Gestione della batteria nei veicoli elettrici: monitoraggio, stima e controllo

Il sistema di gestione della batteria (BMS) di un veicolo elettrico trasforma le misure di tensione, corrente e temperatura in stime dello stato della batteria e in limiti della potenza di ricarica e di trazione. Sorveglia anche il collegamento elettrico della batteria al veicolo e reagisce ai guasti.

Questo capitolo spiega tali misure e decisioni. Battery Pack and Configuration descrive la configurazione elettrica su cui intervengono.

Che cosa misura il BMS

Le celle collegate direttamente in parallelo condividono la tensione ai terminali. Il BMS misura quindi normalmente ogni gruppo parallelo come una posizione nella catena in serie. Un ipotetico pacco 108s4p contiene 432 celle fisiche, ma presenta 108 tensioni di gruppi in serie da monitorare.

Queste letture rivelano differenze che la tensione totale del pacco può nascondere. Una lettura alta in un gruppo può compensarne una bassa altrove, facendo apparire normale il totale. Il controllore ha bisogno delle singole letture per individuare il gruppo che si avvicina a un limite.

Oltre a queste tensioni, il BMS utilizza misure della corrente del pacco e sensori di temperatura. Le temperature rilevate descrivono i punti in cui si trovano i sensori; non misurano direttamente ogni punto all'interno di ogni cella. Il monitoraggio del pacco verifica anche l'alta tensione e l'isolamento elettrico, mentre i circuiti diagnostici segnalano le condizioni dei collegamenti e della commutazione. Texas Instruments: automotive battery-management systems

L'integrazione della corrente nel tempo aiuta a stimare la carica residua. Tensione e temperatura limitano la corrente consentita.

Come è organizzato l'hardware

L'elettronica del BMS può essere centralizzata, modulare o distribuita. Nella classificazione di Nexperia, un BMS centralizzato gestisce tutto il pacco da un'unica unità centrale. Un'architettura modulare ripartisce monitoraggio e controllo fra unità responsabili di sottoinsiemi di moduli, che comunicano con un controllore centrale. Un'architettura distribuita colloca monitoraggio e bilanciamento presso singole celle o piccoli gruppi, collegati tramite un bus di comunicazione. Nexperia: Battery Management System technical guide

Il progetto di riferimento NXP del 2023 per applicazioni a 800 V illustra questi ruoli con unità di monitoraggio delle celle, un'unità di gestione della batteria e una scatola di giunzione della batteria. NXP: 800 V BMS reference-design user guide (2023)

Unità di monitoraggio e controllore

Le unità di monitoraggio delle celle (CMU) misurano le tensioni dei gruppi e i segnali dei sensori di temperatura vicino alle celle. Possono anche integrare circuiti di bilanciamento. L'unità di gestione della batteria (BMU) raccoglie le letture ed esegue il software di controllo. NXP: 800 V BMS reference-design user guide (2023)

Collegamenti cablati possono connettere i dispositivi di monitoraggio in cascata. Un percorso di comunicazione ridondante può mantenere l'accesso alle misure dopo il guasto di un collegamento, se l'hardware e la strategia di controllo lo consentono. Texas Instruments: functional safety in battery management (2020)

Un BMS wireless sostituisce il cablaggio di comunicazione tra l'elettronica di monitoraggio delle celle e il controllore centrale con un collegamento radio. Analog Devices descrive questo collegamento nel proprio sistema BMS wireless. Analog Devices: wireless battery management (2022) La misura della tensione e il bilanciamento restano funzioni elettriche locali presso le celle. NXP: 800 V BMS reference-design user guide (2023)

La scatola di giunzione della batteria

La scatola di giunzione della batteria (BJB) contiene i collegamenti ad alta corrente e i dispositivi di commutazione del pacco; la configurazione delle misure varia. TI distingue una scatola convenzionale, con fili di misura diretti alla BMU, da una scatola intelligente dotata di monitoraggio locale del pacco. Texas Instruments: intelligent battery junction boxes (2022)

Sincronizzare i campioni di tensione e corrente è importante: letture acquisite in istanti diversi durante una variazione del carico possono alterare la potenza e la resistenza calcolate. Texas Instruments: intelligent battery junction boxes (2022)

Stimare carica, energia, potenza e stato di salute

Il BMS calcola grandezze che i sensori non possono misurare direttamente. Le loro definizioni e condizioni di riferimento determinano il significato di una percentuale visualizzata o di un valore diagnostico.

Stato di carica

Lo stato di carica (SOC) esprime la carica elettrica residua rispetto a una capacità di carica di riferimento, solitamente in percentuale. Il conteggio dei coulomb segue la carica in ingresso e in uscita integrando la corrente nel tempo. Analog Devices: SOC and SOH estimation techniques (2023)

In un esempio semplificato, una corrente di scarica costante di 10 A per 30 minuti preleva 5 Ah. Rispetto a una capacità di riferimento fissa di 100 Ah, sono cinque punti percentuali di SOC. Questo calcolo segue la carica; per calcolare l'energia serve anche la tensione.

