• Battery Management System
• lithium-ion battery

Le batterie agli ioni di litio sono probabilmente la scelta migliore per l’alimentazione di piccoli dispositivi, come per esempio smartphone, tablet e laptop. Negli scorsi anni, tale tecnologia è stata introdotta in tantissimi altri settori del mercato che vanno dalle applicazioni di alta potenza, come per esempio veicoli elettrici, sistemi di accumulo per siti di produzione di energie rinnovabili e sistemi per il backup energetico (UPS), ad applicazioni di media potenza. In questo ultimo campo, sono molteplici i dispositivi che sono stati dotati di batteria agli ioni di litio e sul mercato è facile trovare elettroutensili per il giardinaggio, l’edilizia, i lavori domestici e per la pulizia. La larga diffusione delle batterie al litio è data dalla loro superiorità rispetto alle altre tecnologie di batterie ricaricabili grazie a un’elevata densità di potenza ed energia, maggior numero di cicli di ricarica, minor auto-scarica e la possibilità di essere ricaricate con alte potenze, riducendo i tempi di ricarica. Questi aspetti introducono notevoli vantaggi nelle applicazioni in cui sono usate, ma allo stesso tempo, l’alto costo della tecnologia ne rallenta la diffusione. Le batterie agli ioni di litio devono poi essere dotate di un sistema elettronico di controllo, chiamato solitamente Battery Management System (BMS), che gestisce la batteria e la mantiene nella zona sicura di funzionamento (Safety Operation Area, SOA). Infatti, le batterie al litio lavorando fuori da tale zona in cui sono fissati limiti di tensione, corrente e temperatura, possono presentare un invecchiamento accelerato, in particolari casi danni permanenti che ne inficiano l’uso, e addirittura essere non sicure. Il BMS, ovviamente, aumenta il costo già alto di questa tecnologia, rendendo spesso il costo la metrica più importante nella progettazione delle batterie. Per favorire la diffusione di questa promettente tecnologia tenendo conto delle problematiche evidenziate, nel percorso di dottorato sono state sviluppate una serie di metodologie, descritte nel dettaglio nella presente tesi, da applicare in fase di progettazione. Per esempio, nel campo dei veicoli a trazione elettrica ci sono molteplici applicazioni le cui caratteristiche si sposano bene con la tecnologia agli ioni di litio, come il trasporto pubblico o la movimentazione di materiali nei magazzini. Infatti, esse sono caratterizzate da cicli operativi interallacciati da momenti di pausa, nei quali si può sfruttare la possibilità offerta da tale tecnologia di essere ricaricata con elevate potenze (fast charge) per recuperare parte o tutta l’energia utilizzata nei cicli operativi precedenti. Tale approccio consente di ridurre l’energia che deve essere immagazzinata nella batteria per garantire una buona autonomia, e quindi ne riduce il costo, l’ingombro e il peso con notevoli benefici per l’applicazione. Ovviamente, l’applicazione di profili di ricarica rapida richiede un incremento del costo dell’infrastruttura che però può essere ammortizzato su un gran numero di veicoli. Nel lavoro di dottorato si è potuto validare tale concetto all’interno di un progetto in collaborazione con ENEA, nel quale è stata progettata e realizzata una batteria agli ioni di litio per un minibus elettrico adibito al trasporto pubblico secondo profili d’uso compatibili con l’approccio fast charge. Il minibus in esame era originariamente equipaggiato con una pesante batteria al piombo acido da 72V e 585Ah, ormai degradata e con autonomia insufficiente al ciclo operativo giornaliero del minibus. Il risultato della sperimentazione ha dimostrato che con una batteria di soli 240Ah il minibus presenta un’operatività teoricamente infinita purché sia ricaricato per 1 minuto ogni kilometro percorso e vengano percorsi al massimo 40 km tra una ricarica completa e la successiva. La batteria è stata progettata seguendo un approccio modulare, dove il modulo base ha una tensione di 12V ed è compatibile con le classiche battere al piombo acido. In questo modo esso può essere utilizzato per il ricondizionamento di veicoli preesistenti con un mercato notevolmente più ampio e di conseguenza con un maggiore volume