Con questo articolo voglio affrontare, in maniera il più possibile qualitativa e senza formule complicate, un problema noto ai pochi possessori di veicoli elettrici e a chi usa per qualsiasi motivo batterie ricaricabili collegate in serie (modellismo dinamico per esempio): la necessità di effettuare periodicamente l'equalizzazione o bilanciamento delle celle.

Quanto scritto deriva da un impiego di lungo periodo di batterie ricaricabili NiMH, ma soprattutto dalla necessità di gestire le 72 celle LiFeYPO4 che costituiscono il "serbatoio" della mia FIAT Seicento Elettra.

Tra i miei articoli trovate vari articoli sull'auto in questione e sulle batterie al litio, in particolare segnalo questi due articoli: Test e caratterizzazione 72 celle litio per auto elettrica:

http://www.electroyou.it/richiurci/wiki/test-e-caratterizzazione-batterie-al-litio-lifeypo4

Test batteria avviamento al litio per moto:

http://www.electroyou.it/richiurci/wiki/batterie-di-avviamento-al-litio-per-moto

Il collegamento in serie di celle

La necessità di bilanciare le batterie ricaricabili deriva dal loro impiego in collegamento serie, tipica configurazione necessaria principalmente per due motivi.

Innalzamento della tensione nominale del pacco batterie

Spesso è necessario collegare più celle in serie per ottenere una tensione sufficientemente elevata da poter essere impiegata direttamente nel circuito da alimentare, senza utilizzare dispositivi elettronici di innalzamento della tensione (Step-up).

E' il motivo per il quale nelle radioline portatili e nei telecomandi sono presenti 2 o 4 pile in serie, per innalzare la tensione di alimentazione dai tipici 1,5V a tensioni più semplici da utilizzare (3V o 6V).

Anche le batterie di avviamento presenti sui veicoli (tensione nominale 12V) sono in realtà costituite da 6 celle in serie (tensione nominale 2V ciascuna).

Riduzione delle perdite ohmiche e della sezione dei cavi

Questa considerazione nasce da cognizioni di base di elettrotecnica. Osservando il semplice circuito in figura

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la potenza istantanea fornita dal generatore (pacco batterie) al carico (motore) è

                            p(t) = v(t) · i(t)

ne deriva che per ottenere potenze elevate posso aumentare la tensione del pacco v (collegando in serie le celle) o aumentare la corrente entrante nel motore i. Poichè correnti elevate aumentano le perdite nei cavi e in tutti i componenti attraversati (effetto Joule) per evitare componenti costosi e cavi di sezione eccessiva ed aumentare l'efficienza si preferisce appunto innalzare la tensione di lavoro, e di conseguenza ridurre la corrente a parità di potenza assorbita dal carico.

E' lo stesso motivo per il quale si usano linee ad alta tensione per trasportare l'energia elettrica su grandi distanze.

Esempio "vintage"La FIAT aveva sviluppato anni fa due vetture elettriche, la Panda e la Seicento "Elettra", le cui caratteristiche sono confrontate in questo articolo: http://www.electroyou.it/richiurci/wiki/ritorno-al-passato-l-auto-elettrica-italiana I valori dichiarati per la Panda erano:

12 batterie da 172 Ah -> pacco batterie da 72 V, 12,38 kWh Autonomia dichiarata ciclo urbano 77 km -> consumo dichiarato 161 Wh/km Potenza di picco 13,7 kW -> corrente massima nella linea di trazione 190 A I valori dichiarati per la Seicento erano: 18 batterie da 60 Ah -> pacco batterie da 216 V, 12,96 kWh Autonomia dichiarata ciclo urbano 90 km -> consumo dichiarato 144 Wh/km Potenza di picco 30 kW -> corrente massima nella linea di trazione 139 A Nonostante la potenza più che raddoppiata la Seicento aveva quindi cavi e componenti dimensionati per correnti minori.

Curve di carica e scarica

Per chiarire meglio i motivi che rendono necessario il bilanciamento ecco alcuni grafici qualitativi che illustrano i tipici andamenti delle tensioni di cella in carica e scarica; sono grafici ricavati dal test descritto nel primo articolo: Test batterie LiFeYPO4 e da altre misure disponibili nel lungo e ricchissimo 3d riportato nell'articolo.

Le batterie in oggetto, da 60Ah nominali (capacità nominale Cn), hanno mostrato una capacità effettiva superiore del 10-15% rispetto a quella dichiarata, i grafici per maggiore chiarezza considerano la capacità nominale.

