I pacchi batteria al litio sono come motori che non necessitano di manutenzione;BMSSenza una funzione di bilanciamento, si tratta semplicemente di un raccoglitore di dati e non può essere considerato un sistema di gestione. Sia il bilanciamento attivo che quello passivo mirano a eliminare le incongruenze all'interno di un pacco batterie, ma i loro principi di implementazione sono fondamentalmente diversi.
Per chiarezza, in questo articolo si definisce bilanciamento attivo il bilanciamento avviato dal BMS tramite algoritmi, mentre il bilanciamento che utilizza resistori per dissipare energia è definito bilanciamento passivo. Il bilanciamento attivo implica il trasferimento di energia, mentre il bilanciamento passivo implica la dissipazione di energia.
Principi di base della progettazione dei pacchi batteria
- La ricarica deve interrompersi quando la prima cella è completamente carica.
- La scarica deve terminare quando la prima cella è esaurita.
- Le cellule più deboli invecchiano più velocemente di quelle più forti.
- -la cella con la carica più debole limiterà in definitiva il pacco batteria'capacità utilizzabile (l'anello più debole).
- Il gradiente di temperatura all'interno del pacco batterie rende più deboli le celle che operano a temperature medie più elevate.
- Senza bilanciamento, la differenza di potenziale tra le celle più deboli e quelle più forti aumenta a ogni ciclo di carica e scarica. Alla fine, una cella si avvicinerà al potenziale massimo mentre un'altra si avvicinerà al potenziale minimo, compromettendo le capacità di carica e scarica del pacco batterie.
A causa del disallineamento delle celle nel tempo e delle variazioni di temperatura dovute all'installazione, il bilanciamento delle celle è essenziale.
Le batterie agli ioni di litio presentano principalmente due tipi di disallineamento: disallineamento di carica e disallineamento di capacità. Il disallineamento di carica si verifica quando celle della stessa capacità presentano gradualmente livelli di carica differenti. Il disallineamento di capacità si verifica quando vengono utilizzate insieme celle con capacità iniziali diverse. Sebbene le celle siano generalmente ben abbinate se prodotte nello stesso periodo con processi di fabbricazione simili, i disallineamenti possono derivare da celle di provenienza sconosciuta o con significative differenze di produzione.
Bilanciamento attivo vs. bilanciamento passivo
1. Scopo
I pacchi batteria sono costituiti da numerose celle collegate in serie, che difficilmente saranno identiche tra loro. Il bilanciamento garantisce che le deviazioni di tensione delle celle rimangano entro i limiti previsti, preservando l'usabilità e la controllabilità complessive, prevenendo danni e prolungando la durata della batteria.
2. Confronto dei progetti
- Bilanciamento passivo: in genere scarica le celle con la tensione più elevata utilizzando resistori, convertendo l'energia in eccesso in calore. Questo metodo prolunga il tempo di carica delle altre celle, ma ha un'efficienza inferiore.
- Bilanciamento attivo: una tecnica complessa che ridistribuisce la carica all'interno delle celle durante i cicli di carica e scarica, riducendo i tempi di carica e prolungando la durata della scarica. Generalmente impiega strategie di bilanciamento inferiore durante la scarica e strategie di bilanciamento superiore durante la carica.
- Confronto tra vantaggi e svantaggi: Il bilanciamento passivo è più semplice ed economico, ma meno efficiente, poiché disperde energia sotto forma di calore e ha effetti di bilanciamento più lenti. Il bilanciamento attivo è più efficiente, in quanto trasferisce energia tra le celle, migliorando l'efficienza complessiva di utilizzo e raggiungendo il bilanciamento più rapidamente. Tuttavia, comporta strutture complesse e costi più elevati, oltre a difficoltà nell'integrazione di questi sistemi in circuiti integrati dedicati.
Conclusione
Il concetto di BMS (Battery Management System) è stato inizialmente sviluppato all'estero, con i primi progetti di circuiti integrati incentrati sul rilevamento di tensione e temperatura. Il concetto di bilanciamento è stato introdotto in seguito, inizialmente utilizzando metodi di scarica resistiva integrati nei circuiti integrati. Questo approccio è ora ampiamente diffuso, con aziende come TI, MAXIM e LINEAR che producono tali chip, alcuni dei quali integrano driver per interruttori nei chip stessi.
In base ai principi e ai diagrammi del bilanciamento passivo, se si paragona un pacco batterie a una botte, le celle sono come le doghe. Le celle con maggiore energia sono le assi lunghe, mentre quelle con minore energia sono le assi corte. Il bilanciamento passivo si limita ad "accorciare" le assi lunghe, con conseguente spreco di energia e inefficienze. Questo metodo presenta delle limitazioni, tra cui una significativa dissipazione di calore e un bilanciamento lento nei pacchi di grande capacità.
Il bilanciamento attivo, al contrario, "colma le lacune", trasferendo energia dalle celle a maggiore energia a quelle a minore energia, con conseguente maggiore efficienza e raggiungimento più rapido del bilanciamento. Tuttavia, introduce complessità e costi elevati, con difficoltà nella progettazione delle matrici di commutazione e nel controllo degli azionamenti.
Considerati i compromessi, il bilanciamento passivo può essere adatto per celle con buona uniformità, mentre il bilanciamento attivo è preferibile per celle con maggiori discrepanze.
Data di pubblicazione: 27 agosto 2024
