verticale

Studio valutazione e realizzazione di sistemi elettronici per il bilanciamento di batterie di accumulatori

Il seguente lavoro di tesi può essere contestualizzato nello studio dei BMS, in modo particolare andando ad analizzare le possibili implementazioni del sistema di riequilibrio, parte fondamentale di questi sistemi. Verrà illustrata la realizzazione di una piattaforma software per la simulazione di sistemi formati da un pacco batteria e dal relativo sistema di bilanciamento, allo scopo di analizzare e confrontare le soluzioni circuitali e le strategie operative, potendone così valutare le prestazioni.

Scarica il PDF Scarica il PDF
Aggiungi ai preferiti Aggiungi ai preferiti


Articoli tecnico scientifici o articoli contenenti case history
Tesi di Laurea, Università degli Studi di Pisa, Anno Accademico 2009- 2010

Pubblicato
da Alessia De Giosa
VerticaleSegui aziendaSegui




Settori: 

Parole chiave: 


Estratto del testo
Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Elettronica Nuovo Ordinamento Tesi di Laurea Studio, valutazione e realizzazione di sistemi elettronici per il bilanciamento di batterie di accumulatori


Relatori:
Candidato: Prof. Roberto Roncella Santaniello Liberatore Ing. Federico Baronti
Ing. Gabriele Fantechi Anno Accademico 2009 - 2010 Indice __________________________________________________________________________________ I Indice Introduzione 1 Capitolo 1 '' Battery Management System 2 1.1 I veicoli elettrici 2 1.2 Introduzione ai Battery Management System 3 Capitolo 2 '' Tecniche di bilanciamento 10 2.1 Bilanciamento Passivo 12 2.2 Bilanciamento con Flying Capacitor 13 2.3 Bilanciamento con DC-DC 14 Capitolo 3 '' Modelli dei sistemi di bilanciamento 27 3.1 Modello di batteria 27 3.2 Modelli di bilanciamento 30 3.3 Bilanciamento Passivo 32 3.4 Bilanciamento con Flying Capacitor 36 3.5 Bilanciamento con DC-DC 44 Capitolo 4 '' Simulazioni 49 4.1 Condizioni di simulazione 49 4.2 Simulazioni Riequilibrio Passivo 58 4.3 Simulazioni Riequilibrio con Flying Capacitor 64 Indice __________________________________________________________________________________ II 4.4 Simulazioni Riequilibrio con DC-DC 68 4.5 Considerazioni sui risultati 71 Capitolo 5 '' Prototipo bilanciamento DC-DC 75 5.1 Convertitore DC-DC 75 5.2 Circuito di controllo della corrente 77 5.3 Descrizione del Firmware del controllore 81 5.4 Test e risultati sperimentali 86 5.5 Confronto dei risultati ottenuti 90 Conclusioni 92 Bibliografia 93 Appendici 95 Appendice A - Script MatLab 95 Appendice B - Firmware controllore 97 Appendice C - Schematico e Master prototipo 102 Introduzione __________________________________________________________________________________ 1 Introduzione Il mondo della ricerca in ambito automobilistico si è ormai da anni focalizzato sullo sviluppo di veicoli con ridotte emissioni di inquinanti atmosferici. Si è assistito a un''evoluzione dei motori a combustione interna che ha portato a una riduzione significativa dei consumi di carburante, e quindi di emissioni di CO2, dato che i combustibili oggi usati sono quasi nella totalità derivati dal petrolio. Altrettanto significativi sono i risultati nella riduzione di ossidi di azoto e polveri sottili, ma nonostante questo, e a causa dell''elevato numero di veicoli, il problema dell''inquinamento resta sempre grave, anche a causa della sua localizzazione urbana. Per questo sono state cercate delle alternative per il sistema di propulsione con l''obiettivo di realizzare dei veicoli a ''emissioni zero'; la soluzione più promettente di questa ricerca sembra essere costituita dalla propulsione elettrica. Allo stato attuale, non si è ancora in grado di offrire un''alternativa ai motori alimentati con combustibili fossili, in termini di prestazioni e comodità di utilizzo. Per poter creare veicoli ibridi o totalmente elettrici, che possano realmente competere con le attuali alternative presenti sul mercato, deve essere sviluppato ed ottimizzato il sistema di accumulo (batteria) e gestione (Battery Management System - BMS) dell''energia necessaria all''utilizzo del veicolo. Il seguente lavoro di tesi può essere contestualizzato nello studio dei BMS, in modo particolare andando ad analizzare le possibili implementazioni del sistema di riequilibrio, parte fondamentale di questi sistemi. Verrà illustrata la realizzazione di una piattaforma software per la simulazione di sistemi formati da un pacco batteria e dal relativo sistema di bilanciamento, allo scopo di analizzare e confrontare le soluzioni circuitali e le strategie operative, potendone così valutare le prestazioni. Nell''ultimo capitolo verrà inoltre mostrata la realizzazione e il test del prototipo di uno dei sistemi di bilanciamento presentati. Capitolo 1 - Battery Management System __________________________________________________________________________________ 2 Capitolo 1 Battery Management System 1.1 I veicoli elettrici E'' ormai noto che negli ultimi anni il mondo della ricerca sia in fermento per trovare un compromesso tra la sempre maggiore richiesta di energia ed il problema legato all''inquinamento ambientale derivante dalla produzione di energia stessa. Questo problema è particolarmente sentito anche nell''ambito dei trasporti, sia pubblici che privati, dove fino ad ora è prevalso l''utilizzo di mezzi con motore a combustione interna, alimentati con combustibili derivati del petrolio, che dalle ultime stime, sembra essere una risorsa in esaurimento. Lo sviluppo dei motori a benzina e Diesel, ha portato una sempre maggiore riduzione dei consumi e delle emissioni, ma questa riduzione non è sufficiente per risolvere i problemi dell''inquinamento e della scarsità delle risorse. Per questo negli ultimi anni l''industria automobilistica, si è spostata verso soluzioni di motorizzazioni ibride, affiancando ai tradizionali motori a combustione interna, dei motori elettrici alimentati a batteria, in modo da ridurre le emissioni. L''obbiettivo è quello della realizzazione di veicoli alimentati da motori elettrici, che quindi producano zero emissioni, ma per realizzare ciò bisogna risolvere i problemi legati alle prestazioni, che allo stato attuale presentano i propri limiti negli elevati tempi di ricarica delle batterie e nell''autonomia del veicolo in termini di chilometri percorribili. Capitolo 1 - Battery Management System __________________________________________________________________________________ 3 1.2 Introduzione ai Battery Management System Un Battery Management System (BMS), è un sistema di controllo, in grado di monitorare, gestire e proteggere un pacco batteria, allo scopo di mantenere il pacco nelle migliori condizioni di funzionamento per tutta la durata della vita utile dello stesso. L''esigenza di avere un sistema di controllo delle batterie, nasce principalmente dal fatto che nello sviluppo tecnologico delle celle, sono stati cambiati i materiali con cui queste vengono costruite, passando dall''utilizzo del Piombo, al Nichel, fino ad arrivare alle attuali celle al Litio, queste ultime presentano vantaggi nella maggior densità di potenza ed energia, minor autoscarica ed una maggiore tensione per singola cella, ma a differenza delle precedenti tecnologie sono celle molto delicate, che hanno bisogno di lavorare all''interno di una precisa dinamica sia di tensione, sia di temperatura. La densità di energia erogabile dalle celle delle varie tecnologie ha subito un notevole incremento, passando dai 40/50 [Wh/Kg] delle celle al piombo, ai 120/140 [Wh/Kg] delle attuali celle al Litio (figura 1.1). Densità di energia per unità di peso [Wh/Kg] 0 20 40 60 80 100 120 140 Piombo NiMH Litio Tecnologia costruttiva delle celle D e n s it à d i e n e rg ia [ W h /K g ] figura 1.1 Densità di energia per unità di peso per le diverse tecnologie. Capitolo 1 - Battery Management System __________________________________________________________________________________ 4 Questa evoluzione tecnologica, permette di trovare un compromesso tra la capacità del pacco richiesta in applicazioni automotive, e lo spazio a disposizione a bordo del veicolo. Le celle al Litio, d''altro canto, presentano una dinamica di utilizzo limitata sia in termini di tensione di cella, sia come range di temperature di funzionamento (-20 - +60°C), all''esterno di questa dinamica, si verificano eventi che possono danneggiare in modo permanente la cella. In particolare, se viene superato il limite di tensione massimo, generalmente 4.2 V, si verifica all''interno della cella la generazione di gas, che porta alla rottura della cella, e nei casi estremi può provocare l''esplosione della stessa. Al superamento della soglia inferiore di tensione, si ha all''interno della cella un processo chimico che provoca il deterioramento permanente delle prestazioni. Per questo motivo in tutte le applicazioni in cui vengono utilizzate batterie al Litio, sia in un telefono cellulare che utilizza una sola cella, oppure un veicolo elettrico, che utilizza un pacco formato sino a centinaia di celle connesse tra loro, si ha la necessità di monitorare le condizioni della batteria, per scongiurare le situazioni indesiderate. Quindi le prime funzioni che deve svolgere un BMS sono appunto: - Monitoraggio tensione e corrente di batteria. - Monitoraggio tensione celle. - Determinazione stato di carica (SoC) e stato di salute (SoH) delle celle. - Controllo in temperatura delle celle. Oltre a queste funzioni basilari, che servono ad evitare il danneggiamento delle celle, il BMS dovrà essere in grado di svolgere una serie di funzioni allo scopo di determinare di migliorare le prestazioni e allungare la vita utile del pacco batteria, come ad esempio essere in grado di bilanciare la carica tra le celle. Proprio quest''ultimo aspetto è l''argomento su cui è centrato questo lavoro di tesi. La necessità di bilanciare la carica nasce dal fatto che le celle se lasciate funzionare senza controllo, presentano comportamenti differenti l''una dall''altra. Anche prendendo una serie di celle prodotte con lo stesso processo tecnologico, queste presentano valori dei parametri parassiti differenti, che sopratutto per quanto riguarda la resistenza di autoscarica, creano come conseguenza un diverso Capitolo 1 - Battery Management System __________________________________________________________________________________ 5 comportamento tra le celle, che anche se percorse tutte dalla stessa corrente, si caricano e si scaricano in modo differente, e quindi con l''aumentare dei cicli di carica/scarica dovuti all''utilizzo, si viene a creare una condizione di sbilanciamento della carica accumulata nelle celle. Questo sbilanciamento di carica, limita le prestazioni del pacco, e se non si interviene con il riequilibrio, le prestazioni di questo tenderanno con il tempo a diminuire sempre di più. La carica infatti sarà limitata dalla cella che durante l''utilizzo ha avuto il comportamento migliore, venendosi a trovare nella condizione di SoC maggiore, mentre la scarica viene limitata dalla cella che ha avuto il comportamento peggiore, venendosi a trovare nella condizione di SoC minore e che tenderà a scaricarsi più rapidamente delle altre. Queste tendenze contrapposte, creano una forbice divergente nell''andamento del SoC, aumentando sempre di più lo sbilanciamento e diminuendo sempre di più nel tempo l''energia erogabile dal pacco, e quindi l''autonomia del veicolo. Nei grafici di figura 1.2 viene mostrato l''andamento del SoC di un pacco batteria formato da 14 celle, attraversate da una corrente che segue il profilo mostrato nel secondo grafico di figura. Nell''andamento del SoC, si può notare che già in un ciclo di utilizzo del pacco di durata di circa 50 minuti, partendo da una situazione di SoC uguale per tute le celle, si ha un andamento divergente che porta alla fine del ciclo, ad una differenza tra la carica delle celle, principalmente dovuto alla distribuzione della capacità delle celle. La possibilità di bilanciare la carica tra le celle, permette di utilizzare il pacco come se fosse composto da celle tutte con capacità pari alla capacità media, senza essere limitati dalla cella con capacità minima, e permette di dimensionare la batteria senza doverla sovradimensionare per prevenire la riduzione delle prestazioni e questo si traduce in un risparmio sia economico che in termini di ingombro. Conoscere la distribuzione del SoC delle celle che compongono il pacco, è molto importante per stabilire la strategia di bilanciamento, però comporta una complicazione del sistema, poichè il SoC non è ricavabile da grandezze direttamente misurabili durante il funzionamento del pacco, poichè è legato alla tensione di ocv e non è alla tensione di cella se attraversata da corrente. Capitolo 1 - Battery Management System __________________________________________________________________________________ 6 Inoltre anche misurando l''ocv quando la corrente di cella è nulla, questo presenta una caratteristica con una zona centrale molto piatta ed in questa zona un piccolo errore di misura si trasforma in un grande errore di stima del SoC. Per questo sarà necessario fornire il BMS di un''intelligenza (micro controllore, DSP o processore), sulla quale simulare un modello di cella ed un estimatore di SoC. Figura 1.2 Andamento del SOC durante un ciclo di utilizzo. Oltre alle funzioni finora elencate, che sono strettamente legate all''utilizzo della batteria nelle migliori condizioni, il BMS dovrà svolgere delle funzioni accessorie a seconda dell''applicazione in cui viene utilizzato, per esempio in ambito automobilistico si possono prevedere le funzioni di: - Comunicazione - Affidabilità e manutenzione. La comunicazione attraverso il CAN Bus del veicolo, può servire per scambiare informazioni con gli altri sistemi di bordo ed attraverso un display interfacciarsi con il guidatore, mettendogli disposizione informazioni sullo stato della batteria, Capitolo 1 - Battery Management System __________________________________________________________________________________ 7 indicandogli lo stato di carica e la presunta autonomia residua, in modo che possa gestire i percorsi prima della ricarica. Per quanto riguarda l''affidabilità della batteria si può pensare che il BMS sia in grado di isolare una cella in caso di danneggiamento, di modo che si possa continuare ad utilizzare il veicolo anche se con prestazioni