La chimica delle celle stabilisce la tensione e i limiti operativi di ogni singola cella, mentre la configurazione serie-parallelo scala tali proprietà in un pacco batteria completo. Le celle collegate in serie aumentano la tensione totale; le celle collegate in parallelo mantengono la tensione della cella aumentando al contempo la capacità in ampere-ora e la capacità di corrente. Insieme, la chimica e la topologia determinano la tensione nominale, la capacità, l'energia, i limiti di sicurezza del pacco e le funzioni BMS necessarie per farlo funzionare in modo affidabile.
Il numero di celle in serie determina la tensione, il numero di celle in parallelo determina la capacità e la chimica determina l'intervallo di tensione, il comportamento termico e i limiti di protezione che il BMS deve monitorare. Un BMS per pacchi convenzionali monitora generalmente ogni gruppo in serie, mentre architetture più avanzate possono monitorare anche le singole celle all'interno dei gruppi in parallelo.
Come i collegamenti in serie e in parallelo definiscono le specifiche del pacco
I collegamenti in serie aumentano la tensione
Per celle con una tensione nominale (V_\text{cell}), una stringa contenente (S) celle in serie ha approssimativamente:
[ V_\text{pacco} = S \times V_\text{cell} ]
Ad esempio, le celle LFP sono comunemente considerate con una tensione nominale di circa 3,2 V. Una configurazione LFP a 95 serie produce quindi:
[ 95 \times 3,2\text{ V} = 304\text{ V} ]
Il numero di celle in serie determina anche le tensioni operative massima e minima del pacco, poiché i limiti di carica e scarica completi della cella vengono moltiplicati per lo stesso numero.
I collegamenti in parallelo aumentano la capacità
Per celle con una capacità (C_\text{cell}), un gruppo contenente (P) celle in parallelo ha approssimativamente:
[ C_\text{gruppo} = P \times C_\text{cell} ]
Cinque celle da 10 Ah collegate in parallelo forniscono quindi circa 50 Ah, mantenendo la tensione di una singola cella LFP.
Le celle in parallelo possono anche condividere la corrente di carico, riducendo la corrente richiesta da ogni singola cella. Ciò può migliorare la capacità di potenza, a condizione che le celle siano ben accoppiate e che le interconnessioni distribuiscano la corrente in modo uniforme.
La notazione combinata definisce il risultato elettrico
Un pacco 5P95S contiene 95 gruppi in serie, con 5 celle in parallelo in ogni gruppo. Utilizzando celle LFP da 10 Ah:
- Tensione nominale: circa 304 V
- Capacità: circa 50 Ah
- Energia nominale: circa 15,2 kWh, calcolata come 304 V × 50 Ah
Un pacco 90S che utilizza celle LFP da 6,5 Ah fornisce:
- Tensione nominale: circa 288 V
- Capacità: circa 6,5 Ah
- Energia nominale: circa 1,87 kWh
Questi sono valori nominali. L'energia effettivamente utilizzabile dipende dai limiti di tensione, dalla temperatura, dalla corrente, dall'invecchiamento e dalla finestra operativa del BMS.
Come la chimica modifica la progettazione del pacco
LFP stabilisce una tensione nominale inferiore per cella
Le celle LFP hanno solitamente una tensione nominale vicina a 3,2 V e un profilo di tensione di scarica relativamente piatto. Ciò significa che potrebbero essere necessarie più celle in serie per raggiungere una tensione del pacco target rispetto a una chimica con una tensione nominale della cella più elevata.
Il profilo di tensione piatto può rendere la stima dello stato di carica basata sulla tensione meno precisa in alcune parti dell'intervallo di scarica. Il BMS trae quindi vantaggio dal conteggio dei coulomb (coulomb counting), da misurazioni di tensione calibrate, dalla compensazione della temperatura e da correzioni periodiche della stima dello stato.
LMO utilizza limiti di tensione e termici differenti
Le celle LMO hanno una tensione nominale, limiti di carica, limiti di scarica, caratteristiche di impedenza e comportamento termico differenti rispetto alle celle LFP. Il BMS non può semplicemente riutilizzare le soglie di tensione o il modello SOC di un pacco LFP.
Il riferimento principale descrive celle LMO da 35 Ah disposte come 2P95S su più sotto-pacchi, con una tensione totale dichiarata di 651 V e una capacità di 70 Ah. La capacità di 70 Ah deriva direttamente da 2 × 35 Ah. Tuttavia, la tensione totale dichiarata di 651 V non può essere derivata da una singola stringa LMO 95S senza ulteriori informazioni sui sotto-pacchi collegati in serie, pertanto la topologia completa del sotto-pacco e la definizione della tensione devono essere confermate prima di considerare tale cifra come una specifica del pacco.
