Perché un sistema di gestione di batterie è importante?

Un sistema di gestione di batterie influisce direttamente sulla sicurezza, l’efficienza e la longevità della batteria e, di conseguenza, sulle prestazioni e l’affidabilità del sistema nel suo complesso. Gli effetti principali di un sistema di gestione di batterie includono:

• Sicurezza:
  • Prevenzione di sovraccarichi e sovrascariche: il sistema di gestione di batterie garantisce che ogni cella del pacco batteria sia mantenuta entro i limiti di tensione di sicurezza, prevenendo così situazioni che potrebbero causare la fuga termica o il deterioramento prematuro delle celle.
  • Monitoraggio della tensione e della temperatura: il BMS monitora costantemente la tensione e la temperatura delle celle della batteria, fornendo avvisi tempestivi in caso di potenziali problemi di sicurezza.
• Prolungamento della durata della batteria:
  • Prevenzione delle condizioni di stress: attraverso la manutenzione della batteria entro condizioni operative ottimali, un sistema di gestione di batterie previene lo stress e quindi l’invecchiamento prematuro.
• Ottimizzazione delle prestazioni:
  • Ottimizzazione delle condizioni operative: un sistema di gestione di batterie monitora e regola parametri come la temperatura e la gestione del carico, garantendo così che la batteria funzioni in modo efficiente con prestazioni ottimali.
  • Stima dello stato di carica (SoC) e dello stato di salute (SoH): un BMS calcola e fornisce report sui valori SoC e SoH della batteria, fondamentali per comprendere l’energia disponibile e lo stato di salute complessivo della batteria.
  • Bilanciamento delle celle: con il tempo, le celle di un pacco batteria possono diventare sbilanciate, il che significa che alcune di esse presentano livelli di carica superiori o inferiori rispetto ad altre. Un BMS è in grado di bilanciare le celle garantendo che ciascuna cella venga caricata e scaricata in modo uniforme, contribuendo così a massimizzare l’autonomia della batteria.
• Riduzione dei costi:
  • Riduzione dei costi di manutenzione: prolungando la vita della batteria e prevenendo i danni attraverso il monitoraggio e la gestione continui, un sistema di gestione di batterie può ridurre i costi di manutenzione e sostituzione.
  • Massimizzazione dell’utilizzo di energia: grazie a un efficiente bilanciamento delle celle, un BMS massimizza l’energia accumulata utilizzabile, aumentando l’efficienza economica del sistema.
• Conformità e integrazione:
  • Integrazione con sistemi di energia rinnovabile: un sistema di gestione di batterie gestisce l’accumulo e il rilascio di energia ed è quindi essenziale per integrare le batterie con sistemi di energia rinnovabile, come pannelli solari o turbine eoliche.
  • Conformità alle normative: in molti casi la presenza di un BMS costituisce un requisito normativo previsto da standard di sicurezza ed efficienza, in particolare nei veicoli elettrici e nei sistemi di accumulo di energia su larga scala.

Come funziona un sistema di gestione di batterie?

Le funzioni principali di un sistema di gestione di batterie sono il monitoraggio, la stima dello stato, il bilanciamento delle celle, la gestione dell’energia, la gestione termica, la protezione e le comunicazioni.

Monitoraggio

Un sistema di gestione di batterie monitora la tensione, la corrente e la temperatura per garantire che la batteria operi entro i limiti di sicurezza.

Stima dello stato

Una delle funzioni principali di un sistema di gestione di batterie è la stima dello stato, tra cui stato di carica (SoC), stato di salute (SoH), stato di energia (SoE) e stato di potenza (SoP). Lo stato di carica è una quantità normalizzata che indica la carica residua nella batteria ed è definito come il rapporto tra la quantità massima di carica estraibile dalla cella in un momento specifico e la capacità totale. I metodi per la stima del SoC vanno dalla semplice integrazione delle correnti (Coulomb Counting) e dal monitoraggio della tensione a metodi sofisticati basati su modelli e dati, come i filtri di Kalman e le reti neurali.

