Il battery monitor a bassa tensione si fa strada nei veicoli elettrici ad alta tensione

Di Christopher Gobok, Product Marketing and Operations Manager

Mobilità Elettrica

Se non siete già alla guida di veicolo elettrico (EV), che sia un ibrido elettrico (HEV), un ibrido plug-in (PHEV), oppure completamente elettrico, probabilmente lo sarete presto. L’ansia da autonomia è diventata un ricordo del passato. Ora potete contribuire a preservare l’ambiente senza preoccuparvi di restare a piedi. I governi di tutto il mondo offrono incentivi finanziari per compensare i prezzi dei veicoli elettrici, sperando di disincentivare l’acquisto di veicoli con motore a combustione interna (ICE). Alcuni governi hanno imposto alle case automobilistiche di costruire e vendere veicoli elettrici, sperando che alla fine il mercato ne sarà dominato, mentre altri hanno tracciato una linea più netta: la Germania, per esempio, sta già spingendo per vietare i veicoli ICE entro il 2030.

Per gran parte della storia dell’automobile, l’innovazione si è concentrata sul miglioramento dell’efficienza dei motori e la riduzione del consumo di carburante, sulla diminuzione delle emissioni e sulla fornitura di una confortevole esperienza d’uso. Tuttavia, la stragrande maggioranza delle recenti innovazioni nelle automobili endotermiche è il risultato diretto dei progressi nell’elettronica, miglioramenti della telaistica, della cinematica, dei sistemi autonomi e avanzati di assistenza alla guida (ADAS), dell’infotainment e dei sistemi di sicurezza. I veicoli elettrici sono dotati in gran parte degli stessi sistemi elettronici dei veicoli endotermici, oltre, naturalmente, alla catena cinematica stessa. Secondo Micron Technology, la parte elettronica di un EV è pari al 75% del suo valore, proporzione che aumenta man mano che i progressi nella tecnologia dei semiconduttori continuano ridurre il costo dei vari moduli elettronici e sottosistemi. Anche player che non hanno una grande tradizione del settore automotive, come Intel®, vogliono entrare in gioco.

Non sorprende che, tra tutti i sottosistemi elettronici di un veicolo elettrico, sia i produttori che i consumatori si concentrino allo stesso modo sul cuore dell’EV: le batterie. Il sistema di batterie comprende la batteria ricaricabile stessa, di cui la categoria ioni di litio (Li-Ion) rappresenta lo standard attuale, e il sistema di gestione delle batterie (BMS), che ne massimizza l’uso e la sicurezza. Le soluzioni BMS di Analog Devices rappresentano lo standard per il monitoraggio. Il monitor del pacco batteria EV LTC2949 di ADI è l’ultima novità di un ampio portfolio di circuiti integrati BMS intelligenti, che stanno potenziando i progetti BMS per veicoli elettrici di prossima generazione.

Monitoraggio BMS

La funzione principale di un BMS è quella di monitorare lo stato di una batteria o, nel caso dei veicoli elettrici, del pacco completo o di una singola pila di batterie. Un BMS generalmente monitora le tensioni, le correnti, le temperature, lo stato di carica (SOC), lo stato di salute (SOH) e altre funzioni correlate, come il flusso del refrigerante. Oltre agli evidenti vantaggi in termini di sicurezza e prestazioni offerti dal BMS, il monitoraggio accurato di questi parametri si traduce generalmente in una migliore esperienza di guida, dove i conducenti sono informati in tempo reale sulle condizioni delle batterie.

Per essere efficaci, i circuiti di misura del BMS, come il nuovo pack monitor LTC2949, devono essere precisi e veloci, avere un’elevata reiezione della tensione di modo comune, consumare poca energia e comunicare in modo sicuro con altri dispositivi. Altre mansioni del BMS EV includono il recupero dell’energia nel pacco batterie (cioè la frenata rigenerativa), il bilanciamento delle celle, la protezione del pacco batterie da livelli pericolosi di tensione, corrente e temperatura e la comunicazione con altri sottosistemi (ad esempio, caricabatterie, carichi associati, gestione termica e spegnimento di emergenza).

Molteplici topologie di monitoraggio BMS vengono utilizzate dai produttori di auto per soddisfare le loro esigenze di precisione, affidabilità, facilità di produzione, costi e requisiti di alimentazione. Ad esempio, la topologia distribuita mostrata in Figura 1 enfatizza l’alta precisione con intelligenza locale, l’elevata producibilità con pacchi batteria collegati in serie, il minimo consumo energetico e l’alta affidabilità attraverso interfacce SPI e isoSPI™ a bassa potenza per le comunicazioni tra dispositivi.

Nella figura mostrata, il LTC2949 è utilizzato in una configurazione di current sensing low-side, dove le linee di comunicazione isoSPI sono parallele al monitor della batteria del LTC6811-1 inferiore. Per una maggiore affidabilità, è possibile realizzare un doppio schema di comunicazione collegando un secondo transceiver isoSPI alla parte superiore della pila di batterie e creando una topologia ad anello in grado di comunicare in entrambe le direzioni. La comunicazione isolata con il controller master SPI è implementata tramite un convertitore di segnale isoSPI-to-SPI LTC6820. La famiglia LTC681x di monitor per batterie multicella impilabili di Analog Devices può essere utilizzata per misurare tensioni individuali fino a 6, 12, 15 o 18 celle della batteria collegate in serie, mentre un singolo LTC2949 viene utilizzato per misurare i parametri del pacco batterie completo. Insieme, LTC681x e LTC2949 formano una soluzione completa di monitoraggio EV BMS componendo il cosidetto front-end analogico (AFE) del BMS.

Figura 1. Topologia di monitoraggio BMS EV distribuito utilizzando LTC6811-1s e LTC2949.

Il LTC2949 è un misuratore di corrente, tensione, temperatura, carica, potenza ed energia ad alta precisione, progettato specificamente per i veicoli elettrici. Misurando questi parametri chiave, i progettisti di sistema hanno gli elementi essenziali per calcolare in tempo reale SOC e SOH, oltre ad altri valori di merito, per l’intero pacco batterie. La Figura 2 mostra uno schema a blocchi dell’LTC2949 utilizzato in una configurazione di rilevamento di alta corrente. In questo caso, LTC2949 utilizza una topologia flottante regolabile, che gli permette di monitorare un pacco batterie ad altissima tensione, senza essere vincolato dalla propria tensione nominale di 14,5 V. L’alimentazione del LTC2949 viene fornita tramite un convertitore flyback isolato LT8301 con VCC collegato al terminale positivo della batteria.

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