Nella moderna tecnologia delle batterie incontriamo spesso il termine 'bilanciamento della batteria'. Ma cosa significa? La causa principale risiede nel processo di produzione e nei materiali utilizzati nelle batterie, che portano a differenze tra le singole celle all’interno di un pacco batteria. Queste differenze sono influenzate anche dall'ambiente in cui operano le batterie, come temperatura e umidità. Queste variazioni si manifestano tipicamente come differenze nella tensione della batteria. Inoltre, le batterie subiscono naturalmente un'autoscarica dovuta al distacco del materiale attivo dagli elettrodi e alla differenza di potenziale tra le piastre. I tassi di autoscarica possono variare tra le batterie a causa delle differenze nei processi di produzione.
Spieghiamolo con un esempio: supponiamo che in una batteria una cella abbia uno stato di carica (SOC) più elevato rispetto alle altre. Durante il processo di ricarica, questa cella raggiungerà per prima la carica completa, facendo sì che il resto delle celle che non sono ancora completamente cariche interrompano la ricarica prematuramente. Al contrario, se una cella ha un SOC inferiore, raggiungerà prima la tensione di interruzione della scarica durante la scarica, impedendo alle altre celle di rilasciare completamente l'energia immagazzinata.
Ciò dimostra che le differenze tra le celle della batteria non possono essere ignorate. Sulla base di questa comprensione, sorge la necessità di bilanciare la batteria. La tecnologia di bilanciamento della batteria mira a ridurre al minimo o eliminare le differenze tra le singole celle attraverso interventi tecnici per ottimizzare le prestazioni complessive del pacco batteria e prolungarne la durata. Non solo il bilanciamento della batteria migliora l'efficienza complessiva del pacco batteria, ma ne prolunga significativamente la durata. Pertanto, comprendere l’essenza e l’importanza del bilanciamento della batteria è fondamentale per ottimizzare l’utilizzo dell’energia.
Definizione: il bilanciamento della batteria si riferisce all'utilizzo di tecniche e metodi specifici per garantire che ogni singola cella di un pacco batteria mantenga tensione, capacità e condizioni operative costanti. Questo processo ha lo scopo di ottimizzare le prestazioni della batteria e massimizzarne la durata attraverso l'intervento tecnico.
Importante: in primo luogo, il bilanciamento della batteria può migliorare significativamente le prestazioni dell'intero pacco batteria. Mediante il bilanciamento è possibile evitare il degrado delle prestazioni causato dal deterioramento delle singole celle. In secondo luogo, il bilanciamento aiuta a prolungare la durata della batteria riducendo le differenze di tensione e capacità tra le celle e diminuendo la resistenza interna, prolungando di fatto la durata della batteria. Infine, dal punto di vista della sicurezza, l’implementazione del bilanciamento della batteria può prevenire il sovraccarico o lo scaricamento eccessivo delle singole celle, riducendo i potenziali rischi per la sicurezza come l’instabilità termica.
Progettazione della batteria: per risolvere l'incoerenza delle prestazioni tra le singole celle, i principali produttori di batterie innovano e ottimizzano continuamente aree quali la progettazione, l'assemblaggio, la selezione dei materiali, il controllo del processo di produzione e la manutenzione delle batterie. Questi sforzi includono il miglioramento della progettazione delle celle, l’ottimizzazione del design della confezione, il miglioramento del controllo del processo, la selezione rigorosa delle materie prime, il rafforzamento del monitoraggio della produzione e il miglioramento delle condizioni di stoccaggio.
Funzione di bilanciamento BMS (sistema di monitoraggio della batteria) : regolando la distribuzione dell'energia tra le singole celle, il BMS riduce l'incoerenza e aumenta la capacità utilizzabile e la durata della batteria. Esistono due metodi principali per ottenere il bilanciamento nel BMS: bilanciamento passivo e bilanciamento attivo.
Il bilanciamento passivo, noto anche come bilanciamento della dissipazione energetica, funziona rilasciando l'energia in eccesso dalle celle con tensione o capacità più elevata sotto forma di calore, riducendo così la loro tensione e capacità per adattarsi ad altre celle. Questo processo si basa principalmente su resistori paralleli collegati alle singole celle per deviare l'energia in eccesso.
Quando una cella ha una carica maggiore rispetto ad altre, l'energia in eccesso viene dissipata attraverso il resistore parallelo, raggiungendo l'equilibrio con le altre celle. Grazie alla sua semplicità e al basso costo, il bilanciamento passivo è ampiamente utilizzato in vari sistemi di batterie. Tuttavia, presenta lo svantaggio di una significativa perdita di energia, poiché l’energia viene dissipata sotto forma di calore anziché essere effettivamente utilizzata. Gli ingegneri solitamente limitano la corrente di bilanciamento a un livello basso (circa 100 mA). Per semplificare la struttura, il processo di bilanciamento condivide lo stesso cablaggio con il processo di raccolta e i due funzionano in modo alternato. Sebbene questo design riduca la complessità e i costi del sistema, si traduce anche in una minore efficienza di bilanciamento e in tempi più lunghi per ottenere risultati apprezzabili. Esistono due tipi principali di bilanciamento passivo: resistori di shunt fissi e resistori di shunt commutati. Il primo collega uno shunt fisso per evitare il sovraccarico, mentre il secondo controlla con precisione la commutazione per dissipare l'energia in eccesso.
Il bilanciamento attivo, invece, è un metodo di gestione energetica più efficiente. Invece di dissipare l’energia in eccesso, trasferisce l’energia dalle celle con capacità maggiore a quelle con capacità inferiore utilizzando circuiti appositamente progettati che incorporano componenti come induttori, condensatori e trasformatori. Ciò non solo bilancia la tensione tra le celle, ma aumenta anche il tasso di utilizzo energetico complessivo.
Ad esempio, durante la ricarica, quando una cella raggiunge il limite superiore di tensione, il BMS attiva il meccanismo di bilanciamento attivo. Identifica le celle con capacità relativamente inferiore e trasferisce l'energia dalla cella ad alta tensione a quelle a bassa tensione attraverso un circuito di bilanciamento attentamente progettato. Questo processo è preciso ed efficiente e migliora notevolmente le prestazioni della batteria.
Sia il bilanciamento passivo che quello attivo svolgono un ruolo fondamentale nell'aumentare la capacità utilizzabile del pacco batteria, prolungandone la durata e migliorando l'efficienza complessiva del sistema.
Confrontando le tecnologie di bilanciamento passivo e attivo, diventa chiaro che differiscono significativamente nella filosofia di progettazione e nell'esecuzione. Il bilanciamento attivo in genere coinvolge algoritmi complessi per calcolare l'esatta quantità di energia da trasferire, mentre il bilanciamento passivo si basa maggiormente sul controllo accurato dei tempi delle operazioni di commutazione per dissipare l'energia in eccesso.
Durante tutto il processo di bilanciamento, il sistema monitora continuamente i cambiamenti nei parametri di ciascuna cella per garantire che le operazioni di bilanciamento non siano solo efficaci ma anche sicure. Una volta che le differenze tra le celle rientrano in un intervallo accettabile predefinito, il sistema terminerà l'operazione di bilanciamento.
Selezionando attentamente il metodo di bilanciamento appropriato, controllando rigorosamente la velocità e il grado di bilanciamento e gestendo in modo efficace il calore generato durante il processo di bilanciamento, è possibile migliorare significativamente le prestazioni e la durata della batteria.
