Sistemi di accumulo energetico, ovvero come gestire facilmente e in modo sicuro il pacco batterie.
Le batterie al litio (Li-Ion) e altre tipologie di batterie non sono solo elementi chiave nel mondo automobilistico, ma sono anche ampiamente utilizzate per i sistemi di accumulo energetico (ESS). Ad esempio, le gigafactory possono produrre diversi MWh al giorno di energia estratta da fonti rinnovabili. Come si tiene conto dei vari oneri che gravano sulla rete energetica nell'arco delle 24 ore? Si possono utilizzare sistemi di accumulo energetico (BESS) basati su batterie per il supporto della rete. Questo articolo illustra le soluzioni di controllo della gestione della batteria e la loro efficacia sia nello sviluppo che nella distribuzione di ESS.
Le sfide delle batterie al Litio-Ione
Un sistema di gestione della batteria (BMS) è necessario per l'uso delle celle agli ioni di litio. Il BMS è indispensabile perché le celle agli ioni di litio possono essere pericolose. Se sovraccaricate, possono subire un surriscaldamento termico ed esplodere. Se sovraccaricate, avvengono reazioni chimiche all'interno della cella che influenzano permanentemente la sua capacità di mantenere la carica. Entrambi i casi comportano la perdita di celle della batteria in modo pericoloso e costoso. Inoltre, il BMS è necessario poiché le celle agli ioni di litio spesso impilate per formare un pacco batteria. La carica delle celle impilate viene spesso effettuata applicando una sorgente di corrente costante in serie alla pila. Tuttavia, questo comporta il problema del bilanciamento, che consiste nel mantenere tutte le celle allo stesso stato di carica (SOC). Come si può caricare o scaricare tutte le celle completamente senza sovraccaricare-scaricare eccessivamente una singola cella del pacco batteria? Il bilanciamento è uno dei molti benefici fondamentali di un buon BMS. Le funzioni principali del BMS includono:
Soluzioni del sistema di gestione della batteria
Analog Devices ha una vasta famiglia di dispositivi BMS (ADBMSxxxx). L’ADBMS1818, ad esempio, è ideale per applicazioni industriali e BESS e può misurare una pila di batterie costituita da 18 celle. È richiesto un microcontrollore per far funzionare tutti gli IC ADBMS. L'unità microcontrollore (MCU) comunica con il BMS, ricevendo i dati di misura e svolgendo calcoli per determinare il SOC e altri parametri. Anche se la maggior parte dei microcontrollori può comunicare con un BMS, non tutti sono adatti. È preferibile un microcontrollore con una potenza di elaborazione estesa. I dati che il BMS restituisce possono essere numerosi, soprattutto quando è richiesta una grande pila di celle (alcune pile possono raggiungere i 1500 V e sono composte fino a 32 ADBMS1818 collegati in daisy chain). In questo caso, il microcontrollore deve avere una larghezza di banda sufficientemente ampia per comunicare con i diversi IC BMS nel sistema mentre elabora i risultati. Come componente del BMS, il microcontrollore MAX32626 ha due fonti di alimentazione gestite attraverso un controller PowerPath. Il controller PowerPath stabilisce la priorità della fonte di alimentazione in base alla richiesta di potenza della scheda (periferiche collegate e carico di elaborazione, ecc.).
La maggior parte degli IC di monitoraggio ADI ha un'architettura impilabile per sistemi ad alta tensione, il che significa che più front-end analogici (AFE) possono essere collegati in una catena daisy chain. Pertanto, una delle principali caratteristiche della scheda controller BMS, chiamata unità controller di stoccaggio dell'energia (ESCU), è che funziona con più AFE contemporaneamente.
La Figura 1 illustra un tipico diagramma a blocchi di un BMS dove l'ESCU è evidenziata in blu. Anche se l'ESCU non è ottimizzata per applicazioni di sicurezza, l'utente può implementare circuiti di protezione e/o ridondanze per soddisfare determinati requisiti di Safety Integrity Level (SIL).
Hardware e software della scheda del controller BMS per pacchi di batterie
Informazioni sull'hardware
L'ESCU di ADI si interfaccia con molti dispositivi BMS (AFE, gas gauge, transceiver isoSPI). I punti salienti dell'hardware e dei componenti della scheda del controller BMS sono:
- MCU integrata: Il MAX32626 Arm Cortex-M4 è adatto per applicazioni di stoccaggio di energia. Opera a basso consumo energetico ed eccelle in velocità, poiché ha un oscillatore interno che funziona a frequenze fino a 96 MHz. In modalità a basso consumo energetico, può funzionare a velocità fino a 4 MHz per risparmiare energia. Ha ottime caratteristiche di gestione dell'alimentazione come una corrente in modalità a basso consumo di 600 nA e un clock in tempo reale (RTC) abilitato. Il MAX32626 ospita anche una varietà ottimale di periferiche tra cui SPI, UART, I2C, interfaccia 1-Wire, USB 2.0, drivers PWM, ADC a 10 bit e molti altri. In questa MCU è incorporata un'unità di protezione fiduciale (TPU) con funzionalità di sicurezze avanzate.
- Interfacce: L'ESCU ospita diverse interfacce:
- ▪ SPI, I2C e CAN.
- ▪ isoSPI per un trasferimento di informazioni robusto e sicuro attraverso una barriera di alta tensione.
- ▪ USB-C per alimentare la scheda e flashare l'MCU.
- ▪ JTAG per la programmazione e il debug del microcontrollore.
