo sensore. Il BMS combina diversi metodi:

Conteggio coulombometrico: integra la corrente nel tempo per tenere traccia della carica in ingresso e in uscita dalla batteria.
Correzione basata sulla tensione: confronta la tensione a circuito aperto misurata o modellata con dati di riferimento specifici della chimica.
Modelli della batteria: prevedono la risposta in tensione utilizzando SOC, corrente, temperatura, resistenza, cronologia recente e parametri legati all'invecchiamento.
Algoritmi osservatori: comprese le varianti del filtro di Kalman, confrontano le previsioni del modello con le misurazioni e correggono la stima.

Il conteggio coulombometrico reagisce immediatamente al flusso di energia, ma una piccola deriva del sensore di corrente si accumula nel tempo fino a produrre un errore più grande. La tensione offre un riferimento, ma quella ai terminali cambia anche con carico, temperatura, resistenza, isteresi e tempo trascorso dalla carica o dalla scarica. Gli algoritmi di produzione combinano quindi misurazioni e modelli anziché affidarsi a un unico metodo. (Analog Devices)

La stima del SOC è particolarmente impegnativa per le celle LFP nella parte centrale dell'intervallo operativo, perché la curva della tensione a circuito aperto è relativamente piatta e risente dell'isteresi. Un piccolo errore di tensione può rappresentare un errore di SOC molto maggiore rispetto a una sezione ripida della curva. Una stima accurata delle LFP dipende quindi fortemente da misurazioni precise della corrente, un modello specifico della chimica, compensazione della temperatura e occasioni per correggere la stima in punti operativi informativi. (ACS Energy Letters)

La percentuale visualizzata viene solitamente filtrata affinché non salti ogni volta che la stima cambia leggermente. Può comunque essere corretta dopo un lungo periodo di riposo, una ricarica quasi completa, una scarica profonda, un forte cambiamento di temperatura o nuovi dati appresi sulla capacità. L'energia non è apparsa o scomparsa all'improvviso: è la stima a essere stata ricalibrata.

Stato di energia

Lo stato di energia (SOE) stima l'energia utilizzabile residua, normalmente in kWh. È collegato al SOC, ma dipende anche da capacità utilizzabile, tensione, temperatura, perdite e condizioni di scarica.

Due pacchi al 50% di SOC non hanno necessariamente la stessa energia residua. Anche lo stesso pacco può rendere immediatamente accessibile meno energia quando è molto freddo. La previsione dell'autonomia del veicolo aggiunge fattori esterni al BMS, tra cui consumo recente, velocità, percorso, condizioni meteorologiche ed energia usata nell'abitacolo.

Stato di potenza

Lo stato di potenza (SOP) è la potenza stimata che la batteria può accettare o erogare senza superare i limiti di tensione, corrente, SOC e temperatura in un periodo definito. I limiti di carica e scarica vengono calcolati separatamente e un breve limite di picco può essere molto superiore a quello continuo.

Il calcolo considera la risposta prevista dei gruppi di celle limitanti, non soltanto la media del pacco. Contano SOC, temperatura, resistenza, margine di tensione delle celle, durata e limiti di corrente del pacco. I modelli di potenza della batteria calcolano quindi valori massimi diversi di carica e scarica per un periodo di previsione specificato. (MathWorks)

Stato di salute

Lo stato di salute (SOH) descrive come sono cambiate le capacità della batteria rispetto a una condizione di riferimento, di solito quando era nuova. Non esiste un'unica definizione universale di SOH.

Un SOH basato sulla capacità confronta la capacità utilizzabile attuale con il riferimento scelto per la batteria nuova. Una valutazione basata sulla potenza considera resistenza e capacità di caricare o scaricare alla velocità richiesta. Un modello completo dello stato di salute può anche usare squilibrio delle celle, autoscarica, energia trasferita, esposizione alle temperature, cronologia dei guasti ed età di calendario.

Una batteria può conservare gran parte della propria capacità energetica pur perdendo parte della potenza di picco con l'aumento della resistenza. Un'altra può perdere capacità misurabile e continuare comunque a soddisfare ogni requisito prestazionale del veicolo. Per questo motivo le percentuali SOH di produttori, applicazioni diagnostiche e procedure di garanzia diverse non sono automaticamente comparabili. I metodi di misurazione e gli effetti a lungo termine sono trattati in Degrado della batteria.