La chimica determina le soglie di protezione
Il BMS deve utilizzare limiti specifici per la chimica per:
- Tensione massima di carica della cella
- Tensione minima di scarica della cella
- Corrente di carica e scarica
- Intervallo di temperatura
- Ricarica a bassa temperatura
- Condizioni di sovratemperatura e sottotemperatura
- Stima dello SOC (stato di carica) e dello SOH (stato di salute)
Una disposizione serie-parallelo cambia la scala del sistema, ma non elimina la necessità di una logica di protezione specifica per la chimica.
Cosa deve monitorare il BMS
Monitoraggio della tensione dei gruppi in serie
La misurazione elettrica più importante in un pacco ad alta tensione è la tensione di ogni gruppo in serie. Il BMS utilizza queste misurazioni per rilevare:
- Sovratensione durante la carica
- Sottotensione durante la scarica
- Squilibrio tra celle o gruppi
- Cadute di tensione anomale
- Guasti a circuito aperto o nelle interconnessioni
In un design convenzionale 5P95S, il BMS ha solitamente circa 95 canali di tensione per i gruppi in serie, poiché ogni gruppo in parallelo viene trattato come un unico nodo di tensione. Il BMS potrebbe non distinguere la tensione di ciascuna delle cinque celle in parallelo a meno che non venga fornito un rilevamento aggiuntivo a livello di cella.
Monitoraggio della temperatura
I sensori di temperatura sono necessari in posizioni rappresentative in tutto il pacco, specialmente vicino alle interconnessioni ad alta corrente, alle interfacce termiche e alle celle con un rischio termico elevato.
I dati sulla temperatura supportano il derating di carica e scarica, il controllo della gestione termica, lo spegnimento per sovratemperatura, la protezione per la ricarica a bassa temperatura e il rilevamento di riscaldamenti locali anomali.
Misurazione della corrente
Il rilevamento della corrente del pacco consente al BMS di identificare condizioni di sovracorrente e cortocircuito, supportando al contempo il conteggio dei coulomb per la stima dello SOC.
La misurazione della corrente è particolarmente importante perché la sola tensione non può rivelare in modo affidabile la capacità residua sotto carichi variabili.
Test di resistenza di isolamento
I pacchi ad alta tensione richiedono il monitoraggio dell'isolamento tra i conduttori ad alta tensione e l'involucro del pacco o il telaio del veicolo. Una riduzione della resistenza di isolamento può indicare infiltrazioni di umidità, isolamento danneggiato, contaminazione o un guasto interno.
Questa funzione è distinta dal monitoraggio della tensione delle celle. Un pacco può avere tensioni delle celle normali pur presentando un pericoloso guasto di isolamento.
Controllo di contattori e relè
Il BMS controlla i contattori o i relè ad alta tensione per collegare e isolare la batteria dal sistema esterno. Le funzioni tipiche includono il controllo della precarica, lo spegnimento di emergenza, il controllo dell'abilitazione alla carica e l'isolamento dopo un guasto rilevato.
La strategia dei contattori deve tenere conto della tensione totale e dell'energia immagazzinata nel pacco, non solo della sua tensione nominale.
Allarmi di guasto e tracciamento dello SOC
Il BMS dovrebbe generare allarmi online per guasti di tensione, temperatura, corrente, isolamento, comunicazione, sensori e contattori. Dovrebbe inoltre tracciare lo SOC e, ove richiesto, lo stato di salute e la potenza disponibile.
La stima dello SOC deve riflettere sia la chimica delle celle che le condizioni di invecchiamento del pacco. Il ridimensionamento della capacità in parallelo non viene preservato perfettamente man mano che le celle invecchiano o si sbilanciano.
Perché l'accoppiamento delle celle è importante
I gruppi in parallelo devono condividere la corrente in modo uniforme
Le celle poste in parallelo dovrebbero avere capacità, resistenza interna, tensione e stato di carica strettamente accoppiati. Differenze nella resistenza possono causare una condivisione non uniforme della corrente, con le celle a resistenza inferiore che trasportano gran parte del carico o accettano più carica.
Tale comportamento disuguale può creare riscaldamento localizzato e accelerare l'invecchiamento all'interno di un gruppo.
Le stringhe in serie sono limitate dal loro gruppo più debole
La capacità utilizzabile di una stringa in serie è limitata dal gruppo che raggiunge per primo il suo limite di tensione. Un singolo gruppo debole può indurre il BMS a interrompere la scarica prematuramente o a terminare la carica prima che i gruppi più forti siano completamente utilizzati.
Ecco perché la coerenza nel rivestimento degli elettrodi, nella densità di pressatura, nella tensione iniziale, nella capacità e nella resistenza interna è importante durante la produzione e l'assemblaggio delle celle.
La qualità della produzione influisce sul carico di lavoro del BMS
La produzione e l'assemblaggio ad alta precisione riducono la divergenza di tensione, lo squilibrio termico e l'attività di bilanciamento non necessaria. Il BMS rimane necessario, ma celle meglio accoppiate rendono le sue misurazioni più prevedibili e i suoi interventi meno frequenti.