Il SoH indica le condizioni di salute complessive della batteria (resistenza interna e capacità) rispetto alle sue prestazioni all’inizio del ciclo di vita (BoL). La valutazione del SoH è più soggettiva rispetto al SoC in quanto non esiste un accordo universale sulla definizione di stato di salute. Poiché il SoH può essere definito in base alla capacità o alla resistenza interna, ciascuna organizzazione può disporre di un proprio metodo specifico per la stima del SoH nel sistema di gestione di batterie, il che ostacola la creazione di una soluzione generica e pronta all’uso. Simscape Battery™ consente di sviluppare e simulare algoritmi di stima del SoH personalizzati nell’implementazione del sistema di gestione di batterie, in linea con l’interpretazione specifica di salute della batteria da parte della propria organizzazione.

Bilanciamento delle celle

Nel corso del tempo, le singole celle all’interno di un pacco batteria possono presentare livelli di carica diversi a causa di variazioni nelle condizioni di produzione, utilizzo o temperatura. Un sistema di gestione di batterie bilancia la carica tra le celle per garantire che abbiano tutte lo stesso livello di carica, massimizzando così la capacità e la durata della batteria. Due approcci comunemente adottati per il bilanciamento delle celle sono il bilanciamento passivo e il bilanciamento attivo.

Bilanciamento passivo

Un sistema di gestione di batterie scarica le celle con SoC elevato attraverso resistori di dispersione. In questo caso, l’energia viene dissipata sotto forma di calore. Simscape Battery consente di utilizzare sia un circuito di bilanciamento passivo integrato nel pacco batteria, sia una strategia di bilanciamento esterna nel sistema di gestione di batterie.

È possibile tracciare il valore SoC ottenuto di due celle collegate in serie utilizzando un algoritmo di bilanciamento passivo.

Simscape Battery consente di testare algoritmi di bilanciamento passivo delle celle nel sistema di gestione di batterie su un sistema Hardware-In-the-Loop (HIL) di emulazione della batteria mediante il blocco Passive Balancing Interface.

Bilanciamento attivo

Un sistema di gestione di batterie sposta la carica dalle celle a SoC elevato a quelle a basso SoC utilizzando dispositivi come condensatori e induttori. In questo caso, l’energia viene trasferita all’interno di varie celle del pacco batteria.

Gestione della potenza

Un sistema di gestione di batterie supervisiona e controlla il flusso di potenza da e verso un pacco batteria. Durante la carica, il BMS previene sovracorrenti e sovratensioni. L’algoritmo a corrente costante e tensione costante (CC-CV) è un approccio comune alla carica delle batterie utilizzato nei sistemi di gestione di batterie. Durante la fase di carica a corrente costante, la corrente di carica viene mantenuta costante e la tensione della batteria aumenta gradualmente. Durante la fase di carica a tensione costante, la tensione di carica viene mantenuta costante e la corrente della batteria diminuisce gradualmente.

Gestione termica

Il controllo della temperatura è fondamentale per le batterie in quanto le temperature elevate ne riducono notevolmente la durata, mentre le basse temperature ne diminuiscono la capacità e l’energia utilizzabile e influiscono sulla velocità di ricarica. È importante che un sistema di gestione di batterie attivi riscaldatori o refrigeratori per mantenere la temperatura entro limiti di sicurezza. Con Simscape Battery è possibile modellare un ciclo di carica e scarica su un gruppo modulo batteria con monitoraggio della temperatura delle celle e raffreddamento.

Le celle della batteria partono con temperature diverse. Il blocco Battery Coolant Control monitora la temperatura delle celle e, se le celle della batteria superano una temperatura limite, inizia a raffreddare il gruppo modulo. Quando la temperatura delle celle scende al di sotto di una determinata soglia, il blocco Battery Coolant Control disattiva il flusso del refrigerante.

Simscape Battery permette di utilizzare blocchi predefiniti, come Battery Coolant Control e Battery Heater Control, per costruire algoritmi di controllo della gestione termica delle batterie.

Protezione

Un sistema di gestione di batterie fornisce una protezione contro condizioni potenzialmente dannose per la batteria, come sovraccarichi, sovrascariche, sovracorrente e sovratemperatura. La prevenzione di queste condizioni è fondamentale per evitare danni alle celle della batteria e garantire la sicurezza degli utenti.