- ▪ Connettore Arduino (per consentire maggiore flessibilità nell'aggiunta di schede compatibili con Arduino come l’Ethernet shield, schede sensoriali e anche prototipi).
- Trasmettitori isoSPI: Contiene 2× LTC6820 per permettere la comunicazione isoSPI con gli IC BMS in configurazione daisy chain utilizzando un unico trasformatore. Ciò assicura che questa scheda sia completamente isolata dagli IC BMS collegati allo stack di batterie ad alta tensione. La presenza di un doppio trasmettitore isoSPI fornisce una comunicazione isolata ridondante e reversibile dove l'MCU host alterna le porte di comunicazione per monitorare l'integrità del segnale (un futuro sviluppo di questa scheda includerà ADBMS6822 (trasmettitore isoSPI doppio) per velocità di dati più elevate e il supporto della funzione di monitoraggio della cella a basso consumo energetico (LPCM) che è presente negli ultimi IC BMS di ADI).
- Gestione dell'alimentazione:
- ▪ L'alimentazione può essere fornita sia da un DC jack che da una porta USB collegata al PC tramite un'interfaccia USB 2.0 (è disponibile un connettore USB-C).
- ▪ Un circuito prioritario, utilizzando il LTC4415, gestisce e seleziona la sorgente di alimentazione. Sceglie tra il DC jack o l'ingresso USB-C in base al carico sul lato del controller e delle periferiche. Ad esempio, se è collegato e in funzione uno shield Arduino, il consumo di energia della scheda aumenterà oltre ciò che può fornire USB-C. L'architettura ideale di diodo-OR del LTC4415 passerà quindi alla selezione del DC jack come sorgente di alimentazione.
- ▪ La catena di alimentazione fornisce diverse linee di tensione (3,3 V, 2,5 V e 5 V), configurabili tramite jumper.
- Sicurezza e protezione: Il MAX32626 controlla un gate driver isolato a bordo, l’ADuM4120, che pilota un N-FET collegato a un contattore esterno (che si trova sulla scheda della batteria, ad esempio). Questo ha una funzione di protezione poiché l'MCU commuta il MOSFET on e off attraverso l'ADuM4120 per aprire i contattori e disconnettere le batterie in casi di emergenza o guasto.
La Figura 2 illustra un diagramma a blocchi ad alto livello evidenziando gli elementi principali dell'ESCU.
Il PCB ha un fattore di forma ridotto di 10 × 9 cm. Le principali interfacce sono mostrate nella Figura 3.
Informazioni sul software
Per quanto riguarda il software, ADI fornisce una soluzione completa che include un'interfaccia grafica utente (GUI) open-source che può essere utilizzata per comunicare con la scheda del controller. La GUI supporta fino a tre dispositivi ADBMS collegati in daisy chain.
La GUI comunica con l'MCU attraverso un protocollo di comunicazione open-source ben definito che può essere facilmente esteso. Il protocollo definisce i messaggi che vengono inviati all'MCU sulla porta seriale. I messaggi sono protetti da un controllo di ridondanza ciclico (CRC) per consentire la rilevazione degli errori. Questi messaggi consentono all'utente di connettersi e disconnettersi con l'MCU in modo ordinato; impostare i parametri di sistema, effettuare misurazioni, abilitare e verificare i guasti, e scrivere eventuali comandi necessari allo ADBMS. Il codice dell'applicazione nell'MCU fa uso di thread RTOS liberi per eseguire operazioni parallele. Questo è utile perché un thread di misurazione può essere eseguito in parallelo con un thread di controllo dei guasti in modo da essere implementato un tempo di intervallo di guasto.
Viene fornita un'interfaccia software con la scheda del controller BMS che è scritta in Python. Le principali sezioni utente sono le seguenti:
2.Scheda/e BMS, come illustrato nella Figura 5, visualizzano le misurazioni elaborate dall'ESCU per ciascun AFE collegato. Le schede BMS contengono le tensioni delle celle e dei GPIO, lo stato e le letture degli errori della scheda AFE. La misurazione della tensione delle celle è anche rappresentata graficamente e tracciata in tempo reale.
3. Scheda di riferimento: La GUI include una scheda di riferimento che rappresenta un diagramma a blocchi di alto livello della scheda e gli schemi.
Gli schemi e i file Gerber insieme al firmware di valutazione, alla GUI e alla guida utente sono open-source e forniti da ADI.
Conclusioni
Nel mercato dell'energia in rapida evoluzione, c'è un'urgente necessità di BESS. La domanda per una soluzione completa pronta per essere implementata è urgente. È anche necessario un supporto per accelerare il tempo di commercializzazione e non aggiungere ritardi sconosciuti. ADI è pronta a soddisfare pienamente quella domanda con il suo ESCU. Questa scheda offre le funzionalità chiave richieste per i BESS e fornisce una base completa con flessibilità per ulteriori sviluppi.
Con la soluzione del controller BMS di ADI, gli utenti saranno in grado di:
- Valutare contemporaneamente più AFE poiché questa soluzione mira ad architetture impilabili e scalabili. Non è richiesta alcuna scheda aggiuntiva con trasmettitore isoSPI.
- Risolvere i problemi del sistema BMS senza soluzione di continuità grazie al JTAG integrato, agli indicatori di stato LED e a vari connettori e interfacce.
- Ridurre il tempo di commercializzazione sfruttando hardware e software open-source. La scheda del controller BMS di ADI è dotata delle funzionalità chiave richieste per i BESS e offre una base flessibile necessaria per lo sviluppo futuro.
