Il BMS (Battery Management System) di un’auto elettrica svolge un ruolo cruciale nel funzionamento e nella protezione del pacco batteria di trazione. In questo articolo cercherò di spiegarvi questo elemento cosi particolare ma occorre prima di tutto qualche nozione sul contenuto di un pacco batteria.
Piattaforma skateboard
Il pacco batteria è l’involucro completo che fornisce energia al motore elettrico, viene posizionato tra i due assi delle ruote in un unico pacco orizzontale e piatto. Si tratta di un elemento assai complesso che contiene delle celle e/o moduli batteria, un sistema evoluto di raffreddamento e riscaldamento e tanti altri elementi tra cui cavi, sensori e chi più ne ha più ne metta.
Le celle
Nel gergo comune vengono chiamate pile, si tratta di contenitori che immagazzinano chimicamente energia e sono disponibili in molte forme e i tre più comuni sono prismatico, a sacchetto e cilindrico. Le celle del pacco batteria sono collegate in serie e in parallelo per ottenere la tensione e la capacità energetica desiderate. Un’auto elettrica, ad esempio, richiede 400-800 volt e una singola cella della batteria generalmente fornisce 3-4 volt.
I moduli di gestione
In un’auto elettrica, il pacco batteria di trazione è composto da un insieme di singole piccole batterie, chiamate celle, poste una accanto all’altra. Le celle sono molto numerose infatti il pacco batteria ne può contenere a centinaia e gestirle individualmente sarebbe difficile e molto costoso. Per controllare ogni singola cella e ottenere le informazioni richieste ci vorrebbero molti fili e connessioni pertanto la batteria di trazione, è composta da più moduli, ciascuno formato da un insieme di celle collegate tra di loro e disposte in moduli per ottenere unità riparabili.
Non tutte le ciambelle riescono col buco
Ogni singola cella è leggermente diversa e carica o scarica in modo diverso a causa delle differenze nella produzione (le celle di uno stesso pacco non provengono tutte dalla stessa linea di produzione), a questo fattore si aggiunge anche altri diversi vincoli subiti dalle celle una volta assemblate nel pacco batteria (ad esempio una diversa esposizione al calore e saldatura). Le celle al litio hanno bisogno di protezione per garantire la sicurezza d’uso, pertanto ci sono molti requisiti che devono essere presi in considerazione in un circuito: sovraccarico, scarica eccessiva, protezione da alta e bassa temperatura, protezione da cortocircuito, protezione inversa, piccola tensione di interruzione, piccola differenza di temperatura.
Il cuore dei veicoli elettrici
Il BMS gestisce e protegge il pacco batteria, comunica con i sistemi di bordo per informare il computer di bordo sullo stato di funzionamento del pacco batteria e ottimizza l’erogazione di potenza garantendo che il pacco batteria funzioni alla massima efficienza. Gestisce inoltre il raffreddamento e il riscaldamento, calcola lo stato SOC (State of Charge) e la stima SOH (State of Health). Il BMS utilizza anche l’analisi predittiva per prevedere e massimizzare la durata rimanente del pacco a batteria migliorando le prestazioni complessive.
Un BMS per qualsiasi tipologia
Se si parla di una singola batteria come ad esempio in uno smartphone, il BMS sarà molto semplice perché misura la tensione e la corrente che scorre (sia dentro che fuori), se tale tensione supera il livello prefissato dal produttore, la carica si interrompe se la tensione scende troppo anche durante il processo di scarica. Secondo il esigenze del dispositivo, nel nostro caso il cellulare, tutte le misurazioni eseguite dal BMS consentono di determinare il numero di cicli e dati informativi sullo stato della batteria.
Monitoraggio
Il BMS monitora costantemente lo stato del pacco batteria e dunque di tutti i moduli e di tutte le celle, incluso la tensione, la corrente, la temperatura e altri parametri. Queste informazioni permettono di ottenere lo stato di salute, lo stato di carica SOC (Stato di carica) del pacco batteria di trazione e segnala la percentuale di autonomia residua e altri dati al quadro strumenti. Per finalità diagnostiche del veicolo, salva nella sua memoria i guasti che si verificano alla batteria pertanto una scarica profonda e un surriscaldamento della batteria ad alta tensione possono essere determinati. Gestisce il raffreddamento mediante ventole, radiatori e un circuito idraulico apposito.
Sicurezza
Il BMS monitora la temperatura della batteria, la sua tensione e anche altri parametri importanti per prevenire condizioni critiche che potrebbero danneggiare le celle. Previene potenziali situazioni pericolose come sovratensione, cortocircuito, sovracorrente e surriscaldamento. È inoltre possibile implementare meccanismi di sicurezza, come l’interruzione dell’alimentazione elettrica o della ricarica per proteggere il powertrain elettrico e gli occupanti del veicolo.
Il processo di Cell Balancing
Ogni cella è diversa e il BMS deve tenere conto di queste differenze e correggerle durante la ricarica. Se così non fosse, alcune celle verrebbero caricate correttamente, mentre altre verrebbero caricate solo parzialmente, limitando l’energia che può essere prelevata o restituita alla batteria. Inoltre, ciò provocherebbe un invecchiamento accelerato di alcune celle, riducendo così la durata della batteria. Il BMS tiene quindi conto del flusso di elettricità in entrata e in uscita per misurare la salute della cella e gestisce la velocità di carica o scarica.