Come il BMS controlla ricarica e guida

Il BMS calcola continuamente i limiti massimi consentiti di carica e scarica. Gli altri controller devono mantenere le proprie richieste entro tali limiti.

Durante la ricarica rapida in corrente continua, il veicolo comunica alla stazione la tensione e la corrente consentite per la batteria. La stazione può essere capace di una potenza superiore a quella richiesta dalla batteria. Il BMS può ridurre la richiesta a causa di:

Tensione elevata di un gruppo di celle
Temperatura bassa o alta della batteria
SOC elevato
Aumento della resistenza
Squilibrio delle celle
Raffreddamento insufficiente
Guasto di un sensore o della comunicazione

Il raggiungimento del limite superiore di tensione da parte di un solo gruppo può costringere a ridurre gradualmente la corrente di ricarica, anche quando il SOC medio del pacco sembra lasciare margine. La curva di ricarica completa dipende anche dai limiti di tensione e corrente sul lato della colonnina, dall'hardware di conversione del veicolo e dalla strategia di ricarica del costruttore. Queste interazioni sono trattate in Ricarica della batteria e prestazioni di ricarica.

Il limite di scarica funziona nel senso opposto. Con SOC basso, temperatura estrema o resistenza elevata, il gruppo con la tensione più bassa può avvicinarsi al limite inferiore sotto carico. Il BMS riduce quindi la potenza disponibile per l'inverter. Ciò può causare accelerazione ridotta o un avviso di bassa potenza, anche se i motori sarebbero in grado di erogarne di più.

La frenata rigenerativa è un evento di ricarica. Una batteria quasi piena, fredda, calda, sbilanciata o comunque limitata nella carica non può accettare tutta la potenza rigenerativa richiesta. Il controller della frenata riduce allora la rigenerazione dei motori e fornisce la decelerazione restante con i freni ad attrito.

I limiti di temperatura sono altrettanto importanti. Il BMS interpreta i sensori della batteria e richiede riscaldamento o raffreddamento; pompe, valvole, ventole, riscaldatori, circuiti refrigeranti e altro hardware termico eseguono il lavoro. Una batteria abbastanza calda per la guida normale può essere ancora troppo fredda per la massima potenza di ricarica rapida. Il progetto del sistema e le strategie di precondizionamento sono illustrati in Gestione termica della batteria.

Protezione, gestione dei guasti e sicurezza funzionale

Il BMS mira a mantenere ogni parte monitorata della batteria entro un'area operativa consentita. Sorveglia sovratensione, sottotensione, corrente eccessiva, temperatura inadeguata, differenza anomala di temperatura, perdita d'isolamento, interruzione dell'HVIL, squilibrio delle celle, discordanza tra sensori, guasti dei contattori e perdita della comunicazione.

La protezione è in genere graduale, non una disconnessione immediata:

Registrare un evento diagnostico o aumentare il monitoraggio.
Richiedere riscaldamento o raffreddamento.
Ridurre la potenza rigenerativa, di ricarica o di trazione.
Interrompere la ricarica o comandare all'inverter di rimuovere il carico.
Avvertire il conducente.
Aprire i contattori o impedire la riconnessione del sistema ad alta tensione.

L'apertura dei contattori mentre scorre una corrente elevata può generare ulteriori sollecitazioni elettriche. Quando le condizioni lo permettono, il veicolo riduce prima la corrente e poi si disconnette. L'isolamento immediato è riservato ai guasti per i quali restare collegati comporta il rischio maggiore.

Il BMS deve anche rilevare i guasti dei propri sensori, delle comunicazioni e dell'hardware di commutazione. Può confrontare misurazioni ridondanti, verificare che le relazioni tra tensione e corrente siano fisicamente plausibili, controllare se il movimento comandato di un contattore abbia modificato la tensione misurata e utilizzare percorsi di protezione indipendenti per i guasti critici. ISO/TR 9968 applica il quadro della sicurezza funzionale ISO 26262 nel contesto dei sistemi ricaricabili di accumulo dell'energia e include esplicitamente BMS, celle, cablaggi e connettività nell'ambito del sistema. (ISO)

Cosa non può impedire il BMS

Il BMS può ridurre la corrente, richiedere raffreddamento, interrompere la ricarica, scollegare il circuito esterno ad alta tensione e registrare l'evento. Non può eliminare l'energia chimica già immagazzinata nelle celle.

