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La tesi in esame presenta lo sviluppo hardware e firmware di un sistema di monitoraggio
per sistemi di accumulo di energia (batterie). L’applicazione di interesse riguarda il
monitoraggio di sistemi di accumulo per UPS (Uninterruptible Power Supply) di grande
formato, basati su batterie al piombo, ed il progetto nasce nella collaborazione con
l’azienda FET (FIAMM Energy Technology). Sebbene per molti aspetti le batterie al
piombo siano state superate da altre chimiche attualmente presenti sul mercato, il loro
utilizzo all’interno di UPS è ancora molto ampio ed economicamente vantaggioso.
Questo perché alcuni dei loro svantaggi, come la bassa densità di energia o un’autoscarica
non trascurabile, non costituiscono un problema trattandosi di una applicazione
stazionaria e costantemente mantenuta nello stato di piena carica, solitamente indicato
come stato di floating. A prescindere dall’applicazione specifica proposta, tuttavia, la
scelta dell’architettura del sistema di monitoraggio, così come le altre scelte progettuali,
sono state fatte nell’ottica di rendere il sistema flessibile e poterlo quindi utilizzare anche
per monitorare altri sistemi di accumulo elettrochimico, basati su chimiche diverse.
In un contesto UPS, l’affidabilità del sistema di accumulo costituisce un punto chiave
nell’affidabilità dell’intero apparato. Gli UPS, infatti, hanno il compito di garantire una
fonte di alimentazione affidabile e senza discontinuità in caso di avaria della fornitura
elettrica. Un loro mancato intervento, quindi, può provocare ingenti danni ai dispositivi
da loro protetti, come data center, apparati di telecomunicazione e macchinari medici.
Pertanto, da diversi anni il monitoraggio delle batterie e del loro stato di salute costituisce
un argomento di interesse per coloro che si occupano della realizzazione e mantenimento
di UPS. Lo scopo del progetto è quindi quello di realizzare un sistema che possa essere
installato su impianti nuovi o preesistenti, per effettuare misure delle principali
grandezze di interesse e implementare algoritmi di stima dello stato interno delle celle.
In seguito, i dati raccolti sono inviati ad un database remoto per poter effettuare su di essi
analisi comparative con i dati provenienti da altri sistemi, al fine di migliore la stima dello
stato interno delle celle, come ad esempio il loro grado di invecchiamento. Infine,
l’insieme delle informazioni misurate e stimate vengono utilizzate per pianificare
interventi di manutenzione preventiva aumentando l’affidabilità globale del sistema.
Nella sezione iniziale della tesi è riportata la ricerca bibliografica effettuata per
identificare gli aspetti importanti da tenere in considerazione durante la fase di
progettazione del sistema di monitoraggio. Questa fase ha evidenziato, ad esempio, che
i fenomeni di invecchiamento tipici delle batterie al piombo utilizzate negli UPS, e le loro
principali cause di guasto, sono riconducibili principalmente allo stato di floating. Quindi,
è stata effettuata una ricerca per capire come poter correlare le grandezze misurabili della
batteria al piombo con lo stato di salute della stessa. L’analisi dell’impedenza interna
delle celle, ad esempio, e la sua evoluzione durante la vita della batteria, possono essere
dei buoni indicatori dello stato di salute. Per effettuare questo tipo di misura viene usata
solitamente la spettroscopia elettrochimica di impedenza (EIS), con la quale è possibile
caratterizzare l’impedenza in punti rilevanti del suo spettro.
Il sistema progettato deve occuparsi quindi di misurare per ogni modulo della batteria la
tensione, la temperatura e la sua impedenza interna. Inoltre, vengono misurate le correnti
dei moduli e le grandezze ambientali del sito dell’impianto, come ad esempio
temperatura, umidità e presenza di gas. Considerate le elevate dimensioni dei sistemi di
accumulo di impianti preesistenti, il sistema di monitoraggio è stato progettato per poter
monitorare fino a 1024 moduli. Nell’ottica di una maggiore flessibilità, questi moduli
possono essere sia costituiti da una singola cella elementare a 2 V, che da 6 celle
elementari connesse in serie per formare un modulo da 12 V.
L’architettura adottata per il sistema di monitoraggio è di tipo Master-Slave, in cui la
comunicazione avviene tramite un protocollo custom basato sulla periferica UART su un
bus isolato. Gli slave sono connessi ed alimentati dai singoli moduli, e si occupano di
effettuare le varie misure di tensione, temperatura e impedenza. Quest’ultima viene
eseguita sovraimponendo al punto di lavoro della batteria uno stimolo sinusoidale in
corrente, ed andando a misurarne la risposta in tensione. Inoltre, gli slave possono
effettuare un bilanciamento passivo della carica immagazzinata nei moduli connettendo
in parallelo ad essi una resistenza di scarica. La scheda master, invece, si occupa di
sincronizzare le misure e raccogliere tutti i dati misurati dagli slave. Questi dati vengono
poi formattati in una struttura JSON, e inviati tramite il protocollo TCP/IP ad un server
remoto incaricato di inserirli in un database. In parallelo, viene effettuato il salvataggio
dei dati su una memoria locale SD, per sopperire ad eventuali interruzioni della rete e
poter effettuare la ritrasmissione dei dati mancanti. Tramite un’interfaccia utente
connessa al server remoto, è possibile poi configurare la struttura del sistema fisicamente
realizzato nel sito da monitorare, e visualizzare lo stato del sistema in tempo reale. Infine,
è stato inserito nella scheda un modulo GPRS utilizzato per inviare messaggi di notifica
e allerta, tramite SMS ed e-mail. La scheda master è basata su un microcontrollore
STM32F429 al cui interno è istanziato il sistema operativo real-time FreeRTOS. Per
rendere la scheda master indipendente dalla tensione di rete, è stato progettato un
sistema di alimentazione ausiliario con una batteria LiFePo4 di backup. Tramite una
logica di selezione della sorgente di alimentazione, il sistema rileva i cali di tensione della
tensione di rete e commuta sulla sorgente di backup evitando lo spegnimento o il reset
dell’intero sistema.
Una volta realizzato fisicamente il pcb progettato, il sistema è stato testato
caratterizzando sia la parte hardware, che la parte firmware. Infine, sono stati effettuati
dei test di acquisizione. È stato realizzato un setup di misura composto da 4 batterie al
piombo da 12 V 7.2 Ah connesse in serie e, tramite un alimentatore ed un carico
elettronico, sono stati emulati i vari stati di funzionamento delle batterie di un UPS:
floating, scarica, e carica. I dati acquisiti dal sistema di monitoraggio sono stati poi
confrontati con quelli misurati da un sistema di acquisizione National Instrument. Dal
confronto effettuato si è validato il funzionamento del monitoraggio, sia dal punto di
vista dell’accuratezza delle misure, che dal punto di vista temporale. Inoltre, questo test
ha permesso di verificare il corretto invio dei dati al server, e il rilevamento di eventi
durante il monitoraggio, validando le scelte progettuali e la soluzione realizzata.