Le curve di scarica e carica variano notevolmente in funzione della corrente erogata o assorbita dalle celle e dalla temperatura delle celle stesse. Questo rende fortemente imprecisa la stima della carica residua dalla sola tensione di cella. Le celle al litio, come tutte le tipologie di accumulatori, presentano inoltre due bruschi cambiamenti di pendenza in prossimità delle condizioni di carica e scarica totale.

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Le curve evidenziano che solo piccole percentuali della capacità nominale possono essere estratte dalle batterie per tensioni inferiori a VL=2,8V circa, e percentuali di carica ancora minore possono essere immagazzinate spingendo la carica a tensioni superiori a VH=3,6V circa.

I costruttori di celle per poter dichiarare la intera capacità nominale indicano dei limiti di tensione più ampi (tipicamente 2,5V e 3,8V per le LiFeYPO4) come "Absolute Maximun Ratings" (limiti da non oltrepassare).

Perchè bilanciare?

Collegando un numero elevato di celle in serie esse saranno sempre attraversate dalla stessa corrente di carica e scarica; teoricamente quindi si troveranno sempre "allineate" con lo stesso "stato di carica" (SOC- state of charge) purchè siano state caricate tutte al 100% prima del montaggio.

Nell'utilizzo reale però diversi fattori possono contribuire a un progressivo disallineamento delle capacità residue effettivamente disponibili nelle singole celle; ne cito alcuni.

Il più evidente è che le batterie sono prodotti industriali, e come tali soggetti a una certa tolleranza costruttiva. La capacità reale quindi non è mai esattamente uguale a quella nominale "da catalogo", tipicamente dovrebbe essere superiore di qualche punto percentuale al momento dell'acquisto.

Il circuito di controllo del pacco batteria (BMS), descritto brevemente nel prossimo paragrafo, è collegato continuamente ad ogni singola cella, e differenze anche minime della corrente assorbita provocano una leggera scarica diversa da cella a cella.

La posizione delle singole celle nel pacco batteria potrebbe causare una differenza di temperatura tra le celle, che oltre a provocare differenze di tensione può causare un invecchiamento leggermente diverso da cella a cella.

Infine questi piccoli disallineamenti provocano un differente punto di lavoro per le celle, che a loro volta accelera il disallineamento stesso.

E' noto infatti che gli accumulatori hanno efficienza diversa e possono danneggiarsi se utilizzati vicino ai punti di carica o scarica massima; se ipotizziamo un piccolo disallineamento del 5% nel SOC di due celle possiamo ottenere a temperatura ambiente la situazione del grafico seguente:

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è evidente come la cella più scarica vada in sofferenza (fino a possibile danneggiamento) quando le altre celle hanno ancora il 10% di carica e tensione nominale; viceversa durante la carica la cella critica è quella più carica, che arriva prima alla tensione massima (corrispondente al 100% di carica) oltre la quale si verifica surriscaldamento e danneggiamento della cella stessa.

Una figura forse chiarirà ulteriormente il vantaggio di un bilanciamento periodico:

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nel pacco batterie a sinistra, bilanciato, la cella A con capacità effettiva minore (per tolleranze costruttive o invecchiamento) sarà sempre la prima a scaricarsi e caricarsi completamente, e quindi determinerà la capacità effettiva totale del pacco:

                                       Ceff,tot = n x Ceff,min

nel pacco sbilanciato a destra questo non sarà più necessariamente vero e la capacità effettiva totale sarà minore.

Inoltre, come indicato dagli stessi costruttori, la stessa durata della batteria (numero di cicli di carica/scarica garantiti) dipende dalla profondità di scarica (DOD - deep of discharge).

E' quindi necessario, almeno periodicamente, garantire che tutte le celle vengano riallineate con una ricarica al 100%; da punto di vista elettrochimico questo permette anche una distribuzione migliore dei sali sulla superficie di accrescimento.

Il modo più semplice per garantire l'allineamento delle celle è la carica singola alla tensione di carica massima; è un sistema utilizzabile solo con batterie maneggevoli e facilmente estraibili dal pacco: è il classico metodo di ricarica per le batterie stilo o ministilo (NiCd o NiMH) utilizzate in piccoli apparecchi elettronici (radio, giocattoli ecc).

Quando invece le batterie sono difficilmente accessibili è necessario utilizzare un apposito circuito che monitori la situazione delle singole celle e attivi quando necessario la procedura di equalizzazione: il BMS.

BMS: non solo equalizzazione!

IL BMS (Battery Management System) è un circuito più o meno complesso che permette di gestire in sicurezza un pacco batterie, garantendo la sicurezza e una maggior durata dello stesso.

E' un circuito presente in tutti gli impieghi evoluti di batterie in serie, dai modelli radiocomandati ai computer portatili fino ai veicoli elettrici e ai sistemi di accumulo di energia elettrica.

