Bilanciamento delle celle

Il bilanciamento delle celle corregge le differenze nel livello di carica tra i gruppi collegati in serie nella batteria di un veicolo elettrico. Aiuta a impedire che un gruppo termini troppo presto la carica o la scarica, ma non può ripristinare la capacità perduta né riparare una cella degradata.

Cosa bilancia realmente il bilanciamento delle celle

Il nome bilanciamento delle celle può suggerire che il sistema di gestione della batteria (BMS) misuri e regoli separatamente ogni cella fisica. Non è sempre così che viene costruita una batteria.

Le celle collegate in parallelo condividono la stessa tensione ai terminali e vengono normalmente monitorate come un unico gruppo. In una batteria 108s4p, per esempio, 108 gruppi sono collegati in serie e ciascun gruppo contiene quattro celle in parallelo. Il pacco ha 432 celle fisiche, ma normalmente dispone di 108 vie per il monitoraggio della tensione e il bilanciamento.

In questo articolo, gruppo di celle indica una posizione monitorata nella catena in serie. Può essere costituito da una grande cella o da più celle in parallelo.

Ogni gruppo collegato in serie è attraversato dalla stessa corrente del pacco. Se nella batteria scorrono 50 A, gli stessi 50 A attraversano ogni posizione in serie. I gruppi possono tuttavia raggiungere stati di carica diversi, perché capacità, resistenza, temperatura, autoscarica e invecchiamento non sono perfettamente identici.

Il bilanciamento è la funzione del BMS che riduce queste differenze nel livello di carica. Il sistema più ampio di monitoraggio, stima e protezione è descritto in Sistema di gestione della batteria.

Perché i gruppi di celle si allontanano

Durante la produzione le celle vengono selezionate e abbinate, ma nessuna coppia rimane esattamente identica per tutta la vita utile. Piccole differenze si accumulano attraverso ripetuti periodi di ricarica, guida e sosta.

Le cause principali includono:

Variazioni di fabbricazione e della capacità iniziale
Diversi tassi di invecchiamento e perdita di capacità
Differenze nella resistenza interna
Temperatura e raffreddamento non uniformi
Piccole variazioni dell'autoscarica
Dispersioni attraverso l'elettronica di rilevamento o bilanciamento
Una cella debole all'interno di un gruppo in parallelo
Differenze nei busbar, terminali o altri collegamenti elettrici
Offset del sensore di tensione o guasto di un cavo di rilevamento

Queste cause non rappresentano tutte lo stesso problema.

Squilibrio dello stato di carica

Uno squilibrio dello stato di carica significa che due gruppi contengono quantità diverse di carica rispetto alle rispettive capacità utilizzabili. Se due gruppi altrimenti identici da 100 Ah contengono 80 Ah e 78 Ah, i loro stati di carica sono 80% e 78%.

È questa la differenza che il bilanciamento è progettato per correggere.

Squilibrio di capacità

Uno squilibrio di capacità esiste quando un gruppo può immagazzinare meno carica degli altri. Un gruppo degradato da 90 Ah e uno sano da 100 Ah possono trovarsi entrambi al 100% di SOC, ma il gruppo degradato contiene meno carica e normalmente raggiungerà per primo lo stato di scarica.

Il bilanciamento può allineare i due gruppi in un punto scelto della finestra operativa. Non può ripristinare i 10 Ah mancanti. Il gruppo con la capacità minore può quindi continuare a limitare l'energia utilizzabile del pacco anche dopo il bilanciamento.

Differenze di resistenza e temperatura

Un gruppo ad alta resistenza mostra un aumento di tensione maggiore durante la ricarica e una caduta maggiore in accelerazione. Anche un gruppo freddo può subire un calo di tensione più marcato sotto carico rispetto a uno caldo allo stesso SOC.

Queste differenze temporanee di tensione non sono necessariamente differenze di carica. Bilanciare basandosi soltanto sulla tensione istantanea mentre la corrente è elevata può sottrarre carica al gruppo sbagliato.

Autoscarica

Un gruppo con maggiore autoscarica rimane gradualmente indietro mentre il veicolo è parcheggiato. Il bilanciamento può riallinearlo ripetutamente, ma una deriva persistente può indicare un difetto della cella, contaminazione, dispersione nell'hardware di monitoraggio o un altro guasto da diagnosticare.

Le celle collegate in serie divergono naturalmente a causa delle differenze di temperatura, impedenza, carico e autoscarica, mentre il bilanciamento passivo è generalmente sufficiente per piccole differenze di SOC tra celle ben abbinate. (Analog Devices)

Come un gruppo limita la batteria

Ogni gruppo monitorato deve rimanere entro il proprio intervallo consentito di tensione e temperatura. La media del pacco non può superare il limite di un singolo gruppo.