di produzione, il che porta a una riduzione dei costi. L’approccio modulare può introdurre notevoli vantaggi anche in altre applicazioni, come per esempio elettroutensili per il giardinaggio o l’edilizia. In questi ambiti i produttori tendono a progettare utensili con la stessa tensione operativa in modo da renderli compatibili con un unico tipo di batteria che può alimentare l’intera famiglia di prodotti. Le limitazioni di tale approccio sono date dell’impossibilità di soddisfate il fabbisogno energetico di tutte le applicazioni con una batteria di taglia unica, in quanto, la batteria progettata per soddisfare l’utensile più energivoro risulta poco proponibile in termini di peso, volume e costo con le applicazioni che richiedono basse energie. Per tale motivo molti produttori propongono diverse taglie di batterie compatibili meccanicamente ed elettricamente, ma con diverse capacità, rinunciando parzialmente ai vantaggi di un modulo standard. Per risolvere questa contraddizione, in questa tesi è stata presentata una batteria standard che può soddisfare i requisiti di numerose applicazioni grazie alla possibilità di essere connessa in parallelo ad altre simili. La connessione di batterie in parallelo richiede particolari accorgimenti hardware/- software per evitare condizioni potenzialmente distruttive per l’applicazione o per le batterie. Infatti, se due batterie simili con una notevole differenza di tensione, dovuta al diverso stato di carica, vengono connesse in parallelo, si ha una notevole corrente di circolazione, limitata solo dalle bassissime resistenze serie delle batterie, che scorre dalla batteria più carica all’altra, per bilanciare il sistema. L’uso di dispositivi passivi quali i diodi per risolvere tale problema comporta un’inaccettabile perdita di efficienza. La soluzione proposta utilizza degli interruttori a stato solido al posto dei diodi, gestiti con algoritmi “smart” che prevengono condizioni poco sicure per il sistema. Di conseguenza, la batteria standard è dotata di un interruttore di potenza utilizzato dal BMS interno per garantire la sua sicurezza, ma che può essere attivato tramite comando esterno. Tale interruttore viene controllato dall’apposito algoritmo di parallelizzazione eseguito dall’unita di calcolo dell’utensile che utilizza le batterie. Per trovare il miglior algoritmo di parallelizzazione è stata realizzata una piattaforma simulativa che ha consentito di sviluppare, analizzare e confrontare diversi algoritmi in totale sicurezza, ma nelle condizioni più vicine possibili a quelle reali. Da tale studio è stato individuato il miglior algoritmo che massimizza il tempo in cui le batterie sono parallelizzate, portando a una riduzione della corrente media erogata dalle singole batterie. Tale aspetto incrementa l’energia estraibile dal sistema batteria a parità delle condizioni di partenza e riduce la temperatura di lavoro delle stesse. Quest’ultimo effetto, insieme alla riduzione degli stress di corrente, porta a un incremento della vita utile delle batterie, come ampiamente documentato in letteratura. Per verificare tali concetti è stato sviluppato un dimostratore a doppia batteria che è composto da un rasaerba e un charger innovativi, che implementano anche il paradigma IoT (Internet of Thing). Il rasaerba è provvisto di un’unita di controllo custom basata su un microcontrollore il quale esegue l’algoritmo di parallelizzazione, controlla il motore e gestisce la comunicazione tramite un modulo Bluetooth. La possibilità di una comunicazione permette all’utente di monitorare il sistema e configurarlo, adattandolo alla particolare situazione nella quale esso verrà utilizzato. Il concetto di IoT viene anche sfruttato sul charger, il quale è dotato di un moduloWi-Fi, che può connettersi a un cloud aziendale per caricare le informazioni dalle batterie e ricevere configurazioni o aggiornamenti di sistema. Tale possibilità è utile al produttore, il quale, se autorizzato, può utilizzare questi dati per analisi di mercato, e anche per l’utente che può ricevere dal produttore analisi avanzate sul sistema e avvisi in caso di uso impropri o semplicemente consigli su come poter ottimizzare il sistema in funzione del suo utilizzo.