Comprendere i compromessi
Più celle in serie aumentano la tensione e la complessità del monitoraggio
Aumentare il numero di celle in serie innalza la tensione del pacco e può ridurre la corrente per un dato livello di potenza. Tuttavia, aumenta anche il numero di canali di monitoraggio della tensione, i requisiti di isolamento, le specifiche dei contattori e le conseguenze di un guasto.
Un design ad alta tensione richiede quindi un'ingegneria elettrica, meccanica, termica e di sicurezza coordinata.
Più celle in parallelo aumentano la capacità ma aggiungono problemi di bilanciamento
Aumentare il numero di celle in parallelo aumenta la capacità e la capacità di corrente senza aumentare la tensione nominale. Aggiunge anche celle, interconnessioni, percorsi di guasto e possibilità di condivisione non uniforme della corrente.
Un BMS convenzionale potrebbe vedere solo la tensione combinata di un gruppo in parallelo, quindi un guasto alla singola cella all'interno di quel gruppo potrebbe essere difficile da identificare senza un rilevamento a livello di cella o metodi diagnostici aggiuntivi.
La notazione della topologia deve corrispondere all'architettura fisica
La notazione 5P95S descrive normalmente 5 celle in parallelo per gruppo e 95 gruppi di questo tipo in serie. Un design descritto come 100S4P dovrebbe essere interpretato con attenzione, poiché la disposizione fisica e l'architettura del BMS determinano se il BMS monitora 100 blocchi in parallelo o più stringhe in serie separate.
Interpretare erroneamente la topologia può portare a un numero errato di canali di tensione, hardware di bilanciamento inadatto e un comportamento di protezione errato.
La tensione nominale non è la specifica di tensione completa
La tensione nominale di un pacco è utile per il confronto a livello di sistema, ma il BMS deve operare sull'intero intervallo di tensione da minimo a massimo. Tale intervallo dipende dai limiti delle celle della chimica utilizzata e dal numero di celle in serie.
Il caricabatterie, l'inverter, i contattori, il sistema di isolamento, i fusibili e l'elettronica di misurazione devono essere tutti dimensionati per la massima tensione possibile del pacco.
Fare la scelta giusta per il proprio obiettivo
Il design corretto inizia con la tensione, l'energia, la potenza, la temperatura operativa, i limiti di sicurezza e l'architettura BMS richiesti.
- Se il tuo obiettivo principale è una tensione di sistema più elevata: Aumenta il numero di celle in serie e seleziona limiti di tensione specifici per la chimica, dimensionando al contempo il BMS, il monitoraggio dell'isolamento, i contattori e l'elettronica di potenza per la tensione massima risultante.
- Se il tuo obiettivo principale è una maggiore capacità o capacità di corrente: Aumenta il numero di celle in parallelo, verifica la condivisione della corrente e l'accoppiamento delle celle, e tieni conto della maggiore complessità termica e diagnostica.
- Se il tuo obiettivo principale è la semplicità del BMS: Utilizza un'architettura chiaramente definita "parallelo-prima" in cui ogni gruppo in parallelo viene monitorato intenzionalmente come unità in serie, riconoscendo che i guasti alle singole celle potrebbero richiedere un rilevamento aggiuntivo.
- Se il tuo obiettivo principale è la sicurezza e la manutenibilità: Fornisci rilevamento della tensione dei gruppi in serie, monitoraggio della temperatura, rilevamento della corrente, test di isolamento, controllo dei contattori, allarmi di guasto e algoritmi di protezione e SOC specifici per la chimica.
- Se il tuo obiettivo principale è una prestazione affidabile nel tempo: Controlla la variazione nella produzione e nell'assemblaggio delle celle in modo che la capacità, la resistenza interna, la tensione e il comportamento termico rimangano uniformi sia tra i gruppi in parallelo che tra le stringhe in serie.
La chimica determina il comportamento elettrico e di sicurezza della cella, mentre l'assemblaggio serie-parallelo scala tale comportamento in un pacco la cui tensione, capacità e requisiti BMS devono essere progettati come un unico sistema integrato.
Tabella riassuntiva:
| Fattore | Collegamento in serie | Collegamento in parallelo |
|---|---|---|
| Effetto sulla tensione | Aumenta la tensione totale (V = S × V_cell) | Mantiene la tensione al livello della cella |
| Effetto sulla capacità | Capacità invariata | Aumenta la capacità (C = P × C_cell) |
| Effetto sulla corrente | Riduce la corrente a parità di potenza | Aumenta la capacità di corrente |
| Monitoraggio BMS | Monitorata la tensione di ogni gruppo in serie | Monitorata la tensione del gruppo, spesso non quella della singola cella |
| Rischi principali | L'alta tensione richiede isolamento e contattori adeguati | Condivisione non uniforme della corrente, necessario accoppiamento celle |
| Impatto sul design | Più celle in serie = tensione più alta, più canali BMS | Più celle in parallelo = capacità più alta, maggiore complessità termica |
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