Le batterie agli ioni di Litio si sono imposte, da molto tempo a questa parte, come la soluzione vincente per il futuro dei veicoli ibridi ed elettrici. Tuttavia, il mantenimento di questo impegno passa attraverso la realizzazione di un nuovo genere di semiconduttori appositamente progettati per monitorare e gestire adeguatamente le celle da cui sono costituite, affinchè possano fornire le prestazioni richieste. Le conseguenze di un cattivo funzionamento sono infatti ben note: un veicolo che in condizioni normali e dopo una singola carica dovrebbe avere una autonomia di 100 chilometri, potrebbe bloccarsi improvvisamente dopo averne percorsi appena 90. Un altro aspetto, ugualmente importante, è che a questi nuovi dispositivi di monitoraggio è affidato il compito di rilevare con sicurezza ogni malfunzionamento della batteria: ciò significa non solo tenere sotto controllo ogni singola cella, ma anche avere a disposizione un mezzo per tenere traccia del sistema di monitoraggio stesso.
Un efficace sistema di supervisione per celle Li-ion
Un efficace sistema di supervisione per celle Li-ion si basa su quattro criteri fondamentali. Al primo posto, la precisione: il sistema deve infatti essere in grado di valutare lo stato di ogni cella nel modo più preciso possibile per garantire il miglior funzionamento della batteria nel suo complesso. Il necessario grado di precisione è determinato dal tipo di celle. Altrettanto importante è la diagnostica a livello generale: oltre a monitorare lo stato di ogni cella, il sistema deve costantemente testare la sua stessa funzionalità per garantire che ogni sezione stia lavorando in ogni istante al livello di precisione atteso e richiesto. Il terzo criterio è la comunicazione, che deve essere sempre efficiente. Ogni parte del sistema di monitoraggio deve essere in grado di coordinarne le azioni e, per ottenere questo risultato, è necessario che le varie sezioni possano comunicare tra loro in maniera adeguata. Questo requisito rende ogni sistema tradizionale di comunicazione decisamente incompatibile con l’ambiente rumoroso tipico delle batterie. E finalmente la sicurezza. Una corretta gestione delle celle Li-ion rende il sistema immune da guasti e da problemi relativi alla sicurezza. Se e non appena si verifica un guasto, il sistema deve essere pronto a reagire con le opportune contromisure. Un falso allarme non deve però provocare alcuna reazione.
Nonostante le celle agli ioni di litio di produzione attuale siano molto più sicure di quanto non lo fossero nel passato, è comunque essenziale gestirle in modo corretto, rilevando tempestivamente ogni malfunzionamento della batteria nel suo complesso. Per questo i sistemi di monitoraggio devono costantemente tenere sotto controllo condizioni come tensione troppo alta, tensione troppo bassa e temperatura eccessiva delle celle; inoltre, per quanto riguarda l'integrità del sistema, un valore adeguato della tensione d'alimentazione e l'interruzione del cablaggio relativo al controllo della tensione e della temperatura.
Dal momento che i dispositivi di monitoraggio del backup devono comunicare le eventuali anomalie rilevate sia tra di loro che a un microcontrollore per poter procedere, se necessario, al blocco dell'intero sistema, è facile comprendere come la comunicazione rivesta un ruolo di primaria importanza. Le interfacce standard Can o Spi garantiscono un livello di comunicazione affidabile con il microcontrollore, ma utilizzare queste interfacce per tutti i dispositivi di controllo comporta costi inaccettabili: basti pensare che un'interfaccia Can e un isolatore costano un paio di dollari a dispositivo, mentre una interfaccia dedicata può fare le stesse cose a un costo decisamente inferiore.
Un circuito integrato di controllo e monitoraggio
L'ISL78600 di Intersil è il primo di una nuova generazione di dispositivi per il monitoraggio e bilanciamento di celle Li-ion in grado di soddisfare i requisiti imposti dai veicoli elettrici e ibridi. È un circuito integrato per il controllo da 6 a 12 celle collegate in serie che aggiunge, a funzioni come monitoraggio di precisione e bilanciamento delle celle, anche una diagnostica accurata del sistema. Dotato di un convertitore AD a 14 bit e una architettura di ultima generazione per quanto riguarda gli ingressi, questo nuovo dispositivo garantisce finalmente il livello di precisione richiesto per ottenere il massimo delle prestazioni dalle moderne batterie Li-ion. Grazie al suo sistema di monitoraggio e alle sue funzionalità diagnostiche, assicura un funzionamento più sicuro e preciso, accentuato anche da un efficiente filtraggio degli ingressi per la rilevazione dei guasti, che rigetta i falsi allarmi. Tutte queste prestazioni inerenti alla sicurezza rendono l'ISL78600 compatibile con l'Automotive Safety Integrity Level C come componente stand-alone. Ad esempio, per garantire che la misura di tensione venga eseguita con la precisione richiesta, integra ben due riferimenti di tensione separati che possono essere messi a confronto, incrementando così l’accuratezza.
Un sistema di monitoraggio ridondante
Infine, il suo funzionamento in coppia con l'ISL78601, dispositivo di backup che si occupa di individuare situazioni di sovra o sotto-tensione, consente di implementare un sistema di monitoraggio ridondante. La funzione di monitoraggio è affidata a un'interfaccia di comunicazione daisy-chain a due fili completamente differenziale e configurata in modo da evitare la suscettibilità ai transienti tipica della maggior parte delle interfacce tradizionali. Questo canale di comunicazione dedicato presenta inoltre una grande immunità alle interferenze elettromagnetiche, requisito che ha in pratica escluso molte altre soluzioni. In caso di guasto degli stessi dispositivi di monitoraggio, entra in gioco la specifica ISO26262 che cerca di risolvere il problema attraverso un'analisi statistica di guasti single point e multipoint, allo scopo di mantenere i guasti residui (cioè quelli non rilevati) a un livello accettabile. Per quanto riguarda l'elettronica della batteria, le specifiche impongono la capacità di rilevare e segnalare ogni guasto che comprometta la funzione di garantire le condizioni di sicurezza. Ad esempio, i dispositivi di monitoraggio devono assicurare che la precisione con cui viene misurata la tensione di ogni cella sia compresa entro determinati limiti, nonchè rilevare ogni corto circuito nei componenti che possa causare danni per una eccessiva dissipazione termica. A tali dispositivi si richiede quindi non solo di diagnosticare i propri guasti, ma anche di agire per porvi rimedio, o prevenirli. In tale contesto vanno inquadrati, come già accennato, la presenza nell'ISL78600 di due riferimenti di tensione per una maggiore accuratezza e l'abbinamento con l'ISL78601 per un monitoraggio ridondante.