limitate. Inoltre per facilitare la manutenzione, si possono prevedere delle funzioni di memorizzazione di dati e parametri relativi alle celle per la diagnostica del pacco, in modo tale che in caso di malfunzionamenti, si abbia la possibilità, analizzando i dati, di individuare le celle che li hanno causati, andando ad intervenire direttamente su di esse. La struttura di un BMS può essere descritta mediante lo schema a blocchi mostrato in figura 1.3: Figura 1.3 Struttura BMS. Questo semplice schema a blocchi mostra i componenti principali che servono per svolgere le funzioni descritte in precedenza, e gestire al meglio un pacco batteria formato da celle in tecnologia Litio, ma la reale architettura del sistema può essere realizzata in svariati modi. Capitolo 1 - Battery Management System __________________________________________________________________________________ 8 Per prima cosa parliamo del pacco batteria, che generalmente nelle applicazioni dove è richiesto un considerevole flusso di potenza, come nelle applicazioni automotive, è formato da celle connesse in serie. Il numero di celle dipende dalle specifiche necessità del sistema che il pacco andrà ad alimentare, e dal tipo di cella scelto, ma tipicamente nelle applicazioni sui veicoli elettrici (EV) ed ibridi (HEV), questo numero è dell''ordine di 50-100 celle. L''architettura del pacco batteria, può essere di diverso tipo, in quanto una volta scelta la potenza che il pacco deve erogare, si può creare il pacco in diverse configurazioni, combinando celle o blocchi di celle in serie o parallelo, in modo da raggiungere la tensione e la corrente richieste. Una volta definito il numero di celle N da connettere in serie necessarie, bisogna definire l''architettura dell''unità di controllo, che può essere centralizzata oppure modulare, suddivisa in più unità tra loro comunicanti. Il principale vantaggio della suddivisione in moduli del pacco è dovuto alla minor tensione che devono sopportare le circuiterie di controllo, ed è per questo motivo che spesso in letteratura si trovano moduli composti da 10-14 celle, che comportano la gestione di tensioni di circa 60. Figura 1.4 Struttura BMS Modulare. Capitolo 1 - Battery Management System __________________________________________________________________________________ 9 Nel caso di ECU centralizzata, questa dovrà svolgere da sola tutte le funzioni che sono state sopra elencate, quindi c''è il bisogno di avere una elevata potenza di calcolo, ed inoltre si creano problemi di collegamento, dovendo portare tutti i segnali alla singola ECU. Per ovviare a questi problemi, si può ricorrere ad una architettura con più ECU distribuite in grado di comunicare tra di loro(figura 1.4), in questo modo, si possono suddividere i compiti che devono essere svolti. Si può pensare di avere delle piccole ECU dedicate ad ogni cella, che acquisiscano i dati relativi alla cella e li trasmettano alla ECU di livello superiore. Questa, conoscendo la situazione di tutte le celle, può fare previsioni sull''autonomia residua, memorizzare i dati per la diagnosi, prendere decisioni per il riequilibrio, passando informazioni al circuito di bilanciamento. Dal punto di vista dell''unità di controllo, il pacco batteria composto da N celle, può essere visto come una serie di moduli ognuno composto da una serie di celle con numero variabile tra 1 ed N. Come il Pacco e l''unità di controllo, anche l''equalizzatore può essere realizzato con una struttura centralizzata oppure distribuita tra i vari moduli, ed a questo proposito si trovano in letteratura svariate soluzioni, che vanno dal singolo equalizzatore condiviso dall''intero pacco, fino all''equalizzatore individuale per ogni singola cella. Nel capitolo successivo verranno presentate le principali tecniche di bilanciamento che si trovano descritte in letteratura facendo riferimento ad alcuni esempi e presentando il circuito proposto in questa tesi. Capitolo 2 '' Tecniche di bilanciamento __________________________________________________________________________________ 10 Capitolo 2 Tecniche di bilanciamento L''evoluzione dei veicoli HEV ed EV è attualmente limitata dalla capacità del pacco batteria che alimenta il sistema, che di fatto ne limita le prestazioni in termini di autonomia e di praticità di rifornimento dati gli elevati tempi di ricarica. Uno dei problemi per il quale tuttora non è stata trovata una soluzione ottimale è quello del bilanciamento della carica tra le celle del pacco. In una batteria costituita da un grande numero di celle collegate in serie, è molto probabile che si verifichino condizioni di sbilanciamento della carica tra le celle del pacco, trovandosi ad avere, alcune celle del pacco più cariche di altre. Il fenomeno dello sbilanciamento è purtroppo inevitabile, poiché è dovuto alle diversità di costruzione tra le celle, che si riflettono sui parametri interni, sia elettrici (resistenza e capacità interna), sia di gradiente di temperatura. Queste differenze portano ad un diverso comportamento delle celle che compongono la batteria, le quali, se fossero tutte identiche, essendo collegate in serie e quindi attraversate dalla medesima corrente, dovrebbero presentare lo stesso comportamento e quindi trovarsi tutte allo stesso stato di carica. Se così fosse, basterebbe monitorare la tensione dell''intero pacco per conoscere la tensione di ogni cella ( N Vtot ), e si potrebbero evitare le condizioni di overcharge e overdischarge. Di fatto però, date le differenze tra le celle, non basta un controllo sulla tensione totale di pacco, ma è necessario conoscere la tensione di ogni singola cella, poiché dopo svariati cicli di carica e scarica, le differenze dei parametri tra di esse, si ripercuotono pesantemente sul loro stato di carica (SOC). Si vengono così a creare situazioni in cui una o più celle si trovano sotto la tensione minima o massima accettabile e con rischio di danneggiamento. Da questo si capisce l''importanza di dover riequilibrare il pacco per poter sempre usufruire delle massime prestazioni per il quale è stato progettato, almeno per un tempo comparabile con la vita utile del veicolo. Capitolo 2 '' Tecniche di bilanciamento __________________________________________________________________________________ 11 In letteratura esistono molti articoli che trattano i metodi di bilanciamento, e di seguito verranno presentate le principali tecniche, che possono essere suddivise in base alle caratteristiche del circuito di bilanciamento, come mostrato in figura 2.1. Figura 2.1 Tecniche di Bilanciamento [1]. La principale suddivisione che si può effettuare tra le tecniche di bilanciamento è quella tra il bilanciamento Passivo ed il bilanciamento Attivo, la differenza tra questi due, come suggerito dal nome, sta nel fatto che il passivo viene realizzato, dissipando l''energia in eccesso nelle celle più cariche, in una resistenza di shunt, mentre il bilanciamento attivo, più correttamente rappresenta un metodo non dissipativo, che ha lo scopo di trasferire carica all''interno del pacco, cercando di ridurre al minimo le perdite. Capitolo 2 '' Tecniche di bilanciamento __________________________________________________________________________________ 12 2.1 Bilanciamento passivo Figura 2.2 Bilanciamento Passivo con resistenza di shunt [2]. Il bilanciamento passivo, è sicuramente il metodo più semplice ed economico per effettuare il bilanciamento delle celle, ed è anche quello che attualmente è più diffuso, ma nelle applicazioni automotive dove la è fondamentale aumentare al massimo l''autonomia, è impensabile buttare via energia, ed è per questo che la ricerca nel settore del bilanciamento attivo è in continuo fermento, anche se non è stata ancora trovata una soluzione ottimale. I metodi di bilanciamento attivo, possono essere distinti in tre sottocategorie: - Metodi di carica : Viene prelevata energia dall''intero pacco per caricare le celle meno cariche. - Metodi di scarica: Viene prelevata energia scaricando le celle più cariche, restituendola all''intero pacco. - Metodi di carica e scarica : Vengono utilizzati dei circuiti in grado di scambiare energia nei due sensi, prelevandola dalle celle più cariche e fornendola alle celle meno cariche. Capitolo 2 '' Tecniche di bilanciamento __________________________________________________________________________________ 13 2.2 Bilanciamento con Fying Capacitor Di seguito verranno presentati alcuni metodi di bilanciamento appartenenti alla categoria di bilanciamento non dissipativo. Il più semplice circuito di bilanciamento attivo che si può realizzare è il cosiddetto ''Flying Capacitor'. Questo metodo che può essere classificato come metodo di carica e scarica, consiste nell''utilizzare un condensatore come elemento di scambio di energia, ed un sistema di switch per selezionare le celle. In questo modo, si può caricare il condensatore collegandolo alle celle più cariche e scaricarlo collegandolo alle celle meno cariche, semplicemente controllando gli switch (Figura 2.3). Figura 2.3 Flying Capacitor [2]. Il controllo degli switch, può essere effettuato sia in maniera sequenziale andando ad indirizzare le celle una alla volta, in questo caso lo scambio di energia sarà effettuato in base alla differenza di tensione tra condensatore e cella, l''energia fluirà automaticamente dalla tensione più alta a quella più bassa, oppure il controllo può essere effettuato intelligentemente andando a selezionare la cella più carica per caricare il condensatore e la cella meno carica per scaricare il condensatore, questo richiede un controllo più complesso, ma riduce notevolmente i tempi di bilanciamento. Capitolo 2 '' Tecniche di bilanciamento __________________________________________________________________________________ 14 2.3 Bilanciamento con DC-DC Un altro tipo di bilanciamento attivo, di cui si trovano molti esempi in letteratura, è quello basato sui convertitori di tensione DC-DC, implementati in differenti architetture di riequilibrio che lavorano con metodi di carica, di scarica, oppure con metodi di carica e scarica. Una soluzione molto diffusa, è quella che utilizza il convertitore DC-DC Flyback, il cui schema di principio viene mostrato nella figura 2.4. Figura 2.4 Flyback DC-DC Converter. Il principio di funzionamento di questo convertitore è il seguente: Quando l''interruttore S viene chiuso, inizia a scorrere corrente nel primario del trasformatore e viene immagazzinata energia nel campo magnetico (Figura 2.5). Figura 2.5 Funzionamento del Flyback Converter Fase A Quando l''interruttore S viene aperto l''energia accumulata viene trasferita al secondario del trasformatore, e da qui verso l''uscita attraverso il filtro RC (Figura 2.5). Capitolo 2 '' Tecniche di bilanciamento __________________________________________________________________________________ 15 Figura 2.6 Funzionamento del Flyback Converter Fase B Questo tipo di convertitore, può essere utilizzato per realizzare sistemi di riequilibrio sia selettivi che automatici, nei sistemi selettivi, una rete di switch come quella utilizzata per il Flying Capacitor, indirizza la cella da equilibrare, mentre nei sistemi automatici, vengono utilizzati dei trasformatori con secondari multipli, uno per ogni cella, montati sullo stesso nucleo magnetico. La figure 2.7 a e b, mostrano gli schemi di questi due tipi di sistemi di riequilibrio. Figura 2.7 a Flyback DC-DC Selettivo [2]. Capitolo 2 '' Tecniche di bilanciamento __________________________________________________________________________________ 16 Figura 2.7 b Flayback DC-DC Automatico [2]. Il sistema automatico semplifica il controllo, che sarà limitato al controllo del MOS, poiché la carica accumulata si distribuirà sulle celle in modo inversamente proporzionale allo stato di carica delle stesse, ma sicuramente incrementa le difficoltà realizzative, poiché è necessario utilizzare trasformatori con molti secondari, che abbiano elementi parassiti bassi e simmetrici per tutti i secondari. Inoltre questa soluzione non offre modularità in quanto una volta costruito il trasformatore, il numero di celle è fissato. Questo ultimo aspetto, può essere risolto utilizzando un trasformatore per ogni cella, mettendo in parallelo i primari, come mostrato in figura 2.8. Figura 2.8 FlyBack Converte Dedicato ad ogni cella [2]. Capitolo 2 '' Tecniche di bilanciamento __________________________________________________________________________________ 17 I convertitori Flyback, possono essere utilizzati, sia in configurazione step-down, come quelli mostrati nelle figure precedenti, per realizzare sistemi di riequilibrio, con metodo di carica, sia in configurazione step-up, per realizzare dei sistemi con metodo di scarica, realizzando dei primari multipli avvolti su un unico nucleo magnetico e il secondario collegato all''intero pacco, come mostrato in figura 2.9. Figura 2.9 Flyback Step-up [3]. Viene adesso mostrato un esempio di sistema di bilanciamento che implementa un metodo di carica, utilizzando dei convertitori Flyback, uno dedicato ad ogni cella, montati con i primari in serie, come mostrato in figura 2.10. Figura 2.10 Sistema di bilanciamento con DC-DC Flyback [4]. Capitolo 2 '' Tecniche di bilanciamento __________________________________________________________________________________ 18 Come si può vedere dalla figura, i primari dei trasformatori che realizzano i convertitori sono tutti montati in serie tra loro e tutta questa serie, è connessa in parallelo alla batteria attraverso il MOS di controllo Q. Ogni convertitore ha in parallelo al primario uno switch isolato, che quando viene posto in conduzione esclude la corrispondente cella dal bilanciamento. Il principio di funzionamento del circuito, può essere spiegato suddividendo il funzionamento in due fasi, corrispondenti alla fase di accensione e spegnimento del MOS Q, che viene pilotato con un segnale PWM, con duty cycle fisso. Nella figura 2.11 vengono mostrate le due fasi di funzionamento, assumendo per ipotesi che le celle B2 e B3 si trovino in uno stato di carica maggiore, e quindi vengano isolate dal bilanciamento accendendo i relativi switch SSR2 e SSR3. Figura 2.11. a) Fase1, b) Fase2 [4]. Capitolo 2 '' Tecniche di bilanciamento __________________________________________________________________________________ 19 Durante la fase 1 (Figura 2.11 a), il MOS Q è acceso, inizia a scorrere