Se un cortocircuito interno si è trasformato in fuga termica autoalimentata, l'apertura dei contattori interrompe il flusso di corrente esterno ma potrebbe non fermare le reazioni all'interno della cella interessata. Restano essenziali progetto delle celle, qualità produttiva, raffreddamento, protezione elettrica, sfiato, barriere del pacco, gestione della pressione, struttura anticollisione e resistenza alla propagazione. Le ricerche sulla fuga termica delle celle agli ioni di litio mostrano che rilascio di calore, propagazione interna e materiale espulso dipendono dalla geometria della cella e dal meccanismo di guasto iniziale. (NREL)

Bilanciamento, diagnostica e cronologia della batteria

Piccole differenze di capacità, resistenza, autoscarica e temperatura fanno divergere i gruppi di celle collegati in serie. Il BMS ne confronta il comportamento e utilizza circuiti di bilanciamento per ridurre le differenze di livello di carica.

Il bilanciamento può aiutare i gruppi a raggiungere i propri limiti superiore e inferiore in modo più uniforme, rendendo utilizzabile una parte maggiore della capacità esistente del pacco. Non può riparare una cella danneggiata né ripristinare la capacità perduta. Metodi, tempi e limiti sono trattati in Bilanciamento delle celle.

Il BMS memorizza inoltre informazioni utilizzate per l'assistenza e le stime a lungo termine. A seconda del produttore, possono comprendere:

Tensioni minime e massime dei gruppi di celle
Temperature estreme ed eventi di sovratemperatura
Cronologia di carica, energia e ore di funzionamento
Andamento stimato di capacità e resistenza
Guasti di isolamento, contattori, sensori e comunicazione
Squilibrio delle celle e autoscarica anomala
Codici diagnostici di guasto e interruzioni della ricarica

Non tutti i valori interni sono disponibili tramite un'interfaccia diagnostica generica. Un'applicazione di terze parti può mostrarne soltanto una parte e un valore visualizzato può essere filtrato, scalato o interpretato in modo diverso rispetto ai dati tecnici o di garanzia del produttore.

Cosa nota il conducente

Gran parte del lavoro del BMS è invisibile, ma le sue decisioni spiegano diversi comportamenti familiari dei veicoli elettrici:

La potenza di ricarica cambia: la batteria può richiedere meno potenza di quella erogabile dalla colonnina a causa di SOC, temperatura, dispersione delle tensioni, resistenza o un limite di protezione.
La frenata rigenerativa si riduce: la batteria non dispone di margine sufficiente per accettare potenza di carica, quindi il veicolo utilizza maggiormente i freni ad attrito.
L'accelerazione è limitata: SOC basso, temperatura inadeguata, caduta di tensione o un guasto hanno ridotto la potenza di scarica consentita.
La percentuale cambia dopo un periodo di riposo o una ricarica completa: l'algoritmo SOC ha corretto la propria stima.
La ricarica rapida migliora dopo il precondizionamento: celle più calde hanno una resistenza inferiore e spesso possono accettare una corrente superiore approvata dal BMS.
Il veicolo non inserisce la modalità di marcia: un problema di alimentazione a bassa tensione, un guasto d'isolamento, un interblocco interrotto, un guasto dei contattori o la perdita della comunicazione con il BMS possono impedire il collegamento del sistema ad alta tensione.

Per chi acquista un veicolo elettrico usato, una percentuale SOH comunicata dal BMS è utile soltanto quando se ne conoscono definizione e metodo di misurazione. Una valutazione affidabile considera energia utilizzabile, capacità di erogare potenza, bilanciamento delle celle, cronologia diagnostica, comportamento in ricarica e metodo di garanzia del produttore, non un unico numero privo di spiegazione.

Il BMS è quindi molto più di un indicatore della batteria o di un interruttore di emergenza. Le sue misurazioni, i modelli, la calibrazione e la strategia di protezione determinano quanta parte della capacità fisica delle celle il veicolo possa utilizzare in ogni momento.