Nuovo equalizzatore a doppio anello migliora le batterie EV
Nel panorama in continua evoluzione dei veicoli elettrici (VE), le prestazioni e la durata delle batterie rimangono al centro dell’innovazione tecnologica. Mentre la domanda di autonomia, velocità di ricarica e sicurezza cresce esponenzialmente, i sistemi di gestione della batteria (BMS) sono chiamati a rispondere con soluzioni sempre più sofisticate per garantire un funzionamento ottimale dei pacchi batteria al litio. Un recente avanzamento in questo settore, sviluppato da un team di ricercatori del Yancheng Institute of Technology, promette di ridefinire il modo in cui l’energia viene bilanciata all’interno dei moduli batteria, affrontando le limitazioni strutturali dei sistemi tradizionali.
Guidati da Han Xinsheng, studente magistrale, e dal professor Kan Jiarong, gli esperti hanno presentato un rivoluzionario equalizzatore a doppio anello che combina convertitori Buck-Boost e circuiti a condensatore commutato in una topologia ibrida a due livelli. Questa architettura innovativa, descritta in un articolo pubblicato sul numero di aprile 2024 della rivista Electronic Science and Technology, rappresenta un salto qualitativo significativo nella gestione attiva dell’equalizzazione delle celle, offrendo una soluzione pratica e scalabile ai problemi cronici di perdita di energia e tempi di risposta lenti nei pacchi batteria di grandi dimensioni.
Le batterie agli ioni di litio sono il cuore pulsante della rivoluzione della mobilità elettrica, apprezzate per la loro elevata densità energetica, la lunga vita utile e la stabilità durante il ciclo di carica. Tuttavia, quando le celle vengono collegate in serie per raggiungere le alte tensioni operative necessarie, sorgono inevitabilmente sfide legate all’equilibrio. Differenze intrinseche nella capacità iniziale, nei tassi di invecchiamento e nella distribuzione termica possono portare a squilibri di tensione tra le singole celle. Se non corretti, questi squilibri riducono la capacità utilizzabile del pacco, accorciano la vita utile della batteria e aumentano i rischi di sicurezza, come il sovraccarico o il runaway termico.
Per mitigare questi rischi, i BMS utilizzano diverse tecniche di equalizzazione. I metodi passivi, che dissipano l’energia in eccesso attraverso resistori, sono semplici ma estremamente inefficienti, poiché trasformano l’energia in calore, sprecandola. I metodi attivi, invece, trasferiscono l’energia direttamente dalle celle più cariche a quelle più scariche, preservando così l’energia totale del sistema e migliorando l’efficienza complessiva. Tra le topologie attive, i convertitori Buck-Boost sono stati ampiamente adottati per la loro semplicità e affidabilità. Tuttavia, con l’aumentare del numero di celle, il percorso di trasferimento dell’energia si allunga, portando a maggiori perdite cumulative e a una riduzione dell’efficienza.
Gli equalizzatori di tipo ad anello, pur offrendo un flusso bidirezionale di energia, continuano a soffrire di percorsi di trasferimento eccessivamente lunghi quando si tratta di pacchi batteria di grandi dimensioni. Il team di ricerca ha riconosciuto che era necessaria una riprogettazione strutturale per superare queste limitazioni. La loro soluzione, un’architettura a doppio anello, introduce un approccio gerarchico alla redistribuzione dell’energia.
Il sistema proposto organizza un pacco batteria da 12 celle in tre moduli da quattro celle ciascuno (M1, M2, M3). All’interno di ogni modulo, le celle adiacenti sono collegate tramite circuiti Buck-Boost, mentre la prima e l’ultima cella del modulo sono collegate tramite circuiti a condensatore commutato. Questa configurazione interna forma un “anello inferiore”, che permette un bilanciamento rapido ed efficiente all’interno del modulo. A un livello superiore, i moduli stessi sono interconnessi in una struttura ad anello simile: circuiti Buck-Boost collegano i moduli adiacenti, mentre un circuito a condensatore commutato collega il primo e l’ultimo modulo, formando l'”anello superiore”.
Questa progettazione a doppio livello consente sia un bilanciamento locale che uno globale. Quando si verifica uno squilibrio all’interno di un singolo modulo, l’anello inferiore gestisce la correzione con un numero minimo di passaggi di trasferimento, minimizzando le perdite. Quando invece le celle in moduli diversi sono fuori equilibrio, l’anello superiore facilita il flusso di energia tra i moduli. Riducendo il numero medio di stadi di trasferimento, il sistema minimizza le perdite cumulative e accelera drasticamente il processo di equalizzazione.
Per validare le prestazioni del loro design, i ricercatori hanno impiegato la teoria dei grafi come strumento analitico. Questo metodo modella il pacco batteria come una rete, con le celle rappresentate come nodi e i percorsi di energia come archi. A ciascun tipo di convertitore viene assegnato un peso di efficienza, permettendo al team di calcolare le prestazioni attese in diversi scenari di squilibrio.