corrente nei primari dei trasformatori della cella 1 e della cella N, immagazzinando energia nel campo magnetico. Durante la fase 2 (Figura 2.11 b), l''energia immagazzinata viene restituita ai secondari ed inizia a scorrere corrente nelle celle corrispondenti. Per quanto riguarda i sistemi di bilanciamento cella-cella, esistono in letteratura, molti esempi basati su convertitori DC-DC bidirezionali. Questi offrono la possibilità di realizzare sistemi in grado di scambiare energia direttamente da una cella carica ad una meno carica, un esempio di questo tipo di circuito, è mostrato in figura 2.12. Figura 2.12 Convertitore DC-DC bidirezionale Quasi-Resonant Zero-Current- Switching [5]. Il funzionamento del circuito, può essere brevemente descritto, assumendo che l'induttanza L sia abbastanza grande da poter considerare la corrente che l'attraversa costante (IL), in modo da poterla sostituire con un generatore di corrente costante, la cui direzione è determinata dalla modalità di pilotaggio dei due MOS (Figura 2.13). Figura 2.13: schema analizzato per il circuito QRZCS [5]. Capitolo 2 '' Tecniche di bilanciamento __________________________________________________________________________________ 20 Supponendo 1 + > j j Vb Vb , analizziamo le varie fasi di funzionamento: Figura 2.14: Forme d''onda [5]. Fase 1 (t0 < t < t1): Accensione di Qj, inizia a scorrere corrente negli elementi reattivi, che immagazzinano energia (Figura 2.14). Figura 2.15: Fase 1 [5]. Capitolo 2 '' Tecniche di bilanciamento __________________________________________________________________________________ 21 Fase 2 (t1 < t < t2): Qj è acceso, la corrente in Lr cresce fino al valore massimo, poi inizia a decresce fino all'istante t2 in cui Qj viene spento. Fase 3 (t2 < t < t3): Qj viene spento e la corrente inizia a scorre attraverso il diodo di substrato Dj+1 del MOS, trasferendo l''energia immagazzinata negli elementi reattivi nella cella VBj+1 (Figura 2.16). Figura 2.16: fase 3 [5]. Fase 4 (t3 < t < t4): MOS ed i relativi diodi sono interdetti, la corrente in Lr è nulla e la capacità Cr si scarica a corrente costante attraverso l''induttore L, fino al raggiungimento della tensione della cella j+1 (Figura 2.17). Figura 2.17: fase 4 [5]. Capitolo 2 '' Tecniche di bilanciamento __________________________________________________________________________________ 22 Fase 5 (t4 < t < t5): Cr è carico alla tensione VBj+1, il diodo Dj+1 torna in conduzione, e l''energia accumulata viene trasferita alla cella j+1, fino a quando la tensione ai capi del condensatore VCr, che oscilla con andamento sinusoidale, raggiunge il valore -V0, a questo punto viene acceso Qj per iniziare una nuova fase di accumulo di energia, ripartendo dalla fase 1 (figura 2.18). Figura 2.18: fase 5 [5]. La bidirezionalità del circuito, è determinata dal pilotaggio dei MOS: pilotando il MOS Qj, come descritto precedentemente, si trasferisce energia dalla cella j alla cella J+1, mentre un trasferimento nella direzione inversa si può ottenere pilotando in modo del tutto analogo il MOS Qj+1. Capitolo 2 '' Tecniche di bilanciamento __________________________________________________________________________________ 23 Un altro circuito basato su di un convertitore DC-DC bi-direzionale, è quello che è stato studiato ed analizzato durante questo lavoro di tesi, e di cui è stato realizzato un prototipo, il cui circuito è mostrato in figura 2.19. Figura 2.19 Circuito equivalente del Convertitore DC-DC Proposto. Il funzionamento di questo circuito, può essere spiegato suddividendolo in quattro fasi temporali: Fase 1. Condensatore Scarico: Accendendo il MOS M2, inizia a scorrere corrente attraverso l''induttanza L ed il condensatore inizia a caricarsi Figura 2.20. Figura 2.20 Fase 1. Capitolo 2 '' Tecniche di bilanciamento __________________________________________________________________________________ 24 Fase 2: Viene spento il mos M2, il diodo di substrato del mos M1 entra in conduzione e la corrente continua a circolare nello stesso verso, fino a quando l''induttanza L non è scarica Figura 2.21. Figura 2.21 Fase 2. Fase 3. Scarica del Condensatore: Viene acceso il Mos M1 e la corrente inizia a circolare con il verso mostrato in figura 2.22. Figura 2.22 Fase 3. Capitolo 2 '' Tecniche di bilanciamento __________________________________________________________________________________ 25 Fase 4: Il mos M1 viene spento e la corrente continua a circolare nello stesso verso, attraverso il diodo di substrato del Mos M2, fino a quando non viene esaurita l''energia immagazzinata nell''induttanza L (Figura 2.23). Figura 2.23 Fase 4. Questo circuito è utilizzabile per spostare energia dalla cella al condensatore e viceversa, poiché è possibile impostare il verso della corrente controllando i MOS in modo da imporre un opportuna tensione al nodo centrale tra i due. Se nel nodo A (vedi figura 2.19), viene imposta una tensione inferiore alla Vc, la corrente inizierà a scorrere dal condensatore verso il nodo A, viceversa se sul nodo A viene imposta una tensione maggiore della tensione Vc, la corrente inizierà a scorrere dal nodo A verso il condensatore. Se l''accensione dei MOS viene controllata mediante un segnale PWM, variando il duty-cycle del segnale di controllo, potrà essere controllato sia il verso della corrente che la pendenza con la quale questa varierà, poiché proporzionale alla differenza di tensione tra il nodo A ed il condensatore ed al valore dell'' induttanza (Equazione 2.1). L Vc VA dt dI | | | | '' = Equazione 2.1 Pendenza della corrente. Capitolo 2 '' Tecniche di bilanciamento __________________________________________________________________________________ 26 Questo circuito, molto semplice da realizzare, offre un ulteriore vantaggio, che consiste nel non dover invertire il collegamento della cella a cui si vuole fornire energia rispetto al collegamento della cella da cui viene prelevata energia. Inoltre rispetto al sistema di bilanciamento con QRZCS, permette di dimezzare il numero di switch necessari per indirizzare le celle, che sono componenti il cui prezzo incide molto sui costi di realizzazione. Nel caso del QRZCS, è necessario indirizzare contemporaneamente due celle, quella da cui prelevare energia, e quella a cui fornirla. Nel caso del DC-DC proposto, questo non occorre, poichè il SuperCap funziona da elemento di accumulo di energia, questo permette di separare le due fasi di scambio di energia, potendo così utilizzare la stessa rete di selezione per entrambe le celle. Capitolo 3 - Modelli dei sistemi di bilanciamento __________________________________________________________________________________ 27 Capitolo 3 MODELLI DEI SISTEMI DI BILANCIAMENTO 3.1 Modello di Batteria Nello svolgimento del lavoro di tesi, sono stati implementati alcuni modelli Matlab/Simulink, che simulano il funzionamento di sistemi di bilanciamento di un pacco batteria, con lo scopo di creare una piattaforma per simulare il comportamento e valutare le prestazioni dei sistemi e delle strategie di riequilibrio. Il cuore del simulatore, è il modello di cella, realizzato in un precedente lavoro di tesi ([6]), con il quale viene creato il pacco batteria su cui viene simulato il bilanciamento. L''equivalente circuitale del modello adottato, viene mostrato nella figura 3.1. Figura 3.1 Modello Batteria [6]. Come si può vedere il circuito è suddiviso in due blocchi: Quello di sinistra serve a determinare lo stato di carica della cella (SOC), in funzione e della temperatura. La capacità Ccapacity, è proporzionale alla capacità nominale della cella in Ah. La tensione ai capi di questa capacità, determinata da un valore iniziale di carica contenuta al suo interno e dall''integrale della corrente che vi scorre (Ibatt), Capitolo 3 - Modelli dei sistemi di bilanciamento __________________________________________________________________________________ 28 rappresenta lo stato di carica della batteria, il valore di 1,0V rappresenta un SOC del 100%, mentre un valore di 0V rappresenta un SOC dello 0%. La resistenza Rself discharge serve a modellare i fenomeni di auto-scarica. Il blocco di destra, modella il comportamento dinamico della cella, fornendo la tensione di batteria Vbatt, in funzione della corrente Ibatt, del SoC e della temperatura, tenendo conto delle caratteristiche della cella, attraverso la resistenza serie, e le costanti di tempo dei due gruppi RC. Nella figura 3.2 è mostrata l''implementazione Matlab/Simulink del modello di batteria, che ricevuto in ingresso il valore della Ibatt, fornisce in uscita il valore della Vbatt. Le varie componenti della Vbatt, vengono calcolate, interpolando i dati contenuti nelle Look Up Table, le quali ricevono in ingresso i valori di SOC, Ibatt, e Tbatt. Questo modello di cella può essere utilizzato per simulare un pacco batteria, sfruttando le capacità di MatLab di calcolo matriciale. Una cella è caratterizzata dai valori di Cc ed Rs, ma ponendo nel modello di cella in ingresso alle look-up table dei vettori contenenti i valori di questi due parametri, si possono simulare tante celle quante sono le componenti di questi vettori. Passando in ingresso al modello un valore di corrente unico, si può simulare un pacco formato da celle connesse in serie, attraversate tutte dalla stessa corrente. Mandando invece in ingresso un vettore di corrente, ogni cella sarà attraversata dalla corrente specificata dal corrispondente valore nel vettore delle correnti. Capitolo 3 - Modelli dei sistemi di bilanciamento __________________________________________________________________________________ 29 Figura 3.2 Modello Batteria [5]. Capitolo 3 - Modelli dei sistemi di bilanciamento __________________________________________________________________________________ 30 3.2 Modelli di bilanciamento Nella Figura 3.3 viene mostrato lo schema a blocchi che rappresenta il simulatore di sistemi di bilanciamento. Come si può vedere dallo schema al centro del sistema c''è il modello di batteria descritto nel paragrafo precedente. Nella parte sinistra in basso dello schema, si trovano i blocchi ''Strategy' ed ''Equalizer', che implementano il modello del sistema di bilanciamento, e che hanno la funzione di generare il vettore delle correnti di cella, che andrà in ingresso al modello di batteria. Il Blocco ''Equalizer' è il blocco che implementa il modello del circuito di bilanciamento, cioè è il blocco che descrive l''hardware del circuito, mentre il blocco ''Strategy', come suggerito dal nome, implementa le strategie di bilanciamento. Questi due componenti del sistema sono stati volutamente separati, in modo da poter essere modificati separatamente, dando la possibilità di provare strategie differenti su di un solo modello di sistema, oppure viceversa, simulare una strategia su più sistemi differenti. Nella parte sinistra in alto dello schema, si trova il blocco ''Hw power consuption', che ha lo scopo di tener conto della potenza che il BMS assorbe dal pacco. Nella parte destra, in alto si trovano gli scope di controllo, mentre in basso si trova il blocco ''Balance Valuator', che serve a valutare le prestazioni del circuito di bilanciamento, in termini di energia dissipata ed efficienza. Durante questo lavoro di tesi, sono stati simulati, sulla base di questo schema generale, i modelli di tre circuiti, con diverse strategie di bilanciamento. E'' stato realizzato un modello di Bilanciamento Passivo, un modello di Bilanciamento con ''Flying Capacitor' ed un modello di Bilanciamento attivo mediante l''utilizzo di un convertitore DC-DC, di tipo Buck-Boost, il cui circuito è stato descritto nel capitolo precedente. Questo schema di principio è stato utilizzato per tutti i sistemi di bilanciamento implementati, ciò che differenzierà i vari sistemi, saranno i blocchi ''Equalizer' e ''Strategy'. Capitolo 3 - Modelli dei sistemi di bilanciamento __________________________________________________________________________________ 31 Figura 3.3 Simulatore Di Sistemi di Bilanciamento Passivo Capitolo 3 - Modelli dei sistemi di bilanciamento __________________________________________________________________________________ 32 3.3 Bilanciamento Passivo In questo paragrafo verrà descritta l''implementazione dei blocchi ''Strategy' ed ''Equalizer', per il circuito di bilanciamento passivo. Per quanto riguarda il bilanciamento passivo, sono state implementate due possibili configurazioni circuitali, una che prevede una singola resistenza condivisa tra tutte le celle, collegabile in parallelo ad ogni cella attraverso una rete di switch, e l''altra che prevede una resistenza di bilanciamento dedicata ad ogni cella. In entrambi i casi è previsto un MOS con funzione di interruttore in serie alla resistenza di bilanciamento. Le varie configurazioni sono selezionabili nelle impostazioni di simulazione, avendo a disposizione tre opzioni: - Configurazione a resistenze dedicate, con strategia basata sulla Vcell. - Configurazione con resistenza condivisa, con strategia basata sulla Vcell. - Configurazione con resistenza condivisa, con strategia basata sull''OCV. L''implementazione del blocco ''Equalizer' per il bilanciamento Passivo, è mostrato nella figura 3.4. Questo blocco, calcola il valore della corrente di bilanciamento, secondo l''equazione 3.1: ) ( SN Ron Rdson Rbalance Vcells Ieq ' + + = Equazione 3.1 Corrente di bilanciamento. In cui Rbalance, rappresenta la resistenza di bilanciamento, Rdson la resistenza in conduzione del MOS, SN indica il numero di switch che compongono la rete di selezione delle celle (che sarà posto a zero quando Control=1) ed Ron la loro resistenza. Capitolo 3 - Modelli dei sistemi di bilanciamento __________________________________________________________________________________ 33 Figura 3.4 Blocco Equalizer per Bilanciamento Passivo. In uscita a questo blocco, troverò un vettore, le cui componenti rappresentano per ogni cella che compone il pacco, la corrente che dovrebbero erogare se fossero attaccate al circuito di bilanciamento. Il vettore delle correnti da mandare in ingresso al modello di batteria, sarà generato moltiplicando il vettore generato da ''Equalizer', con una maschera generata in base alla strategia selezionata. Il blocco ''Strategy', genera le maschere in base alle strategie di bilanciamento e la sua implementazione è mostrata nella figura 3.5. Figura 3.5 Blocco Strategy per il