Un offset persistente del sensore di corrente produce un errore che si accumula durante l'integrazione della corrente nel tempo. L'analisi di Analog Devices sulla precisione del conteggio dei coulomb descrive l'offset e altri errori di misura. Analog Devices: accuracy of coulomb-counting systems (2000)

Il calcolo richiede anche un SOC iniziale. La tensione può contribuire a correggere la stima, ma risponde al carico e alla temperatura. Stimatori basati su modelli, come i filtri di Kalman, combinano le misure con il comportamento previsto della batteria per aggiornare il SOC. Analog Devices: SOC and SOH estimation techniques (2023)

Le celle LFP rendono particolarmente difficile la stima basata sulla tensione nella parte piatta della curva di tensione a circuito aperto. L'isteresi implica inoltre che la tensione dipenda dal precedente percorso di carica o scarica. Lo studio di Che e colleghi del 2025 esamina queste difficoltà e l'uso di misure di rilassamento per correggere le stime del SOC. Che et al.: Enhanced SOC Estimation for LFP Batteries (2025) Cell Chemistry and Components spiega i materiali coinvolti.

La percentuale sul cruscotto converte poi la stima della batteria in una scala destinata al conducente. Il 100% e lo 0% visualizzati non devono necessariamente coincidere con i limiti operativi delle celle o con l'esaurimento di tutta l'energia accessibile; Battery Buffer and Usable Capacity spiega la distinzione.

Una misura della tensione a circuito aperto dopo un riposo sufficientemente lungo può fornire un nuovo riferimento SOC, usando la relazione tensione–SOC della cella. Analog Devices: SOC and SOH estimation techniques (2023) Correggere la stima può quindi modificare la percentuale visualizzata senza aggiungere energia né ripristinare capacità persa. Le abitudini di ricarica devono seguire il manuale del veicolo.

Energia residua e stato di energia

L'energia utilizzabile residua si esprime in kWh. Lo stato di energia (SOE) può invece essere espresso come frazione o percentuale: MathWorks lo definisce come energia residua divisa per l'energia totale di riferimento. Il riferimento e le condizioni di scarica devono essere chiari quando si confrontano i valori. MathWorks: state-of-energy estimator

SOC e SOE non devono necessariamente seguire percentuali identiche, perché la tensione varia durante la scarica. Due batterie con lo stesso SOC possono anche avere quantità diverse di energia residua semplicemente perché hanno capacità differenti.

Stato di potenza

Lo stato di potenza (SOP) descrive la potenza che una batteria può accettare o erogare entro i propri limiti per una durata specificata. Le capacità di carica e scarica sono calcolate separatamente. Un breve picco e una potenza sostenuta rappresentano richieste operative diverse.

Uno stimatore di potenza considera come la tensione delle celle risponderà alla corrente, usando fattori quali SOC, temperatura e resistenza. La corrente consentita del pacco deve rispettare i gruppi di celle limitanti e i limiti del pacco stesso. Il modello di potenza della batteria di MathWorks illustra questo calcolo su un periodo di previsione definito. MathWorks: battery power estimator

Stato di salute

Lo stato di salute (SOH) descrive le capacità rispetto a un riferimento, comunemente la batteria nuova. La capacità conservata e la possibilità di erogare potenza sono aspetti diversi dello stato di salute. Una percentuale SOH richiede una metrica e una base di confronto definite. Analog Devices: SOC and SOH estimation techniques (2023)

Il manuale statunitense Tesla per la Model 3 del periodo 2017–2023 distingue una valutazione della salute basata sui dati BMS da un test facoltativo che indica l'energia conservata rispetto al nuovo. Il manuale precisa che la funzione di test potrebbe non essere disponibile su tutti i veicoli. Tesla Model 3 (2017–2023): high-voltage battery health, US manual

Battery Degradation approfondisce la perdita di capacità e l'aumento della resistenza.

Collegare e proteggere il circuito ad alta tensione

I contattori sono interruttori azionati elettricamente che collegano la batteria al circuito ad alta tensione del veicolo. Prima di consentire il collegamento, la logica di controllo verifica le misure e i segnali di guasto pertinenti.

Precarica

Le apparecchiature ad alta tensione, come l'inverter, contengono condensatori. Collegare direttamente alla batteria un condensatore scarico del circuito intermedio in corrente continua può generare una forte corrente di spunto, danneggiare componenti o saldare le superfici dei contattori. Un circuito di precarica convenzionale lo carica prima attraverso una resistenza. Texas Instruments: high-voltage precharge circuits (2021)

Nello schema illustrato da TI, il contattore principale negativo e il percorso di precarica si chiudono mentre il contattore principale positivo resta aperto. Quando la tensione sul lato del carico si avvicina a quella della batteria, il circuito passa a condurre la corrente attraverso i contattori principali, con il ramo di precarica aperto. Texas Instruments: high-voltage precharge circuits (2021)