Il BMS non si limita ad effettuare l'equalizzazione delle batterie ma implementa, da solo o in sinergia con altri dispositivi, una varietà di funzioni di monitoraggio e gestione.

Consideriamo per esempio uno degli impieghi più "moderni" e complessi di un pacco batterie serie: il veicolo elettrico.

In tal caso il BMS interagirà con il caricabatterie (CB), con l'indicatore di carica residua (SOC), con l'inverter di trazione e con spie ed allarmi presenti nell'abitacolo.

In particolare durante la carica il BMS invierà i dati di tensione al SOC (per calcoli sulla carica immagazzinata), e se e quando una o più celle raggiungono la tensione massima VH il BMS dovrà attivare i relativi circuiti di equalizzazione e comunicare col CB affinchè la carica venga interrotta o la corrente di carica venga ridotta a valori pari o inferiori alla corrente di equalizzazione (si veda il paragrafo relativo al dimensionamento di un equalizzatore).

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Durante la scarica invece il BMS invierà ancora i dati di tensione al SOC (per calcoli sulla carica immagazzinata ed eventuale riduzione di potenza con scarica quasi totale), ma soprattutto dovrà monitorare le celle ed evitare sovrascariche.

Se per qualsiasi motivo una o più celle dovessero trovarsi a tensioni prossime alla minima ammessa, il BMS invierà quindi un segnale di allarme all'inverter e a eventuali spie in abitacolo; alcuni BMS disconnettono del tutto il pacco batteria in caso di sovrascarica.

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Equalizzazione attiva e passiva

Esistono due modi per bilanciare lo stato di carica nelle singole celle.

L'equalizzazione attiva (non dissipativa) consiste nel bypassare la cella carica o nel trasferire energia dalla cella troppo carica ad altre celle meno cariche; è un sistema molto complesso e costoso, attualmente poco usato.

Ha il grosso vantaggio di non dissipare (teoricamente) energia elettrica in calore.

La complessità di questi sistemi è descritta per esempio in questo link:

(equalizzatore attivo ENEA)

L'equalizzazione passiva (dissipativa) consiste nel dissipare in calore l' energia immessa nelle celle già completamente cariche.

E' circuitalmente molto più semplice ma richiede attenzione nello smaltimento del calore prodotto, oltre ad aumentare (di solito in maniera trascurabile) il consumo in Wh/km del veicolo in oggetto (o in generale l'energia necessaria a ricaricare il pacco batterie).

Essenzialmente l'equalizzazione passiva consiste in un semplice circuito soglia, in parallelo a ogni cella, che al raggiungimento della tensione massima Vh prevista inserisce in parallelo alla cella una opportuna resistenza di equalizzazione Req:

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Per evitare danneggiamenti è indispensabile che l'equalizzatore invii un segnale di inizio equalizzazione al caricabatterie (o ad una centralina di gestione), per abbassare la corrente di carica ad un valore basso (carica di equalizzazione) compatibile con le scelte circuitali fatte.

Infatti nessun circuito di equalizzazione può gestire le correnti elevate di un CB a piena potenza, come vedremo nel prossimo paragrafo.

Semplice dimensionamento di un equalizzatore passivo

Riporto a titolo di esempio il dimensionamento del semplice circuito BMS da me realizzato per il mio pacco batterie.

Poichè questo articolo vuole essere introduttivo eviterò di entrare nel dettaglio della progettazione della parte elettronica, trattato in un 3d dedicato.

Ritengo invece importante chiarire un punto già toccato nel paragrafo precedente e che spesso è motivo di malfunzionamenti e danneggiamenti: il circuito di equalizzatore DEVE comunicare col CB per imporre una corrente di equalizzazione molto bassa.

Nei semplici calcoli che seguono considererò le caratteristiche tecniche delle mie celle LiFeYPO4:

Tensione nominale Vn=3,2V; capacità nominale Cn=60Ah

Tensioni minima e massima ammesse: VL=2,8V, VH=3,6V

La prima scelta è il valore della resistenza di equalizzazione Req, che determina la corrente massima di equalizzazione:

Nel mio caso ho deciso di utilizzare per Req 3 resistenze da 1 3W e una da 1,5 collegate in serie, quindi con VH=3,6V ottengo:

     Req=4,5V; Ieq,max= 0,8A

La resistenza di equalizzazione dovrà smaltire in calore una potenza pari a:

Nel mio caso ogni resistenza dissipa quindi 2,88w max.

Spesso i singoli circuiti di equalizzazione sono disposti sulle relative celle, e lo smaltimento del calore non è un problema.