bilanciamento Passivo. Il blocco ''EQ Enable', permette di eseguire un numero di cicli di carica/scarica del pacco batteria, impostabile attraverso lo script Matlab Pacco_EQ.m, prima di dare inizio al riequilibrio attraverso il segnale EQ Enable, inoltre genera il vettore delle Capitolo 3 - Modelli dei sistemi di bilanciamento __________________________________________________________________________________ 34 correnti di carica e scarica, i cui valori sono impostabili sempre dallo script Pacco_EQ.m. Il blocco che implementa le varie strategie è il blocco ''Mask Generator', la cui struttura è mostrata in figura 3.6. Figura 3.6 Blocco Mask Generator per il bilanciamento Passivo Questo genera le maschere per la creazione del vettore Ibatt, in base al valore di ''Control', come descritto in precedenza. Il blocco ''all cells', genera un vettore di dimensione N pari al numero di celle che compongono il pacco, che ha un uno in corrispondenza di ogni cella che ha una tensione superiore ad un livello ''level' impostabile dal file script, e zero nelle restanti posizioni. Figura 3.7 Ciclo di generazione degli indici. Capitolo 3 - Modelli dei sistemi di bilanciamento __________________________________________________________________________________ 35 La prima operazione da eseguire per la generazione del vettore maschera, è quella di scorrere il vettore delle Vcells, in modo da individuare le celle da equilibrare, secondo il criterio espresso dalla condizione if. Quindi questo blocco, restituisce gli indici degli elementi del vettore che verificano la condizione. Figura 3.8 Generazione Maschera. La maschera viene generata utilizzando il blocco Assignement (figura 3.8), che riceve in ingresso un vettore composto da tutti uno ''MaskIn', e restituisce il vettore ''MaskOut', che è una copia di ''MaskIn', in cui gli elementi indirizzati da ''IndexIn', vengono sostituiti dalla costante zero. Il blocco ''one cells', genera la maschera analizzando sequenzialmente gli elementi del vettore Vcells, e pone uno in corrispondenza della prima cella che ha una tensione superiore ad un livello ''level' impostabile dal file script, mettendo zero nelle restanti posizioni. Questa maschera viene mantenuta fino a quando la tensione della cella indirizzata non raggiunge il valore ''level', dopodichè ricomincia la scansione del vettore, per trovare la successiva cella con tensione maggiore di ''level', viene generata la maschera e inizia il riequilibrio di questa cella, e così via fino a quando le celle non sono state tutte equilibrate. Il blocco ''One Cell OCV', genera la maschera in maniera del tutto analoga al blocco ''One cell', ma analizzando il vettore degli OCV, invece del vettore delle Vcells e prendendo come valore di riferimento per il riequilibrio, il valore minimo del vettore OCV. Per il sistema di bilanciamento passivo, la valutazione dell''energia dissipata è stata fatta tenendo conto oltre che della resistenza di bilanciamento, anche della resistenza degli switch per selezionare le celle e la resistenza parassita del MOS di controllo. Capitolo 3 - Modelli dei sistemi di bilanciamento __________________________________________________________________________________ 36 3.4 Bilanciamento con Flying Capacitor Il modello per il bilanciamento mediante flying capacitor, è stato implementato secondo lo schema mostrato in figura 2.3, utilizzando un condensatore condiviso da tutte le celle ed una rete di switch per indirizzarle, realizzata in modo che ogni cella venga contattata utilizzando quattro switch. Il modello viene mostrato nella figura 3.9, dalla quale si può vedere la struttura simile a quella implementata per il bilanciamento passivo. In questo paragrafavo, verrà descritta l''implementazione dei blocchi ''Strategy' ed ''Equalizer' per il sistema di bilanciamento con Flying Capacitor. La strategia utilizzata in questo sistema di riequilibrio consiste nell''individuare la cella più carica e quella meno carica del pacco, e collegarle alternativamente alla capacità di riequilibrio, con una frequenza di switching fissa, calcolata nel file script Pacco_EQ.m, a partire dai parametri elettrici del circuito, secondo l''equazione 3.2: C R n f ' ' = 1 Equazione 3.2 Frequenza di switching. Dove C è il valore della capacità in Farad, ed R è la resistenza vista dalla capacità, che tiene conto degli elementi passivi, e la variabile n serve per garantire che il condensatore venga caricato e scaricato completamente nei semiperiodi del sagnale Charge/Discharge. Capitolo 3 - Modelli dei sistemi di bilanciamento __________________________________________________________________________________ 37 Figura 3.9 Simulatore Di Sistemi di Bilanciamento con Flying Capacitor. Capitolo 3 - Modelli dei sistemi di bilanciamento __________________________________________________________________________________ 38 Figura 3.10 Blocco ''Strategy' per il sistema di bilanciamento con Flying Capacitor. Il blocco ''EQ Enable' funziona esattamente come descritti nel paragrafo precedente per il sistema di bilanciamento passivo. Il blocco ''Charge/Discharge', genera un segnale ad onda quadra, che simula il segnale di controllo degli switch che selezionano la cella collegata al condensatore, in modo che quando il segnale è sul livello alto, la capacità venga caricata, collegandola alla cella con tensione maggiore, mentre nel semiperiodo in cui il segnale è sul livello basso, la capacità si scarica sulla cella con tensione minore. Il blocco ''Mask Generator', genera le maschere per la generazione della Ibatt, creando due vettori: uno formato da tutti zero, ed un meno uno in corrispondenza dell''elemento massimo, ed un''altro formato da tutti zero, ed un uno in corrispondenza dell''elemento minimo (figura 3.11). Il blocco ''MAXMIN', esegue la scansione dei vettori Vcells e OCV, per cercare in entrambi l''elemento con valore massimo e minimo, ed i base al valore della variabile control, pone in uscita gli indici dell''elemento massimo e minimo relativi ad uno solo dei metodi di selezione (OCV o Vcells). I blocchi di ricerca degli indici, ''OCV SEL' e ''Vcells SEL' vengono triggerati sul fronte di salita del segnale ChargeDischarge, questo in modo che la cella da cui prelevare energia e quella a cui fornire energia, vengano selezionate all''inizio di Capitolo 3 - Modelli dei sistemi di bilanciamento __________________________________________________________________________________ 39 Figura 3.11 Blocco Mask Generator per il sistema di bilanciamento con Flying Capacitor. ogni ciclo di carica e scarica del condensatore e mantenute costanti per tutto il ciclo, questo perchè i valori di tensione di cella e OCV, varieranno durante il trasferimento Figura 3.12 Blocco MAXMIN per il sistema di bilanciamento con Flying Capacitor di energia e quindi la cella con valore massimo o minimo potrebbe cambiare, ma questo non deve provocare un cambiamento degli indici, poichè una volta iniziato il trasferimento di energia da cella a condensatore e viceversa, deve essere portato a termine, prima di indirizzare un''altra cella. Capitolo 3 - Modelli dei sistemi di bilanciamento __________________________________________________________________________________ 40 Figura 3.13 Blocco OCV SEL per il bilanciamento con Flying Capacitor. La ricerca dell''indice del massimo e minimo, viene effettuata generando due vettori che abbiano degli uno in corrispondenza degli elementi con valore massimo in un caso e minimo nell''altro, e zero nelle restanti posizioni, dopodichè scansionando questi due vettori, viene restituito l''indice dell''ultimo elemento diverso da zero (figura 3.13). Il blocco ''Vcells SEL', funziona in maniera analoga al blocco ''OCV SEL', con l''aggiunta di un sistema che impedisca durante la ricerca del massimo di selezionare l''elemento che nell''iterazione precedente era stato selezionato come minimo,e viceversa durante la ricerca del minimo escluda l''elemento che nell''iterazione precedente era stato scelto come massimo. Questo accorgimento è importante quando la strategia è basata sulla tensione di cella, poiché la tensione di cella sarà determinata dalla somma di tre componenti (vedi circuito equivalente di cella figura 3.1): - OCV. - Caduta su Rs. - Caduta sui gruppi RC Vc(Icell,t) (termine transitorio). La Vcell sarà ) , ( t Icell Vc Icell Rs OCV Vcell + ' + = Capitolo 3 - Modelli dei sistemi di bilanciamento __________________________________________________________________________________ 41 Equazione 3.3 Tensione di cella. Si può verificare la situazione mostrata in figura 3.14, in cui viene mostrato come nell''istante in cui vengono scelti massimo e minimo, la tensione della cella in cui è stata trasferita l''energia (traccia viola) sia maggiore rispetto alla tensione di tutte le altre celle, anche se il suo OCV non è il massimo, e che la tensione della cella a cui è stata prelevata l''energia sia minore rispetto alla tensione di tutte le altre celle, anche se il suo OCV non è il minimo. Per evitare questa situazione è stato preso l''accorgimento descritto in precedenza. Figura 3.14 andamento delle Vcell durante il bilanciamento. Il blocco ''Stop Simulation' è stato inserito per poter bloccare la simulazione quando il pacco può essere considerato bilanciato, cioè quando l''OCV o la Vcell, a seconda della strategia selezionata, stanno tutte all''interno di una fascia di tensione la cui larghezza è impostabile dal file script di configurazione. Il blocco ''Equalizer' implementa l''equazione che descrive il circuito di riequilibrio, il cui schema equivalente è mostrato in figura 3.15. Capitolo 3 - Modelli dei sistemi di bilanciamento __________________________________________________________________________________ 42 Figura 3.15 Circuito equivalente Flying capacitor. Il funzionamento è diviso in due fasi: Fase1: Viene chiuso SW1 e la capacità si carica alla tensione Vcell1 attraverso la resistenza R, che tiene conto degli elementi parassiti della capacità e degli switch. Fase2: SW1 viene aperto e viene chiuso SW2, il condensatore si scarica attraverso R, fino a quando la sua tensione non raggiunge la tensione Vcell2. L''equazione utilizzata nel modello, per calcolare la corrente media che circola nel circuito, in entrambe le fasi è la seguente (Equazione 3.4): R e Vcell Vcell T I T ) 1 ( | 2 1 | 2 2 '' ' '' ' = '' ' ' Equazione 3.4 Corrente media nel Flying Capacitor. Questa equazione, è stata ricavata, facendo l''ipotesi che gli switch vengano tenuti accesi per un tempo sufficiente perchè si carichi alla tensione Vcell1 e scarichi fino alla tensione Vcell2, e questo è garantito da come viene calcolata la frequenza di switching, come spiegato precedentemente. Per ricavare l''equazione 3.4 si è partiti dall''espressione semplificata della tensione sul condensatore (Equazione 3.5): Capitolo 3 - Modelli dei sistemi di bilanciamento __________________________________________________________________________________ 43 ' t e Vf Vi Vf t Vc '' ' '' + = ) ( ) ( Equazione 3.5 Tensione ai capi di un condensatore. In cui Vf indica la tensione finale a cui tende il condensatore e Vi la tensione da cui è partita la carica. Una volta conosciuta la tensione ai capi del condensatore si può ricavare la corrente di maglia dall''equazione seguente (Equazione 3.6): R t Vc Vcell t I ) ( ) ( '' = Equazione 3.6 Corrente di Maglia. In cui Vcell può essere considerato costante dato che il periodo T è breve rispetto alle costanti di tempo della cella. Da quest''ultima relazione è stata ricavata la corrente media, integrandola su metà del periodo T (Equazione 3.7). ' = 2 / 0 ) ( 2 T dt t I T I Equazione 3.7 Corrente media. Sostituendo ed eseguendo questo integrale, si ricava l''equazione 3.4. Per verificare che il modello esegua correttamente il calcolo della corrente media, sono stati confrontati i valori ottenuti dalla simulazione del modello, con i valori ottenuti da una simulazione del circuito eseguita con LTspice, impostando le stesse condizioni, ottenendo una differenza tra i risultati solamente alla quinta cifra decimale. Capitolo 3 - Modelli dei sistemi di bilanciamento __________________________________________________________________________________ 44 3.5 Bilanciamento con DC/DC In questo paragrafo verranno descritti l''implementazione dei blocchi ''Strategy' ed ''Equalizer' per il circuito di riequilibrio con DC/DC, il cui schema circuitale è stato mostrato nel capitolo 2 (Figura 2.17). Il blocco ''Strategy' funziona esattamente come l''equivalente descritto nel paragrafo precedente per il sistema con flying capacitor. Il blocco ''Equalizer' implementa il modello che descrive il comportamento del circuito, calcolando la corrente media che scorre all''interno dell''induttanza. Figura 3.16 Blocco ''Equalizer' per il bilanciamento con DC/DC. Osservando la figura 3.16, che mostra l''implementazione del blocco ''Equalizer', si può notare nella parte in basso a destra il circuito di generazione del segnale C/D, che indica la fase di carica e scarica del condensatore. Questo segnale viene generato in modo da cambiare di stato ogni volta che la tensione ai capi del condensatore raggiunge il limite superiore o quello inferiore, 3 V ed 1 V rispettivamente. Questi valori sono stati scelti in modo che il massimo sia inferiore alla tensione di qualsiasi cella nel pacco, ed il valore minimo per evitare che la tensione sul condensatore scenda troppo. Capitolo 3 - Modelli dei sistemi di bilanciamento __________________________________________________________________________________ 45 Il blocco ''Circuit', implementa l''equazione che calcola la corrente media che scorre nell''induttanza (Figura 3.17). Figura 3.17 Blocco Circuit per il sistema DC/DC. Il blocco ''Control' implementa il controllo dei MOSFET, ed è stato realizzato in due differenti modi, in modo da poter simulare un controllo della corrente di tipo Isteretico ed un controllo di tipo PWM. Il controllo Isteretico, consiste nel pilotare i MOS del bridge, in modo da cambiare il segno della derivata della corrente in modo che questa rimanga all''interno di una fascia delimitata dalle soglie impostate. Il controllo PWM, consiste nel pilotare i gate dei MOS con un''onda quadra a frequenza fissa, variando il tempo in cui resta sul livello alto e livello basso, facendo in modo che la corrente si stabilizzi intorno al valore impostato. Per il controllo di tipo