L’analisi ha rivelato che la lunghezza media del percorso energetico nel sistema a doppio anello è significativamente più corta rispetto ai tradizionali equalizzatori ad anello singolo. Questo si traduce direttamente in una velocità di bilanciamento più elevata e in una maggiore efficienza complessiva. Il modello ha predetto un miglioramento del 46% nella velocità di equalizzazione rispetto ai design a singolo anello esistenti, una previsione successivamente confermata attraverso simulazioni dettagliate.
Utilizzando MATLAB/Simulink, il team ha costruito un modello di simulazione dettagliato del sistema a 12 celle. Ogni cella è stata rappresentata da un condensatore da 1 F con tensioni iniziali che variavano da 3,1 V a 4,2 V per simulare condizioni di squilibrio reali. I risultati della simulazione hanno mostrato che l’equalizzatore a doppio anello ha raggiunto la convergenza completa della tensione in soli 0,39 secondi. In confronto, un equalizzatore ad anello singolo, in condizioni identiche, ha impiegato 0,72 secondi per raggiungere lo stesso livello di equilibrio. Questa riduzione del 46% nel tempo di equalizzazione sottolinea l’efficacia del design gerarchico nel minimizzare la latenza del trasferimento energetico.
La velocità, tuttavia, è solo uno degli aspetti del rendimento. L’efficienza, ovvero la quantità di energia trasferita che effettivamente raggiunge la sua destinazione, è altrettanto critica. I ricercatori hanno condotto un’analisi approfondita dell’efficienza sia dei circuiti Buck-Boost che di quelli a condensatore commutato. Il circuito Buck-Boost, che si basa sull’immagazzinamento di energia induttiva, ha dimostrato un’efficienza di circa il 78,3%, limitata principalmente dalle perdite di conduzione negli interruttori e dalla resistenza dell’induttanza. Il circuito a condensatore commutato, che trasferisce la carica direttamente tra le celle tramite un condensatore, ha mostrato un’efficienza superiore del 89,5%, beneficiando di un minor numero di stadi di conversione energetica.
Combinando queste due tecnologie in un’architettura a doppio livello, il sistema sfrutta i punti di forza di ciascuna. L’anello inferiore, operando all’interno di moduli strettamente accoppiati, raggiunge un’alta efficienza grazie ai percorsi di trasferimento brevi. L’anello superiore, gestendo il bilanciamento tra i moduli, mantiene le prestazioni ottimali minimizzando il numero di stadi di conversione richiesti per il movimento dell’energia su lunghe distanze.
Per verificare i loro risultati sperimentalmente, il team ha costruito un prototipo hardware utilizzando quattro celle al litio 18650 (3,7 V, 2600 mAh). Il circuito Buck-Boost è stato implementato con MOSFET IRF3205, un’induttanza da 100 µH e l’apposita elettronica di controllo. Il circuito a condensatore commutato ha utilizzato gli stessi interruttori e un condensatore da 100 µF. L’allestimento sperimentale ha permesso misurazioni dirette di corrente, tensione e forme d’onda di commutazione durante il bilanciamento attivo.
Nel test del Buck-Boost, due celle con tensioni iniziali di 3,58 V e 4,00 V sono state connesse. La corrente di carica misurata è stata di 0,64 A, e la corrente di scarica di 0,56 A. Utilizzando questi valori e tenendo conto della resistenza serie equivalente, il team ha calcolato un’efficienza di trasferimento energetico del 78,31%, in perfetto accordo con la previsione teorica.
Per il test del condensatore commutato, con la stessa differenza di tensione, la corrente di carica ha raggiunto 0,7 A, e dopo aver tenuto conto delle perdite resistive, l’efficienza è stata determinata all’89,5%. Questi risultati empirici hanno confermato l’accuratezza dei modelli analitici e dimostrato la fattibilità dell’approccio ibrido in condizioni reali.
Basandosi su questi risultati a livello di componente, i ricercatori hanno calcolato l’efficienza complessiva del sistema. L’anello inferiore, combinando entrambi i tipi di convertitore, ha raggiunto un’efficienza media del 77,43%. L’anello superiore, beneficiando dell’elevata efficienza dei collegamenti a condensatore commutato tra i moduli, ha raggiunto l’82,04%. Quando questi livelli sono combinati nel sistema a doppio anello completo, l’efficienza totale di equalizzazione è risultata del 67,32%.
In confronto, un equalizzatore ad anello singolo con la stessa topologia ibrida è stato calcolato con un’efficienza del 40,54% in condizioni simili. Questo rappresenta un miglioramento di efficienza del 26,78%, quasi un terzo in più efficiente, grazie all’ottimizzazione del routing energetico permessa dalla struttura a due livelli.