Simscape Battery fornisce diversi algoritmi di protezione delle batterie integrati per la progettazione di sistemi di gestione di batterie:

• Battery Cell Contact Monitoring: monitora i contatti delle celle della batteria
• Battery Current Monitoring: monitora la corrente della batteria
• Battery Temperature Monitoring: monitora la temperatura della batteria
• Battery Voltage Monitoring: monitora la tensione della batteria
• Fault Qualification: algoritmo di qualificazione dei guasti

È possibile utilizzare un blocco Battery Cell Contact Monitoring nel sistema di gestione di batterie per rilevare eventuali celle scollegate in base alla tensione del gruppo parallelo.

È possibile utilizzare blocchi di protezione integrati nel sistema di gestione di batterie per monitorare la corrente e la temperatura di una batteria al fine di rilevare errori di sottotemperatura e sovratemperatura e di sovracorrente (cfr. esempio di Simscape Battery).

Comunicazioni

Un sistema di gestione di batterie comunica con dispositivi o sistemi esterni, fornendo informazioni in tempo reale sullo stato della batteria e ricevendo istruzioni per la gestione dell’energia.

Svolgendo le funzioni primarie riportate sopra, un sistema di gestione di batterie ben progettato garantisce prestazioni massime, un funzionamento sicuro e una durata ottimale in varie condizioni di carica-scarica e ambientali.

Progettazione di un sistema di gestione di batterie con Simulink e Simscape Battery

Con Simulink^® e Simscape Battery, gli ingegneri possono progettare e simulare sistemi di gestione di batterie mediante:

• Modellazione di pacchi batteria con l’app Battery Builder o l’API MATLAB^® in Simscape Battery.
• Caratterizzazione degli elementi del modello di circuito equivalente delle celle della batteria con dati di test per una rappresentazione accurata della chimica delle celle
• Sviluppo di algoritmi di controllo per sistemi di gestione di batterie con blocchi di controllo BMS integrati in Simscape Battery
• Test degli algoritmi BMS mediante simulazione desktop ad anello chiuso, simulazione Software-In-the-Loop (SIL), simulazione Processor-In-the-Loop (PIL) e simulazione Hardware-In-the-Loop (HIL)
• Modellazione e simulazione di guasti nel sistema di batterie
• Progettazione del circuito dell’elettronica di potenza che collega il pacco ai controlli
• Sviluppo di algoritmi di controllo ad anello chiuso per la logica di supervisione e rilevamento dei guasti
• Gestione dei requisiti e creazione dell’architettura e delle funzionalità del sistema

Simulink e Simscape Battery permettono di sperimentare il BMS in varie condizioni di funzionamento e di guasto prima di procedere ai test sull’hardware. È possibile generare codice C dai modelli Simulink per implementare gli algoritmi di controllo ai fini della prototipazione rapida di sistemi o microcontroller.

Simulink genera il codice dai modelli della batteria e dei componenti elettronici, consentendo di eseguire la simulazione in tempo reale per i test HIL e di validare il BMS prima dell’implementazione dell’hardware.

Stima del SoC con Simscape Battery

Lo sviluppo di algoritmi per la stima del SoC basata su modelli in un sistema di gestione di batterie richiede modelli di batterie accurati. Gli approcci tradizionali alla stima del SoC in un BMS, come la misurazione della tensione ad anello aperto (OCV) e l’integrazione delle correnti (Coulomb Counting), sono facili da implementare e in alcuni casi relativamente accurati. Tuttavia, l’approccio basato su OCV richiede la misurazione dell’OCV, che deve essere preceduta da un lungo periodo di inattività. L’approccio del Coulomb Counting presenta problemi di scarsa inizializzazione e di accumulo di rumore di misurazione della corrente. Il filtro di Kalman esteso (EKF) e il filtro di Kalman unscented (UKF) sono approcci che hanno dimostrato di fornire risultati accurati con un relativo sforzo computazionale in implementazioni di BMS reali.