isteretico, l''equazione implementata per il calcolo della corrente che circola nell''induttanza è espressa dall''equazione 3.8. ' ' ' '' '' ' = ' = dt I R V V L dt V L I L C A L L 1 1 Equazione 3.8 Calcolo della corrente nell''induttanza. In cui VA rappresenta la tensione del nodo A, posto al centro dei due MOS di controllo. Capitolo 3 - Modelli dei sistemi di bilanciamento __________________________________________________________________________________ 46 Questa tensione dipende dal controllo e nel caso di controllo isteretico, viene posta al valore L onP cell I R V ' '' quando il segnale Isteresi è alto, ed al valore L onN I R ' quando il segnale Isteresi è basso. Il segnale Isteresi viene generato dal blocco ''Control', in modo tale che si abbia transizione dallo stato alto allo stato basso quando IL raggiunge il limite inferiore Imin con pendenza negativa e si abbia transizione dallo stato basso allo stato alto quando IL raggiunge il limite superiore Imax con pendenza positiva (Figura 3.18). Figura 3.18 Blocco Control per bilanciamento DC-DC con controllo Isteretico. Per verificare che il modello che implementa l''equazione 3.8 calcoli correttamente sono state confrontate le simulazioni effettuate con Simulink con le simulazioni del circuito effettuate con LTspice, ed i risultati sono stati riportati nelle tabelle seguenti. Tempo [s] Vc Simulink [V] Vc LTspice [V] IL Simulink [A] IL LTspice [A] 0 0 0 0 0 0.00839 0.02907 0.02901 10.4302 10.3882 1.00671 2.6139 2.6113 3.6529 3.6505 2.00503 3.5162 3.5141 1.2744 1.2774 5.00839 3.9796 3.9793 0.05312 0.05439 Tabella 3.1 Confronto Simulazioni Carica Super Cap. Capitolo 3 - Modelli dei sistemi di bilanciamento __________________________________________________________________________________ 47 Tempo [s] Vc Simulink [V] Vc LTspice [V] IL Simulink [A] IL LTspice [A] 0 4 4 0 0 0.00903 3.96649 3.96657 -11.1559 -11.1187 1.00168 1.29357 1.29459 -3.64338 -3.64294 2.00337 0.41758 0.41977 -1.17183 -1.18122 5.00000 0.01418 0.01443 -0.03976 -0.04062 Tabella 3.2 Confronto Simulazioni Scarica Super Cap. Per il sistema di riequilibrio con DC-DC, è stato realizzato anche un modello che implementa un tipo di controllo della corrente, pilotando i gate dei MOS con un onda quadra modulata PWM. Rispetto al modello con controllo isteretico, è stato implementata differentemente il blocco ''Circuit', nel quale è cambiata sia l''equazione di calcolo della IL, sia il blocco ''Control' (Figura 3.19). Figura 3.19 Blocco Control Per il sistema DC-DC con controllo PWM. Capitolo 3 - Modelli dei sistemi di bilanciamento __________________________________________________________________________________ 48 Questo blocco, genera il valore della variabile ''TLow', che rappresenta il tempo in cui il segnale di controllo deve stare basso, aumentandola e diminuendola in modo tale che la corrente rimanga al valore voluto. Per quanto riguarda l''equazione di calcolo della IL, è stata implementata come mostrato nell''equazione 3.10, sviluppando l''equazione 3.8 come mostrato nell''equazione 3.9. ' ' ' ' ' ' ' ' '' '' + ' + ' '' ' ' = = ' '' '' ' ' = ' '' '' ' = dt t I R t V dt V dt t I R dt t I R t V T L dt t I R t V dt t V T L dt t I R t V V L t I L C tlow thigh dt don L onn L onp cell L C t A L C A L ) ( ) ( )] ) ( ) ( ) ( ( 1 [ 1 ) ( ) ( ] ) ( 1 [ 1 ) ( ) ( 1 ) ( 0 0 2 0 0 Equazione 3.9 Sviluppo equazione 3.8 Considerando le quantità Vcell(t) ed IL(t) costanti nel periodo tlow, IL(t) costante nel periodo thigh, possono essere portate fuori dagli integrali, ottenendo l''espressione della corrente implementata nel modello. ' ' '' '' ' + ' ' + ' '' ' ' dt t I R t V V T dt I R T t I R V T t L L C don L onn high L onp cell low ) ( ) ( ] 2 ) ( ) ( [ 1 Equazione 3.10 Espressione di IL(t) implementata nel modello. In questa espressione è stato considerato un periodo di tempo di dead time (dt) in cui entrambi i MOS sono interdetti, questo per evitare di cortocircuitare la cella, durante il quale entra in conduzione il diodo di substrato del MOS che non era in conduzione. Per questo modello è stato tenuto in conto questo aspetto, poiché al crescere della frequenza di switching crescono il numero di transizioni e quindi il presentarsi di questa situazione. Capitolo 4 '' Simulazioni __________________________________________________________________________________ 49 Capitolo 4 SIMULAZIONI In questo capitolo verranno mostrati i dati relativi alle simulazioni dei sistemi di riequilibrio implementati, per poter fare alcune considerazioni sulle prestazioni. 4.1 Condizioni di simulazione. Per poter confrontare i risultati delle simulazioni dei tre sistemi presentati, bisogna fissare le condizioni di simulazioni, che devono rimanere uguali nei tre casi. Per impostare tutte le grandezze che servono a far funzionare i vari modelli, è stato scritto uno script di MatLab, ''Pacco_EQ.m' (mostrato nell''appendice A), e che qui di seguito verrà descritto nelle parti riguardanti le simulazioni. Per prima cosa vengono lanciati altri due file script ''Parametri4.m' e ''Battery_creator.m'. Il primo carica nel Workspace di MatLab, i parametri che vengono utilizzati dal modello di cella, mentre il secondo crea il pacco batteria, caricando nel Workspace i vettori di dimensione n (impostabile), che contengono i dati di ogni cella relativi a Cc, Rsd, e Soc. Fatto questo, lo script imposta i parametri relativi alla simulazione (Figura 4.1). Capitolo 4 '' Simulazioni __________________________________________________________________________________ 50 Figura 4.1 Parametri di simulazione. Si possono impostare le seguenti variabili: - ''Cicli' : Rappresenta il numero di cicli di carica e scarica eseguiti sul pacco prima di iniziare il riequilibrio. - ''EQHL': Se posto a zero viene effettuato il riequilibrio alla fine della carica, viceversa se posto ad uno viene effettuato il riequilibrio alla fine della scarica. - ''Control': Serve ad impostare la strategia di riequilibrio e può assumere 3 valori: 1 e 2 indicano ai sistemi di basare la ricerca del massimo e minimo sulla tensione di cella; 3 indica al sistema di effettuare la ricerca basandosi sulla tensione di OCV. Nel caso del bilanciamento passivo, 1 indica la presenza di una resistenza dedicata ad ogni cella e 2 e 3 indicano la presenza di una resistenza condivisa fra tutte le celle. - ''soglia': Indica il valore in Volts, che esprime la massima distanza tra massimo e minimo, dei vettori Vcells o OCV, per cui il pacco viene ritenuto bilanciato e quindi viene fermata la simulazione. - ''Ic' e ''Id': Indicano rispettivamente la corrente di carica e di scarica, utilizzate nei cicli prima del riequilibrio. - ''Hw_Power': Indica la potenza in Watt che assorbe il BMS dal pacco. - ''Ron': Rappresenta la resistenza serie degli switch che servono per indirizzare le celle. - ''SN': Indica il numero di switch che devono essere accesi per indirizzare una cella, questo dipende dall''architettura della rete di selezione (Figura 4.2). Capitolo 4 '' Simulazioni __________________________________________________________________________________ 51 Figura 4.2 Implementazione della rete di selezione delle celle. Queste sono due possibili architetture con cui si può realizzare la rete di switch di selezione delle celle, che permettono entrambe di connettere ogni cella al circuito di riequilibrio con le due polarità possibili. La differenza tra le due reti, consiste nel numero di switch, che per l''architettura di sinistra sarà 2*(N+1), mentre per l''architettura di destra sarà N+5. Il numero di switch è un parametro importante. Questi componenti infatti incidono molto sul prezzo complessivo, fattore che porterebbe a pensare che la soluzione di destra sia migliore. Bisogna però tener conto che in questa configurazione per selezionare una cella occorre accendere quattro switch, quindi troverò in serie alla cella una resistenza pari a 4*Ron, mentre nella soluzione di sinistra, basta accendere solamente due switch per selezionare una cella. La resistenza in serie alla cella viene quindi dimezzata e questo implica un notevole risparmio di potenza sopratutto quando le correnti di riequilibrio sono elevate. Dopo aver impostato i parametri generali, lo script imposta i parametri relativi ai vari sistemi di bilanciamento (Figura 4.3). Capitolo 4 '' Simulazioni __________________________________________________________________________________ 52 Figura 4.3 Settaggio Parametri dei sistemi di bilanciamento. Per il bilanciamento passivo, vengono settati: - ''level': ' la tensione espressa in Volt, alla quale verranno riequilibrate le celle. - ''Rbalance': E'' il valore della resistenza di bilanciamento in Ohm. - ''Rdson': E'' il valore della resistenza serie dei MOSFET di controllo. Per il bilanciamento con flying capacitor, vengono settati: - ''C': E'' il valore in Farad della capacità. - ''ESR': E'' il valore in Ohm della resistenza parassita serie della capacità. - ''PER': E'' il periodo del segnale Charge/Discharge, che determina la carica e la scarica del condensatore. Capitolo 4 '' Simulazioni __________________________________________________________________________________ 53 Per il bilanciamento con DC-DC, vengono settati: - ''SC': E'' il valore in Farad del SuperCap. - ''SCESR': E'' il valore in Ohm della resistenza parassita serie del SuperCap. - ''Vcmax': E'' valore di tensione di fine carica del SuperCap in Volt. - ''Vcmin': E'' valore di tensione di fine scarica del SuperCap in Volt. - ''L': E'' il valore in Henry dell''induttanza. - ''LESR': E'' il valore in Ohm della resistenza parassita serie dell''induttore. - ''R1': E'' la somma della ESR del supercap e dell''induttanza espresso in Ohm. - ''PERSW':E'' il periodo espresso in secondi del segnale di controllo dei MOS. - ''dt': E'' il dead time espresso in secondi, in cui entrambi i MOS sono interdetti. - ''ronp': E'' la resistenza in Ohm, del MOS P. - ''ronn': E'' la resistenza in Ohm, del MOS N. - ''Imin'ed ''Imax': Sono le soglie per il controllo isteretico della corrente espresse in Ampere. In fine lo script imposta i parametri che servono al modello di cella per descrivere le caratteristiche termiche. Per quanto riguarda il modello del sistema di riequilibrio con DC-DC, per effettuare le simulazioni di bilanciamento è stato implementato un modello approssimato. Le approssimazioni sono state fatte per ridurre i tempi di simulazione, questo perchè il modello non approssimato, calcola l''andamento della corrente nelle varie fasi di accensione dei MOS, quindi per apprezzare il dettaglio delle variazioni della corrente, il passo di simulazione di Simulink, deve essere impostato almeno pari alla metà del periodo di switching. Per il controllo PWM, supponendo una frequenza di switching pari a 100 KHz, quindi un periodo di 10us, per apprezzare le oscillazioni della corrente (Figura 4.4) occorre impostare un passo di simulazione che sia almeno 5*10^-6. Per il caso di controllo isteretico, la rapidità di variazione della corrente, può essere ricavata dalla relazione seguente (Equzione 4.1). Se calcoliamo questa pendenza in t=0, nel caso peggiore, cioè quando Vcell=4.2 V e Vc=0 V, si ottiene: Capitolo 4 '' Simulazioni __________________________________________________________________________________ 54 L t I R t V t V L t V dt t dI c cell L ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ' '' '' = = ] [ 7500 10 560 0 2 . 4 ) 0 ( ) 0 ( ) 0 ( ) ( 6 0 s A L I R V V dt t dI c cell = '' '' = ' '' '' = '' Equazione 4.1 Pendenza della IL. Figura 4.4 Andamento della Icell con controllo PWM. Quindi la corrente passerà da 0 a 1 A in circa 134 µs, e oscillerà intorno al valore di 1 A con andamento triangolare, con una frequenza di circa 19 KHz, questo vuol dire impostare un passo di simulazione massimo di 26 µs per apprezzare il dettaglio delle variazioni di corrente (Figura 4.4). Per diminuire i tempi di simulazione, è allora stata creata una versione approssimata del modello, che simula l''andamento della corrente di riequilibrio, ponendo i tempi di salita e di discesa pari a zero, e considerando la corrente costante sul livello. Queste approssimazioni sono ragionevoli se si confrontano i tempi di salita e discesa che sono dell''ordine delle centinaia di microsecondi, con il tempo in cui la corrente Capitolo 4 '' Simulazioni __________________________________________________________________________________ 55 rimane stabile sul livello, che coincide con il tempo che impiega il SuperCap a caricarsi, che sarà dell''ordine di qualche secondo. L''approssimazione di mantenere costante la corrente è giustificata dal fatto che il controllo fa oscillare la corrente intorno ad un valor medio, quindi mantenendo il valore della corrente pari proprio a questo valor medio, l''errore che si commette è piccolo. Figura 4.5 Andamento della Icell con controllo ISTERETICO. Nei paragrafi successivi, verranno mostrati i risultati delle simulazioni effettuati per un pacco formato da 14 celle, in diverse condizioni di sbilanciamento. Sono stati creati 4 vettori di simulazione per creare altrettanti pacchi in differenti condizioni di SoC, più precisamente sono stati creati 2 pacchi con sbilanciamento del 10% vicino allo 0% (dove la curva del Soc ha maggior pendenza), e altri due con sbilanciamento del 10%, ma centrato intorno al 50% (dove l''andamento del SoC ha pendenza minore) (Figura 4.6). Sia per i pacchi con SoC vicino allo 0%, sia per quelli con SoC intorno al 50% sono state create due situazioni: una in cui si hanno 13 celle con SoC minimo (0% e 45%) ed una con SOC massimo (10% e 55%), ed una con 13 celle al SOC massimo ed una con SOC minimo. Capitolo 4 '' Simulazioni __________________________________________________________________________________ 56 Figura 4.6 Caratteristica OCV in funzione del SoC. Tutte le simulazioni sono state eseguite impostando i seguenti parametri per il sistema: - Cicli = 0. - Hw_Power = 0 W. - SN = 0. - level = 3.77 V per il caso di pacco con Soc intorno al 50% e level= 3.27V per il caso con SoC vicino allo zero. - Rbalance = 15 ' - Rdson = 10^-1 ' - C = 2.5 F - ESR = 53*10^-3 ' - SC = 2.5 F - SCESR = 53*10^-3 ' - Vcmax = 3 V - Vcmin = 1 V - L = 560*10^-6 H - LESR = 140*10^-3 ' Capitolo 4 '' Simulazioni __________________________________________________________________________________ 57 - ronp = 130*10^-3 ' - ronn = 105*10^-3 ' - Imin = 0.9 A - Imax = 1.1A Capitolo 