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La tesi presentata intende trattare, considerando varie strategie, una possibile soluzione di sistema di monitoraggio intelligente per batterie al sodio-nichel-cloro, altresì conosciute commercialmente con il nome ZEBRA (Zero Emission Battery Research Activities).
Tali batterie presentano prestazioni interessanti e alcuni vantaggi rispetto a quelle al litio, tra cui una maggiore sicurezza intrinseca, la possibilità di operare in un intervallo di temperature più esteso, e l’impiego di materiali più abbondanti in natura. Per contro richiedono di operare a temperature ben superiori a quella ambiente (250°C÷350°C), da cui il nome di “batterie calde”.
Le batterie ZEBRA, come accade per quelle al litio, richiedono la presenza di un sistema elettronico intelligente che le possa monitorare e gestire, in particolare controllando che la loro temperatura rimanga nell’intervallo operativo.
Le batterie ZEBRA in commercio sono già provviste di circuiterie di monitoraggio e controllo, ma in questa tesi si vuole proporre un’alternativa a basso costo basata su tecniche convenzionali, in grado di fornire misure di tensione e temperatura, che sono necessarie a stimare lo stato della batteria.
Le motivazioni di questo lavoro di tesi hanno origine dal bisogno di accumulatori alternativi al litio sicuri, ecosostenibili, e prestanti, utili a mantenere la continuità elettrica, per esempio, nelle applicazioni telecom, che sono determinanti nello scenario moderno dei nostri giorni.
Il lavoro svolto inizia con uno studio della cella ZEBRA, di cui si evidenziano la chimica, le condizioni operative, i vantaggi e gli svantaggi, e dei Battery Management System, di cui si illustrano le principali funzioni e i tipi di architettura presenti in letteratura.
Successivamente, si propone una soluzione di BMS per una batteria ZEBRA da 52V basato su architettura distribuita di tipo Master-Slave, in cui lo Slave si occupa di misurare le tensioni e la temperatura di un singolo modulo della batteria, oltre ad azionare il riscaldatore, e il Master si occupa di elaborare l’algoritmo di stima dello stato della batteria, di comunicare con un convertitore DC-DC e di controllare eventuali interruttori.
Di tutto il BMS è stato realizzato un prototipo di BMS Slave, composto da una scheda di acquisizione dati (tensione e temperatura), che è stata progettata a livello hardware, e da una scheda di controllo basata su microcontrollore, di cui è stato sviluppato il firmware.
Sul prototipo di Slave sono stati infine effettuati, tramite sourcemeter Keithley 2460 e multimetro digitale Fluke 87 V, test di misura per la tensione e la temperatura, al fine di valutare le prestazioni ottenute.
I risultati ottenuti, sia sulle misure di tensione che di temperatura, hanno presentato buone caratteristiche in quanto a linearità, accuratezza e precisione.