Simscape Battery fornisce diversi stimatori del SOC per lo sviluppo di BMS:

• SOC Estimator (Adaptive Kalman Filter): stimatore dello stato di carica e della resistenza terminale con filtro di Kalman adattivo
• SOC Estimator (Adaptive Kalman Filter, Variable Capacity): stimatore dello stato di carica e della resistenza terminale con filtro di Kalman adattivo e capacità variabile
• SOC Estimator (Coulomb Counting): stimatore dello stato di carica con Coulomb Counting
• SOC Estimator (Coulomb Counting, Variable Capacity): stimatore dello stato di carica con Coulomb Counting e capacità variabile
• SOC Estimator (Kalman Filter): stimatore dello stato di carica con filtro di Kalman
• SOC Estimator (Kalman Filter, Variable Capacity): stimatore dello stato di carica con filtro di Kalman e capacità variabile

Rispetto allo stimatore del SOC con filtro di Kalman, lo stimatore del SOC con filtro di Kalman adattivo presenta la resistenza terminale come stato aggiuntivo. Sia lo stimatore del SOC con filtro di Kalman adattivo che lo stimatore del SOC con filtro di Kalman offrono la possibilità di selezionare EKF o UKF per sviluppare un osservatore per la stima del SOC. In un sistema di gestione di batterie, tali osservatori includono generalmente un modello del sistema non lineare di interesse (la batteria), che utilizza la corrente e la tensione misurate da parte del BMS dalla cella come input, oltre a un algoritmo ricorsivo che calcola gli stati interni del sistema (tra cui il SoC) sulla base di un processo di previsione/correzione in due fasi.

Stima del SoC con una rete di Deep Learning

Al posto di un filtro di Kalman, un sistema di gestione di batterie può adoperare un metodo basato sui dati per la stima del SoC, come ad esempio una rete neurale. Questo metodo non richiede informazioni approfondite sulla batteria o sul suo comportamento non lineare. Al contrario, la rete viene addestrata con dati sulla corrente, la tensione e la temperatura e il SoC come risposta. È possibile comprimere una rete neurale mediante la proiezione, che presenta passaggi in avanti più rapidi quando eseguita sulla CPU o implementata sull’hardware embedded del BMS utilizzando la generazione di codice C o C++ senza librerie. 

Stima del SoH con Simscape Battery

Per un sistema di gestione di batterie è importante stimare lo stato di salute della batteria. Tutte le batterie, anche quelle che soddisfano le specifiche di prestazione al momento della produzione, si deteriorano nel tempo per ragioni di durata e a causa dei cicli ripetuti, subendo una graduale perdita di capacità e un aumento della resistenza interna. Mentre l’aumento della resistenza interna è relativamente semplice da stimare per un sistema di gestione di batterie utilizzando misurazioni di breve durata, la stima del deterioramento richiede un’escursione di carica o scarica completa per un calcolo accurato, il che non è sempre realizzabile.

Questa sfida ha determinato un crescente interesse per la stima del SoH nei sistemi di gestione di batterie e per lo sviluppo di formulazioni del filtro di Kalman adattivo ampliate per includere i parametri delle batterie oltre agli stati. Una stima accurata della resistenza interna istantanea è molto utile per un sistema di gestione di batterie per stabilire i limiti di potenza.

Simscape Battery fornisce stimatori del SoH integrati per stimare la capacità della batteria in un sistema di gestione di batterie:

• Battery Capacity Estimator (Kalman Filter): stimatore della capacità della batteria con filtro di Kalman
• Battery Capacity Estimator (Least Squares): stimatore della capacità della batteria con algoritmi dei minimi quadrati
• Battery Capacity Estimator (Least Squares, Variable Weights): stimatore della capacità della batteria con algoritmi dei minimi quadrati e pesi variabili
• SOH Estimator: stimatore dello stato di salute
• SOH Estimator (Capacity-Based): stimatore dello stato di salute basato sulla perdita di capacità

Ricarica rapida della batteria

Gli utenti della tecnologia moderna esigono una ricarica rapida ed efficiente dei loro dispositivi. La ricarica rapida della batteria riduce al minimo il tempo di collegamento a una presa di corrente. Ciò consente agli utenti di riprendere rapidamente le proprie attività senza lunghe interruzioni ed è particolarmente importante per i veicoli elettrici.

Simulink e Simscape Battery consentono di sviluppare algoritmi di ricarica rapida della batteria nel sistema di gestione di batterie modificando i blocchi integrati, come il blocco Battery CC-CV, al fine di incorporare un protocollo di ricarica rapida multistadio a corrente costante e tensione costante. Il blocco Battery Single Particle, che modella esplicitamente i processi elettrochimici all’interno delle batterie, fornisce una piattaforma per l’ottimizzazione della corrente di ricarica rapida entro vincoli che riducono al minimo la placcatura del litio e il deterioramento della batteria.