Autoscarica: Self Discharge
Con l’invecchiamento delle celle presenti nel pacco batteria, i componenti chimici e fisici si degradano, modificando così il comportamento del pacco batteria durante la carica e la scarica. Pertanto, la gestione da parte del BMS non è più ottimale, il che limita l’energia elettrica che la batteria di trazione può fornire. Alcuni produttori offrono, durante una revisione o riparazione, di riprogrammare il BMS, cioè di reimpostare il software di gestione allo stato attuale di degrado della batteria. Ciò consente di estrarre più energia durante una scarica e quindi di aumentare l’autonomia e il SOH del veicolo. La riprogrammazione non consente però di migliorare lo stato di degrado delle celle presenti nel pacco batteria.
BMS per BEV (veicoli elettrici a batteria)
Il mercato offre un’ampia gamma di soluzioni adatte a diverse applicazioni, ne migliorano le prestazioni, l’affidabilità e la longevità dei pacchi batteria, portando a un sistema di trasporto più sostenibile ed efficiente. Che cosa hanno in comune i produttori di batterie agli ioni di litio come LG Chem, Panasonic, ABB e i fornitori nel settore automotive del calibro di Continental, Bosch e Siemens? Entrambi producono dei BMS per veicoli elettrici in grado di gestire più celle della batteria contemporaneamente, utilizzano algoritmi avanzati per bilanciare le singole celle e dispongono di funzionalità di sicurezza integrate per prevenire sovraccarico, surriscaldamento e altri potenziali pericoli.
Sia Tesla come anche il marchio cinese BYD acronimo di “Build your Dream” (costruisci i tuoi sogni), fanno praticamente tutto in casa: dal motore elettrico, alle batterie, al software di gestione, al sistema operativo. Questi due colossi del settore della mobilità elettrificata hanno sviluppato internamente il BMS migliorando prestazioni e durata delle celle agli ioni di litio dei loro rispettivi modelli.
Wireless Battery Management System (wBMS)
Come lo si può immaginare, il funzionamento del BMS richiede l’utilizzo di numerosi cavi e fili che collegano i vari moduli, le sonde e i sensori al sistema di controllo. L’azienda tecnologica americana Texas Instruments (TI) come anche GM, Marelli e Analog Devices Inc. hanno annunciato lo sviluppo di un sistema di gestione wireless che si può definire “rivoluzionario” dal momento che incorpora il sistema di gestione wireless nel pacco batteria. Una innovazione che apre prospettive interessanti per la mobilità elettrica dal momento che riduce il cablaggio del 90%.
La tecnologia di trasmissione “wireless” semplifica notevolmente la progettazione e la produzione dei pacchi batteria, riducendone significativamente i costi. Anche la sicurezza è migliorata, poiché i collegamenti dei cavi non possono più allentarsi. In questo modo si riduce il peso del veicolo, si semplifica il posizionamento dei vari moduli, si riducono eventuali guasti e si semplifica il riciclaggio della batteria a fine vita.
wBMS consente la misurazione dello stato di salute e un montaggio e smontaggio semplificato dei pacchi batteria per garantire che le celle della batteria difettose possano essere rimosse e riparate in modo efficiente. Con un sistema wBMS, la manutenzione è più semplice e veloce poiché i moduli del pacco batteria sono programmabili tramite software per eventuali aggiornamenti via etere che risultano rapidi e convenienti. Il controller della cella convive con il modulo batteria per tutta la vita come un’unica unità riparabile, favorendo il modello di servizio semplificato. Questa strategia di riduzione, riparazione e riutilizzo del pacco batteria permette un’impronta di carbonio complessivamente più rispettosa dell’ambiente, si possono eliminare 7 tonnellate di emissioni di carbonio per pacco batteria se questo viene riparato e non riciclato. Ovviamente gli ingegneri hanno dato dell’importanza alla trasmissione dei dati in modo che sia estremamente stabile e sicura applicando rigorosi protocolli di sicurezza che accompagnano ogni singolo modulo wBMS.
Efficienza del pacco batteria di alta tensione
Con la proliferazione dei veicoli elettrici, i produttori si stanno concentrando sulla ricerca di soluzioni per migliorare la durata delle batterie da trazione. Pertanto le attuali batterie agli ioni di litio potrebbero essere sostituite entro pochi anni da batterie ad elettrolita solido. Le promesse di quest’altro tipo di batteria interamente a stato solido sono reali, ma ancora in fase di realizzazione da parte dei produttori e altre proposte e chimiche stanno per arrivare.
Nel frattempo i sistemi di gestione wireless dei pacchi batteria saranno un fattore chiave per l’ulteriore diffusione della mobilità elettrificata, perché possono aiutare i marchi automobilistici a evitare di duplicare schemi elettrici complessi per ogni nuova generazione di automobili e possono anche contribuire a garantire la scalabilità dei pacchi batteria rendendo le auto elettriche più economiche.
Senza dubbio si tratta di un sistema che dimostra una volta di più che l’auto elettrica non solo è sicura ma la tecnologia è relativamente matura ed evolve in modo esponenziale. Se l’articolo vi ha interessato, fatelo sapere e continueremo ad affrontare tutti gli argomenti tecnici del mondo elettrico.