Le misure di tensione sui lati batteria e carico permettono al controllore di seguire la precarica e supportano la diagnosi della commutazione. Texas Instruments: intelligent battery junction boxes (2022) Le letture vanno interpretate in base allo stato operativo del circuito: la precarica avvicina le due tensioni mentre il contattore principale positivo è ancora aperto, quindi tensioni coincidenti non bastano a stabilire che si sia chiuso. Texas Instruments: high-voltage precharge circuits (2021)

Monitoraggio dell'isolamento e dell'interblocco

Il monitoraggio dell'isolamento verifica la resistenza elettrica tra il circuito ad alta tensione e il telaio. Rileva un percorso conduttivo indesiderato, anziché controllare soltanto se un connettore è inserito. La BJB di riferimento NXP include il monitoraggio dell'isolamento tra batteria e telaio. NXP: 800 V BMS reference-design user guide (2023)

L'anello di interblocco dell'alta tensione (HVIL) è un circuito separato a bassa tensione che attraversa i collegamenti monitorati. Il progetto di riferimento TI distingue collegamenti chiusi, collegamenti aperti e cortocircuiti, comunicandone lo stato alla logica di sicurezza del veicolo. Texas Instruments: high-voltage interlock reference design (2024) Un guasto dell'interblocco e uno dell'isolamento descrivono quindi problemi diversi, anche se entrambi possono impedire l'attivazione dell'alta tensione.

La risposta dipende dal guasto

Le decisioni di protezione dipendono dal guasto e dallo stato operativo del veicolo. Le risposte possono includere una limitazione della potenza, l'arresto della ricarica, un avviso al conducente o il blocco della riconnessione. Una forte sovracorrente può attivare una protezione più rapida: TI descrive un'uscita dedicata del dispositivo di monitoraggio del pacco che può azionare un sezionatore pirotecnico. Texas Instruments: intelligent battery junction boxes (2022)

La sicurezza funzionale considera anche i guasti dell'elettronica di monitoraggio e controllo stessa. ISO/TR 9968:2023 offre un quadro informativo per applicare la metodologia ISO 26262 ai sistemi ricaricabili di accumulo dell'energia, inclusi BMS, celle e collegamenti. ISO/TR 9968:2023: functional safety of rechargeable energy-storage systems

L'apertura dei contattori isola il circuito esterno, ma lascia energia nelle celle e tensione sui conduttori interni. Battery Safety tratta i guasti interni delle celle, il contenimento fisico e la protezione dalla propagazione.

Come i limiti influiscono su ricarica e guida

Il BMS comunica agli altri controllori del veicolo i limiti consentiti di carica e scarica. Durante la ricarica rapida, il controllore di ricarica usa i limiti della batteria quando richiede corrente alla stazione. La capacità del caricatore e l'hardware del veicolo possono imporre ulteriori limiti; Battery Charging and Charging Performance ne spiega l'effetto sull'intera curva di ricarica.

Quando la tensione di un gruppo di celle si avvicina al limite superiore, la corrente di ricarica consentita diminuisce. Durante la scarica, un calo di tensione in un gruppo limitante può invece restringere la corrente disponibile per la trazione. Il conducente può quindi avvertire un'accelerazione ridotta anche se nel pacco rimane energia. MathWorks: battery power estimator

La frenata rigenerativa restituisce energia alla batteria e deve rispettarne il limite di potenza di carica. La compensazione automatica con i freni ad attrito dipende dal veicolo e dalle impostazioni. Il manuale statunitense Tesla per la Model 3 dal 2024 in poi descrive, per esempio, una funzione selezionabile che applica i freni convenzionali quando la rigenerazione è limitata da una batteria fredda o completamente carica. Questa compensazione potrebbe non funzionare con freni estremamente caldi. Tesla Model 3 (2024+): braking and stopping, US manual

Usando le misure di temperatura, il BMS comunica richieste di riscaldamento e raffreddamento al sistema di gestione termica, insieme ai limiti di carica e scarica. Nexperia: Battery Management System technical guide Battery Thermal Management spiega i percorsi del calore e le strategie di precondizionamento.

Bilanciamento e informazioni diagnostiche

Il bilanciamento riduce le differenze nel livello di carica tra gruppi collegati in serie. In un sistema passivo, una resistenza dissipa energia da gruppi selezionati affinché gli altri possano continuare a caricarsi. Analog Devices: passive battery cell balancing (2016) Il bilanciamento modifica la distribuzione della carica; la calibrazione del SOC modifica la stima. Metodi e limiti sono descritti in Cell Balancing.

Le informazioni diagnostiche aiutano a distinguere un problema della cella da uno di misura o collegamento. Per esempio, un filo di misura della tensione scollegato può eliminare una lettura valida senza che la cella stessa sia guasta. Anche i guasti di comunicazione possono rendere le misure indisponibili al controllore, che potrebbe quindi non avere le informazioni necessarie per consentire di proseguire il funzionamento. Texas Instruments: functional safety in battery management (2020)

Quando si interpreta una percentuale diagnostica, occorre verificare se deriva da una stima durante il normale funzionamento o da un test, che cosa misura e quale riferimento utilizza.