4 '' Simulazioni __________________________________________________________________________________ 58 4.2 Simulazioni Riequilibrio Passivo. Simulazione 1 La prima simulazione eseguita è stata effettuata su di un pacco sbilanciato al 10% vicino allo zero, sia nel caso con una sola cella più carica, sia nel caso di una sola cella più scarica, applicando per entrambe le situazioni i tre tipi di strategia di bilanciamento: - Resistenza dedicata ad ogni cella, fermando la simulazione quando tutte le celle sono state scaricate al valore di Vcell=level. - Resistenza condivisa tra le celle, fermando la simulazione quando tutte le celle sono state scaricate al valore di Vcell=level. - Resistenza condivisa tra le celle, fermando la simulazione quando tutte le celle sono state scaricate al valore di OCV=level. Nei grafici delle figure 4.7, 4.8 sono mostrati gli andamenti delle tensioni di cella e della corrente di riequilibrio. Figura 4.7 Andamento delle tensioni e correnti di cella per il bilanciamento passivo ''All Cell' nel caso di 1 cella scarica. Capitolo 4 '' Simulazioni __________________________________________________________________________________ 59 L''andamento delle tensione alla fine del riequilibrio, cioè l''aumento della tensione di cella, è dovuto alla caduta di tensione sulla resistenza interna alla cella, quando viene staccata la resistenza di riequilibrio, la corrente che scorre nella cella diventa nulla, rendendo di conseguenza nulla la caduta sulla Rs, quindi la tensione misurata ai terminali esterni della cella aumenta, andando a coincidere con l''OCV. Questo è un aspetto di cui tener conto nella valutazione della strategia di bilanciamento, in quanto l''informazione contenuta nel valore di Vcell, non ha una corrispondenza diretta con il SoC, poichè dipende dal valore della corrente che sta scorrendo nella cella, mentre il valore dell''OCV ha una corrispondenza con il SoC. Il bilanciamento è stato effettuato portando tutte le celle allo stesso valore ''level', in questo modo, dato che le cadute sulle Rs sono tutte dello stesso ordine di grandezza, si portano tutte le celle allo stesso Soc. Figura 4.8 Andamento delle tensioni e correnti di cella per il bilanciamento passivo ''One Cell' nel caso di una cella scarica. I risultati della simulazione 1 vengono riassunti nelle tabelle 4.1 e 4.2. Capitolo 4 '' Simulazioni __________________________________________________________________________________ 60 Strategia Delta SoC iniziale [%] Delta SoC finale [%] Delta V finale [mV] Tempo di bilanciamento [min] Energia dissipata [Wh] Efficienza [%] All Cells 10 0.38 7.4 37 5.96 0 One Cell Vcell 10 0.38 7.4 474.2 5.95 0 One Cell OCV 10 0.003 0.003 489.6 6.13 0 Tabella 4.1 Risultai simulazione 1 con una cella scarica. Strategia Delta SoC iniziale [%] Delta SoC finale [%] Delta V finale [mV] Tempo di bilanciamento [min] Energia dissipata [Wh] Efficienza [%] All Cells 10 0.33 6.4 36.96 0.50 0 One Cell Vcell 10 0.39 7.4 40.21 0.50 0 One Cell OCV 10 0.001 0.001 37.99 0.47 0 Tabella 4.2 Risultai simulazione 1 con una cella carica. Capitolo 4 '' Simulazioni __________________________________________________________________________________ 61 Simulazione 2 La seconda simulazione è stata eseguita nelle stesse condizioni della prima, ma partendo con uno sbilanciamento del 10% centrato intorno al 50%. Nei grafici delle figure 4.9, 4.10 sono mostrati gli andamenti delle tensioni di cella e della corrente di riequilibrio, per le tre strategie di riequilibrio. Figura 4.9 Andamento delle tensioni e correnti di cella per il bilanciamento passivo ''All Cell'. Capitolo 4 '' Simulazioni __________________________________________________________________________________ 62 Figura 4.10 Andamento delle tensioni e correnti di cella per il bilanciamento passivo ''One Cell'. I risultati della simulazione 2 vengono riassunti nelle tabelle 4.3 e 4.4. Strategia Delta SoC iniziale [%] Delta SoC finale [%] Delta V finale [mV] Tempo di bilanciamento [min] Energia dissipata [Wh] Efficienza [%] All Cells 10 0.57 1.2 36.02 7.41 0 One Cell Vcell 10 0.50 1.0 465.4 7.35 0 One Cell OCV 10 0.04 0.04 436.5 6.89 0 Tabella 4.3 Risultai simulazione 2 nel caso di una sola cella scarica. Capitolo 4 '' Simulazioni __________________________________________________________________________________ 63 Strategia Delta SoC iniziale [%] Delta SoC finale [%] Delta V finale [mV] Tempo di bilanciamento [min] Energia dissipata [Wh] Efficienza [%] All Cells 10 0.46 0.9 36.05 1.32 0 One Cell Vcell 10 0.50 1 83.32 1.31 0 One Cell OCV 10 0.04 0.04 33.83 0.53 0 Tabella 4.4 Risultai simulazione 2 nel caso di una sola cella carica. Capitolo 4 '' Simulazioni __________________________________________________________________________________ 64 4.3 Simulazioni Riequilibrio con Flying Capacitor. Simulazione 1 La prima simulazione eseguita è stata effettuata su di un pacco sbilanciato al 10% vicino allo zero, sia nel caso con una sola cella più carica sia nel caso di una sola cella più scarica, applicando per entrambe le situazioni sia la selezione delle celle basandosi sulla Vcell, sia basandosi sull''OCV. Nei grafici di figura 4.11 sono mostrati gli andamenti delle tensioni di cella e della corrente di riequilibrio nei due casi. Figura 4.11 Andamento delle tensioni e correnti di cella per il bilanciamento con Flying Capacitor_Vcell nel caso di una sola cella scarica. Per questo sistema le simulazioni sono state effettate, fermando il riequilibrio quando il % 5 . 0 % = ''Soc . I risultati della simulazione 1 vengono riassunti nelle tabelle 4.5 e 4.6. Capitolo 4 '' Simulazioni __________________________________________________________________________________ 65 Strategia Delta SoC iniziale [%] Delta SoC finale [%] Delta V finale [mV] Tempo di bilanciamento [min] Energia dissipata [Wh] Efficienza [%] Vcell 10 0.5 1 62.69 0.025 94.31 OCV 10 0.5 1 62.68 0.025 94.18 Tabella 4.5 Risultai simulazione 1 nel caso di una sola cella scarica. Strategia Delta SoC iniziale [%] Delta SoC finale [%] Delta V finale [mV] Tempo di bilanciamento [min] Energia dissipata [Wh] Efficienza [%] Vcell 10 0.5 0.9 71.58 0.023 94.45 OCV 10 0.5 0.9 71.57 0.024 94.39 Tabella 4.6 Risultai simulazione 1 nel caso di una sola cela carica. Capitolo 4 '' Simulazioni __________________________________________________________________________________ 66 Simulazione 2 La seconda simulazione eseguita è stata effettuata su di un pacco sbilanciato al 10% intorno al 50%, sia nel caso con una sola cella più carica sia nel caso di una sola cella più scarica, applicando per entrambe le situazioni sia la selezione delle celle basandosi sulla Vcell, sia basandosi sull''OCV. Nei grafici di figura 4.12 sono mostrati gli andamenti delle tensioni di cella e della corrente di riequilibrio. Figura 4.12 Andamento delle tensioni e correnti di cella per il bilanciamento con Flying Capacitor_Vcell nel caso di una sola cella scarica. I risultati della simulazione 2 vengono riassunti nelle tabelle 4.7 e 4.8. Capitolo 4 '' Simulazioni __________________________________________________________________________________ 67 Strategia Delta SoC iniziale [%] Delta SoC finale [%] Delta V finale [mV] Tempo di bilanciamento [min] Energia dissipata [Wh] Efficienza [%] Vcell 10 0.5 1.6 282.6 0.005 98.83 OCV 10 0.5 1.6 282.6 0.005 98.81 Tabella 4.7 Risultai simulazione 2 nel caso di una sola cella scarica. Strategia Delta SoC iniziale [%] Delta SoC finale [%] Delta V finale [mV] Tempo di bilanciamento [min] Energia dissipata [Wh] Efficienza [%] Vcell 10 0.5 1.0 488.2 0.010 97.82 OCV 10 0.5 1.0 487.8 0.010 97.8 Tabella 4.8 Risultai simulazione 2 nel caso di una sola cella carica. Capitolo 4 '' Simulazioni __________________________________________________________________________________ 68 4.4 Simulazioni Riequilibrio con DC-DC. Simulazione 1 La prima simulazione eseguita è stata effettuata su di un pacco sbilanciato al 10% vicino allo zero, sia nel caso con una sola cella più carica sia nel caso di una sola cella più scarica, prendendo in entrambi i casi come grandezza di valutazione per selezionare le celle, prima la tensione di cella e successivamente l''OCV. Nella figura 4.13 sono mostrati gli andamenti delle tensioni di cella e della corrente di riequilibrio. Figura 4.13 Andamento delle tensioni e correnti di cella per il bilanciamento con DC-DC_Vcell nel caso di una sola cella scarica. Anche per questo sistema, come per il Flying Capacitor, le simulazioni sono state terminate quando il % 5 . 0 % = ''Soc . Capitolo 4 '' Simulazioni __________________________________________________________________________________ 69 I risultati della simulazione 1 vengono riassunti nelle tabelle 4.9 e 4.10. Strategia Delta SoC iniziale [%] Delta SoC finale [%] Delta V finale [mV] Tempo di bilanciamento [min] Energia dissipata [Wh] Efficienza [%] Vcell 10 0.5 10 30.68 0.98 71.74 OCV 10 0.5 10 28.98 0.93 71.79 Tabella 4.9 Risultai simulazione 1 nel caso di una sola cella scarica. Strategia Delta SoC iniziale [%] Delta SoC finale [%] Delta V finale [mV] Tempo di bilanciamento [min] Energia dissipata [Wh] Efficienza [%] Vcell 10 0.5 9.9 28.94 0.94 72.2 OCV 10 0.5 9.9 21.99 0.71 72.1 Tabella 4.10 Risultai simulazione 1 nel caso di una sola cella carica. Capitolo 4 '' Simulazioni __________________________________________________________________________________ 70 Simulazione 2 La seconda simulazione eseguita è stata effettuata su di un pacco sbilanciato al 10% intorno al 50%, sia nel caso con una sola cella più carica sia nel caso di una sola cella più scarica, prendendo in entrambi i casi come grandezza di valutazione per selezionare le celle, prima la tensione di cella e successivamente l''OCV. Nei grafici di figura 4.14 sono mostrati gli andamenti delle tensioni di cella e della corrente di riequilibrio. Figura 4.14 Andamento delle tensioni e correnti di cella per il bilanciamento con DC-DC_Vcell nel caso di una sola cella scarica. I risultati della simulazione 2 vengono riassunti nelle tabelle 4.11 e 4.12. Strategia Delta SoC iniziale [%] Delta SoC finale [%] Delta V finale [mV] Tempo di bilanciamento [min] Energia dissipata [Wh] Efficienza [%] Vcell 10 0.5 1.6 47.35 1.52 72.2 OCV 10 0.5 1.6 32.09 1.033 72.1 Tabella 4.11 Risultai simulazione 2 nel caso di una sola cella scarica. Capitolo 4 '' Simulazioni __________________________________________________________________________________ 71 Strategia Delta SoC iniziale [%] Delta SoC finale [%] Delta V finale [mV] Tempo di bilanciamento [min] Energia dissipata [Wh] Efficienza [%] Vcell 10 0.5 0.5 74.54 2.41 72.2 OCV 10 0.5 0.9 24.98 0.81 72.1 Tabella 4.12 Risultai simulazione 2 nel caso di una sola cella carica. 4.5 Considerazioni sui risultati. Data la grande diversità tra i sistemi di bilanciamento, non è possibile effettuare un vero e proprio confronto, ma attraverso i risultati delle simulazioni si possono effettuare alcune considerazioni su di essi e sulle principali caratteristiche che li contraddistinguono. Prendendo in considerazione i risultati della prima simulazione per il bilanciamento passivo, si può subito notare che i tempi di bilanciamento dipendono dalle condizioni di sbilanciamento del pacco. Infatti con una sola cella più scarica delle altre, il tempo di bilanciamento è di circa 470 minuti, nel caso di bilanciamento con una sola resistenza condivisa tra tutte le celle, sia che la strategia si basi sulla stima dell''OCV, sia che si basi sulla misura della Vcell. Usando la stessa strategia su di un pacco in cui si ha una sola cella più carica delle altre, i tempi si riducono a circa 40 minuti. Questo effetto è dovuto al fatto che con il bilanciamento passivo il riequilibrio avviene ad un livello di tensione basso, limitato dal valore della tensione della cella più bassa, quindi il tempo dipenderà da quante celle devono essere scaricate. Allo stesso modo varierà l''energia dissipata, che sarà maggiore quante più saranno le celle da scaricare. Un compromesso si può ottenere utilizzando un sistema che utilizzi una resistenza di bilanciamento dedicata per ogni cella. In questo modo, i tempi di bilanciamento diventano indipendenti dal numero di celle da scaricare, poiché il riequilibrio delle celle avviene in contemporanea, mentre Capitolo 4 '' Simulazioni __________________________________________________________________________________ 72 l''energia dissipata, crescerà con il numero di celle da bilanciare, rimanendo comunque dello stesso ordine di grandezza del caso di bilanciamento con resistenza dedicata. Per la seconda simulazione del bilanciamento passivo, in cui si ha il pacco con sbilanciamento del 10% intorno al 50%, valgono le considerazioni fatte per il caso precedente, si può notare una lieve riduzione dei tempi di bilanciamento, dovuta al leggero aumento della corrente, questo dovuto alla maggiore tensione di cella. Analizzando i risultati delle simulazioni per il sistema con Flying Capacitor, si può subito notare che in questo caso i tempi di bilanciamento e l''energia dissipata non dipendono dal rapporto tra numero di celle scariche e numero di celle cariche, come accadeva per il bilanciamento passivo, ma a differenza di quest''ultimo, dipendono da dove si trova il valor medio del SoC del pacco, infatti per il pacco il cui SoC è centrato intorno al 50%, i tempi di simulazione sono molto maggiori che nel caso di SoC vicino allo zero. Questo comportamento è dovuto al fatto che vicino allo 0 % di SoC la caratteristica SoC-OCV ha una pendenza forte, quindi ad una piccola variazione del SoC corrisponde una variazione di Vcell grande, mentre intorno al 50% il Soc ha una pendenza minore, quindi ad una piccola variazione del SoC, corrisponde una piccola variazione delle Vcell, quindi gli scambi di energia con il condensatore che sono proporzionali alla differenza tra tensione di carica e tensione di scarica del condensatore, saranno piccoli e quindi per spostare una certa quantità di carica da una cella all''altra occorrerà maggior tempo. Osservando i risultati delle simulazioni del sistema di bilanciamento con DC-DC, e facendo delle considerazioni analoghe a quelle fatte precedentemente per gli altri due sistemi, si nota subito che sia il tempo di bilanciamento che l''energia dissipata, variano leggermente tra i casi di SoC vicino allo zero e SoC centrato nel 50%, ma si può notare che in questo caso