Le implicazioni di questa ricerca vanno ben oltre l’interesse accademico. Per i produttori di automobili che cercano di estendere l’autonomia e la durata della batteria, ogni punto percentuale di guadagno in efficienza è fondamentale. Un sistema di equalizzazione più efficiente significa meno energia sprecata durante il funzionamento, una vita utile della batteria più lunga e una gestione termica migliorata. La maggiore velocità di bilanciamento permette anche al BMS di rispondere più rapidamente agli squilibri, migliorando la sicurezza e le prestazioni in condizioni di carico elevato, come la ricarica rapida o la guida aggressiva.
Inoltre, la natura modulare del design lo rende altamente scalabile. I principi alla base possono essere applicati a pacchi batteria con un numero maggiore di celle o diverse configurazioni. L’uso di unità Buck-Boost e a condensatore commutato standardizzate semplifica la produzione e la manutenzione, mentre la topologia ad anello garantisce un flusso di energia bidirezionale senza la necessità di controllori centrali complessi.
Dal punto di vista del controllo, il sistema offre flessibilità. I convertitori Buck-Boost possono essere modulati utilizzando la modulazione a larghezza di impulso (PWM) per regolare con precisione il trasferimento di energia, mentre i circuiti a condensatore commutato operano in cicli di carica e scarica discreti. Questa strategia di controllo ibrida permette al BMS di adattarsi a diverse gravità di squilibrio, utilizzando trasferimenti veloci ed efficienti con i condensatori per piccole correzioni e trasferimenti più potenti con gli induttori per discrepanze maggiori.
La ricerca evidenzia anche il valore degli approcci interdisciplinari nell’innovazione ingegneristica. Applicando la teoria dei grafi, un framework matematico tipicamente utilizzato nell’analisi delle reti, ai sistemi batteria, il team è stato in grado di quantificare e ottimizzare le prestazioni in un modo che l’analisi tradizionale dei circuiti non avrebbe potuto raggiungere. Questo contributo metodologico apre nuove strade per la valutazione e la progettazione di future topologie batteria.
Sebbene lo studio attuale si concentri su un sistema da 12 celle, la scalabilità dell’architettura suggerisce potenziali applicazioni in pacchi batteria più grandi utilizzati in auto elettriche, autobus e persino nello stoccaggio di energia su scala di rete. I futuri lavori potrebbero esplorare algoritmi di controllo adattivi che aggiustano dinamicamente il funzionamento di ogni livello in base ai dati in tempo reale delle celle, migliorando ulteriormente le prestazioni.
Un’altra direzione promettente è l’integrazione di questo sistema di equalizzazione con tecniche avanzate di stima dello stato. Combinando un bilanciamento di tensione preciso con un monitoraggio accurato dello stato di carica e dello stato di salute, le piattaforme BMS di prossima generazione potrebbero offrire livelli senza precedenti di ottimizzazione della batteria e manutenzione predittiva.
L’impatto ambientale di questa tecnologia non deve essere trascurato. Sistemi batteria più efficienti riducono lo spreco di energia, abbassano i costi operativi e contribuiscono alla sostenibilità complessiva della mobilità elettrica. Con la spinta globale verso la decarbonizzazione, innovazioni come questa svolgono un ruolo cruciale nell’accelerare la transizione verso fonti di energia pulita.
In conclusione, l’equalizzatore a doppio anello sviluppato da Han Xinsheng, Kan Jiarong e i loro colleghi del Yancheng Institute of Technology rappresenta un balzo in avanti significativo nella tecnologia di gestione delle batterie. Ripensando l’architettura fondamentale dei circuiti di equalizzazione, hanno creato un sistema che è più veloce, più efficiente e più scalabile delle soluzioni esistenti. Il loro lavoro, pubblicato su Electronic Science and Technology, dimostra come combinare l’elettronica di potenza consolidata con un design strutturale innovativo possa produrre risultati trasformazionali.
Mentre l’industria automobilistica continua il suo viaggio verso l’elettrificazione, i progressi nella tecnologia delle batterie rimarranno un fattore differenziante chiave. Questa ricerca non solo affronta una sfida tecnica critica, ma stabilisce anche un nuovo benchmark per ciò che è possibile nel bilanciamento attivo delle batterie. Con ulteriore sviluppo e commercializzazione, questo equalizzatore a doppio anello potrebbe diventare una caratteristica standard nei futuri veicoli elettrici, aiutando a sbloccare tutto il potenziale della tecnologia delle batterie agli ioni di litio.
Han Xinsheng, Kan Jiarong, Ling Huiying, Wang Peng, Cheng Qian, Yancheng Institute of Technology; Electronic Science and Technology; doi:10.16180/j.issn1007-7820.2024.04.003