Durante la ricarica

La ricarica è limitata dal gruppo che raggiunge per primo il limite superiore di tensione. Immaginiamo quattro gruppi vicini alla fine della ricarica:

Il gruppo A raggiunge il limite superiore.
Il gruppo B è al 98% di SOC.
Il gruppo C è al 97% di SOC.
Il gruppo D è al 99% di SOC.

Continuare con la stessa corrente sovraccaricherebbe il gruppo A, anche se gli altri hanno ancora margine. Il BMS deve ridurre la corrente di ricarica, bilanciare gruppi selezionati, interrompere la ricarica o combinare queste azioni. Parte della capacità dei gruppi B e C rimane inutilizzata.

Durante la scarica

La scarica è limitata dal gruppo che raggiunge per primo il limite inferiore. I gruppi più forti possono contenere ancora energia, ma il veicolo non può continuare a prelevare corrente senza limiti e scaricare eccessivamente il gruppo limitante.

Il BMS normalmente riduce la potenza di propulsione disponibile prima che il gruppo raggiunga il limite inferiore assoluto. Se necessario, alla fine impedisce un'ulteriore scarica per la trazione.

Il gruppo che limita la ricarica non è sempre quello che limita la scarica. Un gruppo con resistenza maggiore può salire di più durante la ricarica e scendere di più in accelerazione, mentre un gruppo con capacità inferiore può raggiungere per primo la fine della carica utilizzabile. Per questo la dispersione delle tensioni richiede un contesto, non una sola soglia.

Il bilanciamento passivo e quello attivo mirano entrambi a recuperare l'energia utilizzabile che altrimenti rimarrebbe bloccata da una differenza di SOC. Nessuno dei due modifica la capacità fisica delle celle. (Analog Devices)

Come il BMS identifica uno squilibrio

L'elettronica di monitoraggio misura la tensione di ogni gruppo in serie. Il BMS valuta quindi le letture insieme a:

Corrente del pacco
Temperature di celle e moduli
Risposta della tensione durante carica e scarica
Recupero della tensione dopo l'interruzione della corrente
SOC stimato del gruppo
Capacità e resistenza apprese
Attività di bilanciamento precedente
Autoscarica durante la sosta
Diagnostica di sensori e comunicazione

La differenza tra la tensione misurata più alta e quella più bassa viene spesso chiamata delta di tensione delle celle o dispersione della tensione. È utile, ma non misura completamente il bilanciamento.

La tensione è più facile da interpretare quando la corrente è bassa, le temperature sono simili e gli effetti temporanei di polarizzazione e resistenza si sono stabilizzati. Durante una ricarica rapida o una forte accelerazione, la dispersione misurata può essere dominata dalla resistenza anziché dal SOC.

Un gruppo che appare più alto in ricarica e più basso in scarica può avere una resistenza maggiore, non una carica immagazzinata in eccesso. Il BMS deve distinguere tra:

Una reale differenza di SOC
Una differenza di capacità
Una differenza di tensione legata alla resistenza
Un effetto della temperatura
Un'autoscarica anomala
Un guasto del sensore, del cavo di rilevamento o del collegamento

Le decisioni di bilanciamento basate sulla sola tensione ad alta corrente possono peggiorare la differenza. Le indicazioni tecniche sottolineano quindi corrente, effetti resistivi e condizioni prossime alla fine della ricarica, quando la corrente è diminuita. (Texas Instruments)

Perché l'LFP richiede particolare attenzione

Le celle al fosfato di ferro e litio (LFP) presentano una curva della tensione a circuito aperto relativamente piatta per gran parte dell'intervallo di SOC. Una variazione significativa della carica immagazzinata può produrre solo una piccola differenza di tensione, mentre temperatura, isteresi, errore del sensore e flusso di corrente recente possono produrre differenze analoghe.

La tensione diventa più informativa nelle parti più ripide della curva LFP, ma un BMS preciso necessita comunque di integrazione accurata della corrente, compensazione della temperatura, un modello specifico per la chimica e condizioni di riferimento adatte. Le indicazioni di Analog Devices sulla stima della carica LFP descrivono curva piatta e isteresi come sfide centrali. (Analog Devices)

Ciò non rende impossibile bilanciare l'LFP. Significa che una semplice regola come “scarica il gruppo con la tensione più alta” è meno affidabile nella parte centrale e piatta dell'intervallo operativo.