incide la strategia di bilanciamento, infatti per una strategia che basa le decisioni sulla misura della Vcell, il tempo di bilanciamento varia in funzione delle condizioni di SoC, mentre questo non avviene se la strategia è basata sulla tensione di OCV, infatti il tempo di bilanciamento e l''energia dissipata restano all''incirca invariate nelle due condizioni di simulazione. Basare la strategia di riequilibrio sulla tensione di OCV, non è però immediato come la misura della Vcell che può essere effettuata semplicemente con un ADC (anche se di elevate prestazioni), ma implica l''utilizzo di uno stimatore implementato su di un Capitolo 4 '' Simulazioni __________________________________________________________________________________ 73 microcontrollore o un DSP e quindi complica la realizzazione del BMS e ne aumenta i costi di realizzazione. L''energia dissipata durante il bilanciamento con DC-DC e quindi il rendimento di questo sistema dipendono dalla corrente media con cui viene caricato il condensatore, e questa viene determinata dalle soglie impostate nel controllore. Abbassare la corrente, fa aumentare il rendimento, ma fa aumentare anche il tempo di bilanciamento, quindi si deve trovare un compromesso. Per esempio, impostando una corrente media nel circuito pari a 0.6A, si otterrebbero dei tempi di riequilibrio di circa 40 minuti, comparabili con i tempi del metodo di bilanciamento passivo, ma con un efficienza vicina al 82%, ed una energia dissipata inferiore ad 1 Wh, contro i circa 6 Wh dissipati nel Passivo. Pensando ad un applicazione reale, in cui la capacità delle celle è elevata, per rendere i tempi di riequilibrio ragionevoli, sarà necessario utilizzare un sistema di riequilibrio, in cui energia dissipata nel caso passivo, oppure energia scambiata nel caso attivo devono essere elevate, questo implica elevate correnti medie assorbite dal circuito di bilanciamento. Per il bilanciamento passivo, aumentare la corrente assorbita vuol dire prevedere in fase di progetto delle resistenze di valore basso, che possano dissipare la potenza necessaria. Per il bilanciamento con DC-DC, il limite della corrente di bilanciamento è fissato dalla massima corrente che può circolare nei MOS che compongono il bridge, che sarà fissata in fase di progetto con la scelta dei componenti. Rimanendo sotto questo valore massimo di corrente, si può variare il valore della corrente, agendo sui parametri del controllore che pilota il bridge, avendo così la possibilità di scegliere di avere bassi tempi di riequilibrio a scapito del rendimento, oppure allungare i tempi, aumentando il rendimento. Per questo sistema incide molto sui risultati l''implementazione del controllo, infatti da simulazioni effettuate per il sistema con controllo isteretico e per il sistema con controllo PWM, si nota che applicando un controllo di quest''ultimo tipo l''efficienza di bilanciamento aumenta, arrivando a 80%, contro il 72% del caso con controllo isteretico applicato nelle stesse condizioni. Del sistema di bilanciamento con DC-DC con controllo isteretico, è stato realizzato un prototipo, la cui realizzazione e le cui prestazioni misurate in laboratorio, verranno discusse nel capitolo successivo. Capitolo 5 '' Prototipo bilanciamento con DC-DC __________________________________________________________________________________ 74 Capitolo 5 Realizzazione di un prototipo di circuito di bilanciamento attivo. In questo capitolo verrà descritta la realizzazione del prototipo di un circuito di bilanciamento attivo, basato sull''utilizzo di un convertitore DC-DC bidirezionale. 5.1 Convertitore DC-DC. Il circuito del convertitore DC-DC realizzato, è quello che è stato introdotto e commentato nel capitolo 2, ed il cui schema di principio è stato mostrato in figura 2.17. Qui di seguito viene mostrato lo schema circuitale (figura 5.1), ed elencati i componenti utilizzati. Figura 5.1 Schema circuitale convertitore DC-DC. Capitolo 5 '' Prototipo bilanciamento con DC-DC __________________________________________________________________________________ 75 COMPONENTE SIGLA/VALORE Bridge AAT4900 Induttanza 560 H µ SuperCap 2.5 F Rsense 25.5 ' m 0.1% Tabella 5.1 Elenco componenti. Il circuito integrato AAT4900, integra al suo interno un half bridge composto da due MOS-FET, uno a canale P per l''high side ed uno a canale N per il low side, entrambi a bassa Ron, e tutta la logica di controllo che serve al pilotaggio dei gate. Tale dispositivo è stato scelto per le ridotte dimensioni (package SOT23-5) e per la facilità di pilotaggio, infatti basta comandare i due ingressi di Enable e Clock per far funzionare il circuito. I valori assunti dall''uscita LX in funzione dello stato dei due ingressi CLK ed EN vengono riassunte nella tabella 5.2. EN CLK LX 0 0 HI-Z 1 0 VIN 0 1 HI-Z 1 1 GND Tabella 5.2 Valore assunto dall''uscita LX nelle varie condizioni di pilotaggio. Questo componente rende molto facile il controllo dato che la logica al suo interno implementa anche dead time per evitare l''accensione contemporanea dei due lati del ponte. La resistenza RSENSE è stata inserita in serie all''uscita LX, in modo da poter misurare la corrente che circola nel circuito, prelevando il segnale ai suoi capi attraverso un amplificatore da strumentazione. L''esigenza di misurare e controllare la corrente che circola nel circuito nasce dal fatto che la massima corrente sopportabile dai MOS che compongono il bridge è pari a 2 A. Capitolo 5 '' Prototipo bilanciamento con DC-DC __________________________________________________________________________________ 76 Dati i valori della capacità, dell''induttanza e delle tensioni di funzionamento, se per qualsiasi motivo si viene a creare una situazione in cui uno dei lati del bridge viene acceso per un tempo troppo lungo, la corrente supererà facilmente i 2 A, danneggiando irreparabilmente il MOS che attraversa. Per questo motivo è stato realizzato un circuito di controllo della corrente, in grado sia di prevenire il danneggiamento del bridge, sia di regolare la corrente che viene drenata dalle celle durante il riequilibrio. 5.2 Circuito di controllo della corrente. Per realizzare il circuito di controllo è stato realizzato un circuito di misura della corrente composto dalla RSENSE e da un amplificatore differenziale da strumentazione realizzato con amplificatori operazionali. Lo schema circuitale dell''amplificatore differenziale realizzato è mostrato nella figura 5.2. Figura 5.2 Amplificatore differenziale da strumentazione realizzato con 2 amplificatori operazionali. La tensione di uscita di questo circuito è espressa dall'' equazione 5.1. Capitolo 5 '' Prototipo bilanciamento con DC-DC __________________________________________________________________________________ 77 Vd Ad V Vu off ' + = 2 Equazione 5.1 Tensione di uscita. Dove ) ( '' + '' = RSENSE RSENSE V V Vd , rappresenta la tensione ai capi della RSENSE, ed Ad, rappresenta l''amplificazione differenziale, la cui espressione viene mostrata nell''equazione 5.2. ) 1 ( 2 Rg R Ad + ' = Equazione 5.2 Amplificazione differenziale. L''offset di tensione sull''uscita serve per poter misurare le correnti che circolano nella resistenza di sense in entrambi i sensi, utilizzando una sola tensione di alimentazione positiva per l''amplificatore da strumentazione. Il valore dell''amplificazione è stato fissato in modo che con un valore massimo di corrente nella RSENSE pari a 1.5A, la dinamica di uscita vada da 0 V al valore di Voff , centrata in 2 Voff . Quindi avendo scelto una V Voff 3 . 3 = , ed essendo la ' = m R SENSE 5 . 25 , si ottiene un valore 13 . 43 = Ad , scegliendo ' = k R 5 . 47 e ' = k Rg 3 . 2 . Scegliendo una tensione di offset, minore della tensione di alimentazione, è stata ridotta la dinamica di uscita dell''amplificatore, poiché non avendo alimentazione duale, la minima tensione di uscita possibile è 0 V, quindi la massima corrente misurabile dovrà provocare un escursione dell''uscita pari a 2 Voff , ma questo scelta è stata forzata dal fatto che la tensione di offset, impone un limite inferiore della tensione di modo comune in ingresso all''amplificatore differenziale, sotto il quale non si può scendere, questo perchè la tensione di uscita del primo operazionale sarà 2 2 1 Voff Vc Vout '' = , dove Vc indica la tensione di modo comune. Siccome la tensione minima in uscita dall''operazionale sarà pari a 0 V, la tensione di modo comune dovrà essere maggiore di 4 Voff . Capitolo 5 '' Prototipo bilanciamento con DC-DC __________________________________________________________________________________ 78 Se avessimo scelto V Voff 5 = , in modo da avere la massima dinamica di uscita, avremmo avuto un limite inferiore della tensione di modo comune pari a 1.25V, ma questo non andava bene per l''applicazione nel circuito in esame, poiché la tensione di modo comune è pari alla tensione ai capi del SuperCap, che si vuole poter scaricare fino alla tensione di 1V. Per questo motivo, è stata scelta una tensione V Voff 3 . 3 = , per avere un limite inferiore della tensione di modo comune inferiore ad 1V, nel nostro caso pari a 0.825V. Il Firmware del microcontrollore è stato scritto in modo da realizzare un controllo isteretico della corrente, generando i segnali di Enable e Clock che pilotano il bridge, con l''obiettivo di mantenere la corrente nel circuito tra le soglie fissate. Figura 5.3 Circuito di imposizione delle soglie. Il controllo viene eseguito utilizzando l''analog comparator del microcontrollore, andando a comparare la tensione in uscita all''amplificatore da strumentazione con delle soglie impostabili. Le soglie vengono determinate collegando la resistenza opportuna in parallelo ad R5, comandando a massa il corrispondente pin della porta B (Figura 5.3). Inoltre è stato implementato un sistema di protezione del bridge, realizzato mediante due comparatori, che comparano la tensione in uscita all''amplificatore da strumentazione con dei valori di tensione tali che se nella RSENSE scorre una corrente Capitolo 5 '' Prototipo bilanciamento con DC-DC __________________________________________________________________________________ 79 pari ad 1.5A, in entrambi i sensi, l''uscita del corrispondente comparatore va a zero, generando nel microcontrollore un interrupt esterna, che pone subito a zero il segnale di Enable impedendo la rottura del bridge (Figura 5.4). Figura 5.4 Sistema di protezione del Bridge. Capitolo 5 '' Prototipo bilanciamento con DC-DC __________________________________________________________________________________ 80 5.3 Descrizione del Firmware del controllore. In questo paragrafo verranno descritte le parti principali del firmware implementato, (il codice completo è contenuto nell''appendice B). Nella funzione main del programma, dopo aver impostato tutte le periferiche utilizzate e le variabili, si entra in un ciclo infinito mostrato qui di seguito. All''interno di questo ciclo vengono eseguite tramite l''ADC del microcontrollore le misure della tensione di batteria, della tensione ai capi del condensatore e la tensione in uscita all''amplificatore da strumentazione. Ogni volta che viene eseguita una lettura, il risultato della conversione viene inviato mediante la USART, ad un PC, sul quale è stata realizzata un''interfaccia di controllo con LabVIEW, che presenta sul pannello di controllo tre indicatori per visualizzare le misure delle tre grandezze sopra elencate e tre pulsanti per inviare i comandi al sistema. Capitolo 5 '' Prototipo bilanciamento con DC-DC __________________________________________________________________________________ 81 Effettuate le letture ed inviati i risultai tramite USART, il programma entra in una funzione di switch, nella quale sono definiti i due stati in cui il sistema si può trovare durante l''esecuzione che sono STBY e RUN. Lo stato in cui il sistema si trova di default, è lo stato STBY, nel quale il programma spedisce un carattere al PC tramite la USART, che identifica che il sistema si trova in quello stato, ed effettua un controllo sulla variabile Command, per verificare se sono stati ricevuti dei comando dal PC. Se è arrivato un comando dal PC, la variabile Command sarà uguale al carattere C, se è stato ricevuto il comando di Carica, oppure sarà uguale al carattere S, se è stato ricevuto il comando di Scarica ed in entrambi i casi il sistema inizierà a pilotare il bridge in modo da controllare la corrente. Capitolo 5 '' Prototipo bilanciamento con DC-DC __________________________________________________________________________________ 82 Quindi nella modalità di carica e scarica il programma per prima cosa abilita le interruzioni esterne del microcontrollore, dopodiché imposta il valore di alcune variabili che indicano lo stato in cui si trova il controllore: - Carica: indica che il sistema si trova nella fase di carica del SuperCap, quindi bisogna controllare la corrente in modo che si stabilizzi intorno al valore di 1 A, questo corrisponde ad una tensione in uscita all''amplificatore da strumentazione pari a 2,73 V. - Scarica: indica che il sistema si trova nella fase di scarica del SuperCap, quindi bisogna controllare la corrente in modo che si stabilizzi intorno al valore di -1A, questo corrisponde ad una tensione in uscita all''amplificatore da strumentazione pari a 572mV. - Rise: Se assume il valore 1 indica che la corrente nel circuito ha derivata positiva, cioè sta aumentando, se invece assume valore zero indica che la corrente ha derivata negativa, cioè sta diminuendo. A questo punto l''esecuzione del programma continua, imponendo attraverso la scrittura di un opportuno valore nel registro DDRB, con l''impostazione delle soglie di tensione che servono al controllo sull''ingresso dell''Analog Comparator e impostando il senso di attraversamento della soglia che genera l''interrupt del Comparatore Analogico. Dopo di questo, viene posto il segnale di Enable ad 1 ed il segnale di clock a 0 se si vuole iniziare la carica ed 1 per iniziare la scarica. La variabile STAUS viene posta uguale a RUN, in modo che all''iterazione successiva il sistema si porti in questo stato, dove effettua un controllo sul valore di Vc letto dall''ADC, in modo che la carica venga fermata quando V Vc 3 = e la scarica quando V Vc 1 = , ed invia al PC il carattere che indica se il sistema si trova nella fase di Carica oppure di Scarica. Alla fine del processo