Le innovazioni nello sviluppo delle batterie, come la tecnologia chip-on-cell in grado di monitorare istantaneamente ogni cella, hanno contribuito in modo significativo al miglioramento della sicurezza, delle prestazioni e dei costi delle batterie per i veicoli elettrici
Il veicolo elettrico (EV) è ampiamente considerato un passo fondamentale per la riduzione delle emissioni globali, ma la larga adozione da parte del mercato può essere ostacolata dalle preoccupazioni sulla sicurezza e sulle prestazioni dei pacchi batteria che alimentano i veicoli. In questo articolo, esamineremo in che modo i progressi nella tecnologia delle batterie forniscono una risposta a queste preoccupazioni persistenti.
Il monitoraggio delle celle contenute all’interno della batteria al litio è un elemento chiave per garantire la sicurezza del pacco batteria. Descriveremo come l'innovativa tecnologia chip-on-cell di Dukosi migliora significativamente il controllo sulla sicurezza, l'affidabilità e l'efficienza del pacco batteria dei veicoli elettrici, aumentando allo stesso tempo l'efficienza ed abbassando i costi.
L’evoluzione della tecnologia delle batterie
Come avviene con molte tecnologie nuove, c’è stata una serie di problemi di alto profilo originati dalle batterie ad alta tensione (HV), che si sono verificati durante le prime fasi di introduzione sul mercato dei veicoli elettrici, lasciando impressioni negative e preoccupazioni persistenti tra il pubblico. Diversi casi ampiamente pubblicizzati di surriscaldamento causato dall’instabilità termica, spesso a seguito di collisioni o di un uso improprio delle batterie, hanno creato la percezione che le batterie dei veicoli elettrici siano intrinsecamente pericolose.
Un'altra convinzione, che le batterie siano estremamente complesse, deriva dalla moltitudine di nuovi componenti che hanno accompagnato le prime batterie installate nei veicoli elettrici. Questa complessità dei primi progetti ha portato a processi di produzione altrettanto articolati, difficili da automatizzare, che rendevano proibitivi i costi di tali batterie. Altri problemi iniziali che hanno contribuito ad alimentare le percezioni attuali includono le preoccupazioni sui costi di trasporto e di riciclo e sulla durata stessa delle batterie.
La realtà, tuttavia, è che lo sviluppo delle batterie è andata avanti speditamente e le attuali batterie per veicoli elettrici e i processi associati sono molto più avanzati rispetto a queste prime versioni. La sicurezza delle batterie dei veicoli elettrici è migliorata significativamente negli ultimi anni, grazie a progressi come i fusibili intelligenti, i materiali di rivestimento durevoli e le strutture interne che isolano i guasti, oltre ai severi requisiti di test e certificazione, che ora garantiscono per i progetti il soddisfacimento dei più elevati standard di sicurezza. Le innovazioni nella chimica, nelle architetture e nei processi di produzione delle batterie ne hanno inoltre ridotto complessità e ne hanno aumentato la durata, con i produttori che ora offrono garanzie sulle batterie da 8 a 10 anni.
Le nuove normative, come l'EU Battery Passport, aiutano a rispondere alle preoccupazioni sulla sostenibilità, sul trasporto e sulla movimentazione delle batterie. I passaporti delle batterie forniscono una registrazione digitale della storia e dello stato di salute della batteria (SoH), e possono contribuire a ridurre le spese assicurative e di trasporto. Essi promuovono inoltre prassi di riciclo a fine vita migliori, consentendo il riutilizzo e la riduzione dei rifiuti. Gli ingegneri possono usare le informazioni storiche di utilizzo e sul SoH delle batterie per riutilizzarle per applicazioni meno impegnative, come l'accumulo di energia dalla rete o da fonti rinnovabili.
I sistemi di gestione della batteria (BMS) svolgono un ruolo chiave per la sicurezza, le prestazioni e la durata delle batterie, e i progressi nella tecnologia BMS hanno anche contribuito in modo significativo ai miglioramenti di cui sopra.
Architetture BMS
Il BMS monitora i parametri chiave come la tensione e la temperatura delle celle della batteria e gestisce la connettività verso le reti di ricarica. Tuttavia, l’implementazione di questa funzionalità richiede un complesso intreccio di cablaggi e di sensori in spazi ristretti, introducendo così peso, costi e complessità aggiuntivi per la batteria. Le architetture BMS tradizionali adottano dei compromessi posizionando i sensori di temperatura in punti considerati strategici all'interno del pacco batteria, monitorando gruppi di celle anziché celle singole, e presentano di conseguenza diverse limitazioni di base. La sicurezza è compromessa poiché il rilevamento di eventuali anomalie di temperatura si basa sulla trasmissione dell'aumento di temperatura dalla cella interessata alle celle adiacenti (figura 1). Ciò aumenta il rischio di instabilità termica, con potenziali conseguenze di rilascio di gas combustibili e, in ultima istanza, di innesco di incendio.
Inoltre, il monitoraggio a livello di pacco batteria o di modulo può mascherare problemi che si verificano nelle singole celle, influendo sulla qualità delle informazioni stato di salute (SoH) del pacco batteria e rendendone complesso il riutilizzo.
Sebbene le recenti architetture BMS abbiano introdotto schemi wireless, questi ultimi introducono nuove sfide, tra cui le interferenze RF e i potenziali rischi per la sicurezza. Per contro, le architetture contactless, come il Cell Monitoring System di Dukosi (figura 2), risolvono la maggior parte dei problemi sopra illustrati e, allo stesso tempo, migliorano la sicurezza e le prestazioni della batteria monitorando direttamente le singole celle della batteria.