Se invece il circuito di equalizzazione è "centralizzato" è necessario anche valutare la potenza totale da smaltire, che può essere ragguardevole ed è data dalla formula (Ic è la corrente di ricarica, n il numero di celle):

Nel mio caso per esempio i 72 circuiti di equalizzazione sono raggruppati in un'area di circa 4 x 40 cmq.

La potenza totale con Ieq=0,8A sarebbe di ben 207W, e prove pratiche hanno consigliato di limitare la corrente di carica a 0,2A circa, ottenendo una potenza su ogni R di 0,18W e una potenza totale di 13W.

E' facile capire perchè il BMS deve "imporsi" sul CB.

Sono infatti possibili 3 casi:

1 - corrente di carica Ic maggiore della corrente di equalizzazione massima Ieq,max:

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La corrente deviata dalla resistenza di equalizzazione è insufficiente, una corrente pari a Ic - Ieq,max: continua a fluire nella cella; la tensione di cella continua a salire e la cella è destinata a superare il limite massimo di tensione Vh e danneggiarsi.

2 - corrente di carica Ic uguale alla corrente di equalizzazione massima Ieq,max:

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E' un caso solo teorico; al raggiungimento di Vh l'interruttore si chiude e resta chiuso fino alla fine del processo di equalizzazione, la tensione di cella resta stabile.

3 - corrente di carica Ic minore della corrente di equalizzazione massima Ieq,max:

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La corrente deviata dalla resistenza di equalizzazione è sufficiente per far entrare in commutazione il circuito di controllo.

Ad interruttore aperto la cella si carica con corrente Ic, quando la tensione raggiunge il valore limite l'interruttore si chiude e nella resistenza scorre la corrente di carica E una corrente fornita dalla cella.

La tensione di cella oscilla tra i due valori VH e VH - Δ, dove Δ è l'isteresi del circuito (valore piccolo, es 0,05V). Il valore medio della corrente fluente in R è pari a Ic, e il rapporto tra tempo di chiusura e apertura è pari al rapporto tra Ic e Ieq,max. Nella cella scorre una corrente media nulla.

Nel mio caso, avendo scelto Ic =0,2A e Ieq,max= 0,8 l'interruttore resta chiuso per il 25% del tempo e aperto per il 75% del tempo.

Durante la chiusura dell'interruttore in R scorrono 0,8A (0,2A forniti dal CB, 0,6A forniti dalla cella), durante l'apertura la cella viene attraversata da 0,2A.

La corrente media che scorre in R è quindi pari a Im=0,8x0,25= 0,2A, pari a quella fornita dal CB.

Durata della fase di equalizzazione

Gli esempi fatti permettono di chiarire anche il motivo per il quale la fase di equalizzazione può durare diverse ore. La corrente di carica durante l'equalizzazione infatti per evitare danneggiamenti (caso 3) deve essere tipicamente molto minore della corrente di carica massima del CB.

Questo porta a lunghi tempi di attesa se lo sbilanciamento è superiore a qualche punto percentuale.

Nel mio caso per esempio con celle da 60Ah, se ipotizzo uno sbilanciamento del 5% nel caso peggiore (cella "sfortunata"), l'equalizzazione deve fornire il 5% di 60 Ah cioè 3Ah; se la corrente di equalizzazione è di 0,2A se ne ricava un tempo di equalizzazione pari a ben 15 ore!

In realtà lo sbilanciamento delle celle è molto lento, e quindi basta ripetere periodicamente la procedura di equalizzazione per bilanciare il pacco batterie in tempi più ragionevoli.

Conclusioni

Ho scritto questo articolo per chiarire in maniera semplice alcuni aspetti tecnici della gestione di un pacco batterie, aspetti che spesso incuriosiscono i possessori dei (rari) veicoli a trazione elettrica.

In particolare spero di aver chiarito perchè a volte, soprattutto in realizzazioni DIY o comunque economiche, si possono verificare problemi o anche danneggiamenti del pacco batterie se i circuiti di equalizzazione non interagiscono con gli altri componenti del veicolo, in particolare col caricabatterie.

Ringraziamenti

Un ringraziamento finale è dovuto.. ad Electroyou ed ai suo amministratori e sviluppatori, che oltre a permettere di attingere ad elevatissime conoscenze professionali hanno messo a disposizione di tutti un semplice ed efficace strumento per disegnare circuiti ed altro: FidoCADJ.

Ed in particolare ringrazio Zeno, che oltre a dimostrare con altri quanto si può essere artistici con un CAD "elettrico" ha messo a disposizione nei suoi articoli tanti bellissimi disegni e le faccine utilizzate in questo articolo:

le faccine di Zeno

che mi sono divertito a copiare con modifiche minori

continua da qui