di caria e di scarica, Enable viene posto a zero e la variabile STATUS viene posta uguale a STBY, per riportare il sistema in questo stato, dove rimane fino all''arrivo di un nuovo comando. Capitolo 5 '' Prototipo bilanciamento con DC-DC __________________________________________________________________________________ 83 Il vero e proprio controllo, viene eseguito nella routine di interrupt, che viene richiamata ogni volta che il comparatore analogico genera un interrupt. Il controllo isteretico della corrente prevede che gli interrupt vengano generati da quattro eventi differenti: - Superamento in salita della soglia di corrente di 1.1A, corrispondente ad una tensione di uscita dell'' amplificatore da strumentazione di 2.84V. - Superamento in discesa della soglia di corrente di 0.9 A, corrispondente ad una tensione di uscita del amplificatore da strumentazione di 2.63V. - Superamento in salita della soglia di corrente di -1.1 A, corrispondente ad una tensione di uscita del amplificatore da strumentazione di 464mV. - Superamento in discesa della soglia di corrente di -0.9 A, corrispondente ad una tensione di uscita del amplificatore da strumentazione di 679mV. Capitolo 5 '' Prototipo bilanciamento con DC-DC __________________________________________________________________________________ 84 All''interno della routine di interrupt, viene effettuato un controllo sulle variabili Carica, Scarica e Rise, in modo da definire quale superamento di soglia ha generato l''interrupt e quindi quale azione intraprendere per impostare la nuova soglia correttamente e viene generato il segnale di clock in modo da accendere il lato giusto del bridge per invertire la derivata della corrente figura 5.5. Figura 5.5. Capitolo 5 '' Prototipo bilanciamento con DC-DC __________________________________________________________________________________ 85 5.4 Test e risultati sperimentali. Il prototipo realizzato, è stato utilizzato per effettuare dei test allo scopo di valutare l''efficienza del sistema di bilanciamento. Effettuando le simulazioni del modello Simulink del sistema, cambiando le impostazioni del controllore di corrente in modo da cambiare il valore della corrente media con cui viene caricato il SuperCap, si riscontra una variazione dell''efficienza che ha l''andamento mostrato in figura 5.6. Figura 5.6 Andamento dell''efficienza in funzione della corrente di carica del SuperCap. Quindi nel caso in esame, in cui la corrente controllata assume un valor medio compreso tra 0.9A ed 1.1A, l''efficienza aspettata sarà vicina al 72%. Nella figura 5.7 viene mostrata una foto del prototipo e dell''interfaccia PC. Il set-up per la misura del rendimento energetico, è stato realizzato, come mostrato nello schema a blocchi di figura 5.8. Capitolo 5 '' Prototipo bilanciamento con DC-DC __________________________________________________________________________________ 86 Figura 5.7 Prototipo del sistema DC-DC ed interfaccia PC. Figura 5.8 Set-up di misura. Per il calcolo dell''efficienza, sono stati acquisiti i dati relativi a tensione e corrente erogati dall''alimentatore, sull''uscita sulla quale viene generata la tensione di batteria, durante un ciclo di carica e scarica del SuperCap le forme d''onda vengono mostrate in figura 5.9, in cui la traccia rosa indica la Vbatt, la traccia viola la tensione di uscita dell''amplificatore da strumentazione, la traccia verde la corrente erogata dal generatore e la traccia gialla la tensione ai capi del SuperCap.. Capitolo 5 '' Prototipo bilanciamento con DC-DC __________________________________________________________________________________ 87 Figura 5.9 Forme d''onda acquisite durante il test. I dati acquisiti sono stati elaborati in MatLab in modo da calcolare l''energia erogata nella fase di carica del condensatore ed assorbita dal carico durante la fase di scarica, il rapporto tra queste rappresenta l''efficienza del sistema (Equazione 5.3). I V P ' = ' '' '' ' '' = ) ( t P Pdt E Ecarica Esarica = η Equazione 5.3 Formule usate per calcolare l''efficienza. Dove V e I indicano i valori dei campioni acquisiti e t '' indica l''intervallo di campionamento. Nella figura 5.10 viene mostrato il grafico della corrente erogata dall''alimentatore. Figura 5.10 Corrente erogata. Capitolo 5 '' Prototipo bilanciamento con DC-DC __________________________________________________________________________________ 88 Come si può vedere in figura, il valore della corrente risulta leggermente inferiore rispetto al valore atteso, questo è dovuto alle oscillazioni che si hanno sulla corrente, dovute principalmente agli elementi parassiti introdotti dai cavi utilizzati per montare il set-up, e si presume di poterla diminuire montando tutti i componenti su di una unica scheda, riducendo al massimo le distanze tra i componenti. Dalle misure si è ottenuto un valore di rendimento pari al 73.03%, leggermente superiore al valore atteso, ma questo valore è comunque in linea con i valori simulati per i valori di corrente effettivi. Capitolo 5 '' Prototipo bilanciamento con DC-DC __________________________________________________________________________________ 89 5.5 Confronto dei risultati ottenuti. Dando uno sguardo ai risultati trovati in letteratura per altri sistemi di bilanciamento, sono stati presi ad esempio due sistemi presentati nel capitolo 2, che effettuano il riequilibrio utilizzando dei convertitori DC-DC. Il primo di questi due sistemi, utilizza un convertitore DC-DC flyback [4] per effettuare un riequilibrio pacco-cella. L''autore afferma di aver effettuato le simulazioni con un PC ed un test sperimentale di riequilibrio, per un pacco formato da 4 celle, di cui 3 con un SoC iniziale del 62% ed una con SoC iniziale del 40%. Il sistema analizzato nell''articolo è mostrato in figura 5.11, in cui gli SSR rappresentano dei relè allo stato solido, che sono stati considerati ideali durante l''analisi. Figura 5.11 Sistema utilizzato per il test [4]. La prova è stata effettuata drenando una corrente dal pacco, per effettuare il bilanciamento di 350 mA, che dati il rapporto spire dei trasformatori dichiarato (23:7), genera una corrente di riequilibrio nella cella più scarica di circa 1.15 A. Capitolo 5 '' Prototipo bilanciamento con DC-DC __________________________________________________________________________________ 90 I risultati dichiarati per questa prova sono: - Tempo di bilanciamento 70 '' min. - Efficienza di bilanciamento 75%. Il secondo sistema, utilizza un convertitore DC-DC bidirezionale [5] per effettuare un riequilibrio cella-cella, utilizzando un convertitore per ogni coppia di cella. L''autore afferma di aver effettuato delle simulazioni con PSpice e dei test di laboratorio, per un batteria formata da tre celle con tensioni iniziali di 4.0, 3.5 e 3 V rispettivamente. Per le simulazioni le celle sono state sostituite da condensatori da 5 mF con una ERS di 10 ' m , mentre il set-up utilizzato per i test viene mostrato nella figura 5.12. Figura 5.12 Set-up utilizzato per il test [5]. I risultati ottenuti per il bilanciamento delle 3 celle, effettuato con una corrente media nell''induttore del convertitore DC-DC di 950 mA, mostrano un''efficienza di bilanciamento vicina all''80%. Tenendo conto del fatto che questi risultati dipendono dalle condizioni in cui sono stati calcolati e dalle approssimazioni fatte, non si possono confrontare direttamente con i risultati ottenuti nelle misure di laboratorio, ma visto che i valori non distano molto, è possibile ritenere soddisfacenti i risultati ottenuti, tenendo oltretutto presente che è lecito prevedere un aumento delle prestazioni in seguito alla realizzazione finale del sistema, e con l''implementazione di un controllo di corrente più efficace di quello isteretico usato per il prototipo. Conclusioni __________________________________________________________________________________ 91 Conclusioni La realizzazione della piattaforma software di simulazione fornisce un valido ausilio allo sviluppo ed alla progettazione dei sistemi di riequilibrio di pacchi batteria. Attraverso il suo utilizzo è stato possibile confrontare vari modelli di circuito, applicandovi differenti strategie di bilanciamento, allo scopo di valutarne l''efficienza energetica. La piattaforma di simulazione, offre inoltre la possibilità di simulare cicli di carica e scarica della batteria, seguiti dalla fase di riequilibrio, in modo tale da rendere possibile l''analisi del sistema. Inoltre è stato presentato un circuito di bilanciamento attivo, che implementa il bilanciamento cella-cella, utilizzando un convertitore DC-DC. La realizzazione del prototipo di questo circuito di bilanciamento attivo ha permesso di verificare, attraverso le misurare, i risultati ottenuti dalle simulazioni del suo modello, in particolare andando a misurare l''efficienza di scambio di energia. Dalle simulazioni effettuate, è inoltre emersa una dipendenza dell''efficienza, dal metodo di controllo e di pilotaggio del convertitore DC-DC. Per questo motivo sarà interessante negli sviluppi futuri, testare differenti tipi di controllo. In previsione di questo il prototipo, testato con una strategia di controllo di tipo isteretico, è stato realizzato in modo tale da poter realizzare un controllo di tipo PWM, semplicemente modificando il firmware del microcontrollore. Applicando questo tipo di controllo, l''aspettativa è quella di un incremento dell''efficienza del sistema di circa 7-9%, portando l''attuale valore del 73% intorno all''80%. Bibliografia __________________________________________________________________________________ 92 Bibliografia [1] Ali Emadi, Young Joo Lee and Kaushik Rajashekara, ''Power Electronics and Motor Drives in Electric, Hybrid Electric, and Plug-In Hybrid Electric Vehicles', IEEE 2008. [2] Stephen W. Moore, Peter J. Schneider, ''A Review of Cell Equalization Methods for Lithium Ion and Lithium Polymer Battery Systems', IEEE 2001. [3] Nasser H. Kutkut, ''Non-dissipative current diverter using a centralized multi- winding trasformer', IEEE 1997. [4] Hong-Sun Park, Chong-Eun Kim, Gun-Woo Moon, Joong-Hui Lee and Jeon Keun Oh, ''Charge Equalization with Series Coupling of Multiple Primary Windings for Hybrid Electric Vehicle Li-Ion Battery System' , IEEE 2007. [5] Yuang-Shung Lee and Guo-Tian Cheng, ''Quasi-Resonant Zero-Current- Switching Bidirectional Converter for Battery Equalization Applications', IEEE 2006. [6] Emanuele Leonardi, ''Studio e caratterizzazione di celle litio polimero per
applicazioni su veicoli ibridi ed elettrici', 2010. Appendice A __________________________________________________________________________________ 93 Script Configurazione ''Pacco_EQ.m' %Load parameters run('Parametri4'); %% %Init battery m = 0; run('Battery_creator'); %set initial SOC %a = 0; %lower limit %b = 10; %upper limit %S = a+(b-a).*rand(n,1); %clear a b; %% %Define Simulation Cicli = 0; % number of charge/discharge cycles before balancing semicicli = Cicli * 2; EQHL = 1; % 0 Balance at the end of charge; 1 Balance at the end
of discharge Control = 3; %set balancing methodology: 1 all cells, 2 one cell, 3
one cell OCV control soglia=0.02; %set limit for stop simulation in Volts Ic = 1.5; %charge current Id = 1.5; %discharge current Hw_Power = 0; %Hardware power consumption [W] %Set Switch Ron=10^-1; SN=0; %number of switching to set the cell %set Passive %level = ((min(S)*1.5)/100)+2.7; %set balance level [V] %level = 3.27; %set balance level [V] level = 3.77; %set balance level [V] Rbalance= 15; %Set balance Resistence [Ohm] Rdson = 10^-1; %Settings Flying Capacitor C=2.5; %Capcity in Farad ESR=53*10^-3; %Parasitic resistance of the capacitor R=ESR+(SN*Ron); %Total resistance tauC = C*R; PER=6*tauC; %Settings DCDC SC=2.5; %Capcity in Farad of the Super Capacitor SCESR=53*10^-3; Vcmax=3; Vcmin=1; L=560*10^-6; %Inductance in Henry LESR=140*10^-3; Appendice A __________________________________________________________________________________ 94 R1=SCESR+LESR; %Parasitic Resitsence of Sopercap+Inductor Rtot=SN*Ron; PERSW=10*10^-6; %Switching Frequency dt=40*10^-9; %Dead Time ronp=130*10^-3; %Ron MosP ronn=105*10^-3; %Ron MosN Imin=0.9; %Imin for Isteretic Control Imax=1.1; %Imax for Isteretic Control %% %Set Thermal condition Term = 0; % 1 term. on 0 term off Tamb = [0 25]; T = [0 25]; Appendice A __________________________________________________________________________________ 95 Script Configurazione ''Battery_creator.m' %set cells number n = 14; Z = ones(1,n)*3.5; %set cells capacity Cc = [1.418199 1.371722 1.404292 1.372382 1.383596 1.393463 1.397998 1.413961 1.396881 1.408605 1.411707 1.387693 1.418329 1.389805 ]; %Cc = 1.3978; %a = 0.0156; % standard deviation %b = 1.3978; % mean %Cc = a.*rand(n,1)+b; %clear a b; %Cc=zeros(n,1); %for i=1:n % Cc(i,1)=1.397998; % i=i+1; %end %set R self discharge Rsd = [4.817E+005 1.565E+007 2.107E+007 3.459E+007 3.413E+007 2.107E+007 2.669E+007 3.658E+006 3.500E+007 3.511E+007 1.556E+006 2.004E+007 5.237E+007 5.378E+007 ]; %3.459E+007 %a = 1.6883e+007; % standard deviation %b = 2.5371e+007; % mean %Rsd = abs(a.*randn(n,1)+b); %clear a b; %m=0; Appendice A __________________________________________________________________________________ 96 %Rsd = zeros(n,1); %for k=1:m+1 % Rsd(k,1)=2.107E+005; % k=k+1; %end %for k=m+1:n % Rsd(k,1)=2.107E+007; % k=k+1; %end %set SOC S = [0 2.081 2.130 2.122 2.132 2.120 2.136 1.894 2.145 2.155 1.491 2.112 2.174 2.150];
%a = 0; %lower limit %b = 0; %upper limit %S = a+(b-a).*rand(n,1); %clear a b; %set R therm. Rtherm = 14.7; Rtb = 1; clear i k m;
Appendice B __________________________________________________________________________________ 97 Firmware del microcontrollore Appendice B __________________________________________________________________________________ 98 Appendice B __________________________________________________________________________________ 99 Appendice B __________________________________________________________________________________ 100 Appendice B __________________________________________________________________________________ 101 Appendice C __________________________________________________________________________________ 102 Schematico e master del prototipo


Appendice C __________________________________________________________________________________ 103


© Eiom - All rights Reserved     P.IVA 00850640186