L'approccio di Dukosi monitora direttamente la tensione e la temperatura tramite un Cell Monitor integrato direttamente su ogni cella. I dati acquisiti dal Cell Monitor vengono trasmessi a un System Hub di Dukosi che si interfaccia con il processore principale del BMS (Host). Il System Hub gestisce la rete di comunicazione bidirezionale che collega un sistema di Cell Monitor utilizzando il protocollo di comunicazione proprietario C-SynQ®. Questa architettura innovativa riduce significativamente il numero di cavi e di componenti delle batterie, riducendo fino a 10 volte il BoM, e consentendo di ottenere una batteria notevolmente meno complessa e più semplice da assemblare e da mantenere. (Figura 2)
Chip-on-cell e i vantaggi dell'approccio di Dukosi
Il sistema di monitoraggio delle celle di Dukosi migliora le funzionalità del BMS in diversi modi:
consentendo il posizionamento di un sensore di temperatura su ogni cella, la sicurezza della batteria risulta notevolmente migliorata, in quanto è possibile identificare immediatamente qualsiasi cella che supera una soglia di temperatura predefinita o che si comporta in maniera diversa rispetto alle celle confinanti, eliminando la necessità di attendere che il calore si propaghi tra le celle adiacenti.
La soluzione di Dukosi utilizza la comunicazione a breve distanza (Near Field) per trasmettere i dati in modo sicuro e affidabile tra i chip del sistema di monitoraggio delle celle e il System Hub, per mezzo di una semplice antenna. La comunicazione Near Field combinata con il protocollo di comunicazione proprietario C-SynQ® di Dukosi garantisce la trasmissione dei dati in modo sincronizzato e deterministico anche in ambienti RF difficili, e insieme costituiscono delle risorse essenziali per determinare in modo accurato lo stato di carica (SoC) e di salute (SoH) della batteria.
Limitando la rete a dialogare solo con le celle ‘note’ e la propagazione dei segnali wireless nel raggio di pochi centimetri, la comunicazione a breve distanza è semplice e sicura, e vengono eliminati i tipici rischi di sicurezza che possono interessare i sistemi di batterie wireless a lunga distanza.
La soluzione di monitoraggio delle celle di Dukosi elimina di fatto la necessità di moduli batteria tradizionali, e consente quindi di progettare batterie flessibili che fanno un uso più efficiente dello spazio e delle risorse, adattandosi in modo rapido ed economico alle diverse piattaforme di veicoli e ai requisiti del mercato, senza richiedere nuovi sforzi di progettazione e validazione.
Chip-on-cell e vantaggi economici
La tecnologia di Dukosi ha un impatto significativo sul costo complessivo di gestione (TCO), in particolare per i settori che acquistano e vendono energia, come i servizi di rete elettrica. La tecnologia Chip-on-Cell limita il numero di componenti, riducendo il BoM della batteria, con una conseguente diminuzione dei costi di produzione e di progettazione. Con letture più accurate delle celle, i calcoli dello stato di carica (SoC) sono inoltre più precisi, e ciò potenzialmente rende disponibile ulteriore energia da utilizzare in ciascuna cella; la combinazione di questo vantaggio su più batterie offre un rendimento migliore oppure, in un'installazione di dimensioni fisse, consente di utilizzare celle più piccole o un numero inferiore di celle, con una conseguente riduzione dei costi iniziali.
Una volta che una batteria raggiunge la fine della propria prima vita, le informazioni sulla provenienza a livello di cella consentono di rimuovere le singole celle dalla confezione e di valutarle accuratamente prima della consegna, migliorando la sicurezza e riducendo significativamente i costi di recupero ed assicurativi. Le informazioni sulla chimica e sulla produzione delle cellule, inoltre, rendono i processi di riciclo più sicuri e ottimizzati e consentono di recuperare più materiale quando la cella raggiunge in seguito la fine del ciclo di vita. Inoltre, i dati sulla durata della cella sono memorizzati su ciascun chip Cell Monitor anziché unicamente nel BMS a livello di batteria, e assicurano così che lo stato della cella non vada perso quando quest’ultima viene rimossa dal pacco batteria.
Conclusione
La sicurezza, le prestazioni e la longevità della batteria sono fattori chiave nella scelta di un veicolo elettrico e una serie di percezioni errate sul mercato stanno ostacolando l'adozione dei veicoli elettrici. Le batterie moderne, tuttavia, sono notevolmente migliorate rispetto ai primi modelli che hanno subito gli inconvenienti ampiamente pubblicizzati e che sono alla base di queste preoccupazioni. I sistemi di gestione della batteria sono fondamentali per le prestazioni delle batterie e le innovazioni nelle architetture e nelle tecnologie dei sistemi di batterie, come il sistema di monitoraggio delle celle di Dukosi, hanno introdotto ampi miglioramenti.
Il monitoraggio accurato di ogni singola cella garantisce un funzionamento più sicuro della batteria, massimizzandone al contempo la durata e le prestazioni. I pacchi batteria che integrano il monitoraggio a livello di cella sono più semplici, più agevoli da produrre e si adattano più facilmente alle diverse piattaforme dei veicoli. Inoltre, il monitoraggio a livello di cella e le informazioni archiviate sulla provenienza consentono un trasporto più sicuro e una riduzione dei costi di gestione, contribuiscono a ridurre il TCO attraverso una maggiore efficienza di realizzazione, uso, riutilizzo e riciclo dei materiali delle batterie e aiutano a creare una catena del valore circolare delle batterie.