Bilanciamento passivo

Il bilanciamento passivo sottrae una piccola quantità di carica ai gruppi selezionati con SOC più alto. Un transistor collega un resistore ai capi del gruppo e l'energia elettrica deviata si trasforma in calore.

Durante la ricarica, scaricare parzialmente un gruppo più alto consente a quelli più bassi di recuperare mentre il pacco continua a ricevere energia. Alcuni sistemi possono inoltre scaricare gruppi selezionati mentre il veicolo è parcheggiato o dopo l'interruzione della ricarica.

Il bilanciamento passivo è comune perché il circuito è compatto, relativamente economico e facile da integrare nell'hardware di monitoraggio. I principali limiti sono:

L'energia rimossa viene dissipata come calore.
La corrente di bilanciamento è piccola rispetto a quella di ricarica o trazione.
Grandi differenze possono richiedere molte ore.
La temperatura dei resistori può limitare quanti canali funzionano contemporaneamente.
Non può trasferire energia a un gruppo più scarico durante la scarica.

Corrente e tempo di bilanciamento

L'hardware automobilistico di bilanciamento opera comunemente nell'intervallo dei milliampere. Il controller automobilistico MC33775A di NXP, per esempio, consente bilanciamento passivo fino a 300 mA per canale e include controlli di tempo, tensione e temperatura. È una capacità del componente, non un valore applicabile a ogni veicolo elettrico. (NXP)

Una semplice stima del tempo è:

Tempo di bilanciamento = differenza di carica ÷ corrente di bilanciamento

Una differenza di SOC dell'1% in un gruppo da 100 Ah rappresenta 1 Ah. Con una corrente di bilanciamento continua di 0,1 A, rimuovere la differenza richiederebbe circa 10 ore.

Il bilanciamento reale può durare di più perché il BMS può sospenderlo per misurare la tensione, limitare canali adiacenti, ridurre il ciclo di lavoro quando i componenti si scaldano, interromperlo fuori dall'intervallo di temperatura consentito o permettere al veicolo di entrare in uno stato a minore consumo. Gli attuali monitor automobilistici includono questi controlli temporali e termici perché resistori di scarica e dispositivi di commutazione devono essere protetti. (Texas Instruments)

Il bilanciamento passivo è quindi adatto a correggere la deriva graduale tra gruppi altrimenti simili. Non è una riparazione rapida per una batteria gravemente disallineata.

Bilanciamento attivo

Il bilanciamento attivo trasferisce la carica tramite circuiti elettronici di potenza, invece di dissiparla deliberatamente nei resistori. A seconda della topologia, l'energia può spostarsi:

Da un gruppo più carico a uno meno carico
Tra un gruppo e una sezione più grande del pacco
Tra moduli o sezioni del pacco
Dal pacco a un gruppo scarico

Il circuito di trasferimento può usare condensatori, induttori, trasformatori, matrici di commutazione o convertitori CC-CC bidirezionali.

Il bilanciamento attivo può funzionare a corrente maggiore e ridistribuire energia durante carica, scarica o riposo. Durante la scarica, per esempio, può alimentare un gruppo vicino al limite inferiore con energia proveniente da gruppi più forti, ritardando il momento in cui quel gruppo termina la scarica utilizzabile del pacco.

Il metodo non è privo di perdite. Conduttori, interruttori, componenti magnetici ed elettronica di controllo consumano energia e generano calore. Aggiunge inoltre:

Costo e numero di componenti
Spazio e peso
Complessità di controllo
Considerazioni sull'interferenza elettromagnetica
Ulteriori requisiti diagnostici e di sicurezza funzionale
Altre possibili modalità di guasto

Il bilanciamento attivo può rendere utilizzabile una parte maggiore dell'energia esistente quando le capacità dei gruppi sono divergenti, ma non ripristina la capacità originale di un gruppo debole. Lo stesso gruppo può tornare a essere limitante nel ciclo successivo. Analog Devices descrive chiaramente la distinzione: il bilanciamento passivo dissipa la carica in eccesso, quello attivo la ridistribuisce. (Analog Devices)

Il bilanciamento attivo non è automaticamente la soluzione migliore per ogni veicolo elettrico. Quello passivo può bastare quando le celle sono ben abbinate e il BMS corregge regolarmente piccole derive. Quello attivo diventa più interessante quando il beneficio in energia utilizzabile giustifica hardware e convalida aggiuntivi. Le rassegne sulle architetture per veicoli elettrici giungono allo stesso compromesso generale: i sistemi attivi offrono un trasferimento più flessibile, mentre quelli passivi conservano vantaggi di costo e semplicità. (Energies)

Quando avviene il bilanciamento

Non esiste un programma universale. A seconda della batteria e della strategia del BMS, il bilanciamento può avvenire:

Durante la ricarica CA
Verso la fine della ricarica
Dopo l'interruzione della ricarica
Mentre il veicolo rimane collegato
In determinate condizioni di sosta o guida
Ogni volta che tensione, corrente e temperatura soddisfano i criteri programmati

Molti sistemi eseguono gran parte del bilanciamento a SOC elevato. La corrente di ricarica è più bassa, il BMS può identificare quale gruppo raggiunge per primo il limite superiore e il veicolo collegato può avere tempo sufficiente per una correzione lenta.

Questa strategia viene spesso chiamata bilanciamento superiore, ma altre possono allineare i gruppi vicino al limite inferiore o usare modelli su un intervallo operativo più ampio. Il metodo scelto dipende da chimica delle celle, progetto del pacco, finestra operativa e priorità del costruttore.

Ricaricare fino al 100% visualizzato non dimostra che il bilanciamento sia avvenuto. Il BMS può richiedere anche una temperatura adatta, una differenza minima di tensione o SOC stimato, una corrente bassa, ulteriore tempo di collegamento o un'altra condizione specifica del costruttore.

Bilanciamento e calibrazione del SOC sono processi diversi

Il bilanciamento modifica la distribuzione della carica tra gruppi collegati in serie. La calibrazione del SOC modifica la stima del BMS su quanto sia carica la batteria.

Un punto di riferimento alto o basso può aiutare il BMS a ricalibrare il SOC e una ricarica lunga può offrire anche tempo per il bilanciamento, ma i due processi restano distinti. Un veicolo può aggiornare la percentuale visualizzata senza spostare una quantità significativa di carica tra i gruppi. Può anche bilanciare i gruppi senza produrre una variazione visibile sul cruscotto.

I conducenti devono quindi seguire le indicazioni per il proprio veicolo, anziché applicare la regola generica “ricarica al 100% per bilanciare”. Chimica, strategia del BMS, software, tempo di sosta ed esigenze quotidiane di autonomia influiscono tutti sulla routine appropriata. Le prestazioni di ricarica e la riduzione della potenza a SOC elevato sono trattate separatamente in Ricarica della batteria e prestazioni.

Cosa non può risolvere il bilanciamento

Il bilanciamento non può:

Ripristinare capacità persa per degrado
Invertire un aumento permanente della resistenza
Riparare un cortocircuito interno
Arrestare un'autoscarica anomala
Riparare un busbar, terminale o cavo di rilevamento danneggiato
Correggere un raffreddamento inadeguato
Riparare un sensore di tensione o temperatura impreciso
Fare invecchiare tutti i gruppi alla stessa velocità
Recuperare litio o materiale attivo già perso all'interno di una cella

Se un gruppo torna ripetutamente fuori allineamento poco dopo il bilanciamento, la batteria può avere un problema sottostante di capacità, resistenza, autoscarica, temperatura, collegamento o rilevamento. Il bilanciamento può riallinearlo temporaneamente, ma uno squilibrio persistente richiede diagnosi.

La maggior parte dei veicoli elettrici non mostra direttamente l'attività di bilanciamento. I possibili sintomi indiretti includono:

Riduzione o interruzione della potenza di ricarica prima del previsto
Minore energia utilizzabile
Correzione improvvisa del SOC visualizzato
Calo più rapido del SOC vicino allo scaricamento
Minore potenza di propulsione con SOC basso
Ampia dispersione della tensione segnalata
Il veicolo che rimane attivo dopo la ricarica
Un avviso della batteria o del sistema di propulsione

Nessuno di questi sintomi dimostra uno squilibrio. Temperatura, normale riduzione della potenza di ricarica, errore di stima del SOC, limiti del caricatore, degrado generale, guasti del raffreddamento e strategia software possono produrre comportamenti simili.

Una diagnosi affidabile confronta tensione, temperatura, resistenza, autoscarica e cronologia dei gruppi in condizioni controllate. Una sola schermata del delta di tensione o una singola sessione di ricarica non bastano. La perdita permanente di capacità e le prove sullo stato della batteria sono spiegate in Degrado della batteria.

Il bilanciamento è più efficace quando corregge silenziosamente piccole differenze prima che il conducente le noti. Quando un gruppo è diventato abbastanza debole da limitare ripetutamente il pacco, il bilanciamento può gestirne la conseguenza ma non eliminarne la causa.