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POWER 8 - giugno 2015
XXI
BATTERIE
Mobilità sempre più spinta e conformità ai severi vinco-
li ambientali sono i tratti distintivi dei moderni dispositivi
elettronici. I progressi compiuti nel campo delle batterie
stanno favorendo la diffusione di tali caratteristiche in
un’ampia gamma di prodotti, dagli utensili portatili ai vei-
coli elettrici ibridi plug-in (ovvero che utilizzano energia
elettrica prelevata in parte dalla rete che viene accumulata
in apposite batterie) agli altoparlanti wireless. Negli ultimi
anni l’efficienza di una batteria in termini di quantità di
potenza erogata rispetto a dimensioni e peso della stessa è
notevolmente migliorata. Si pensi ad esempio all’ingombro
e al peso di una batteria per auto, il cui compito principale
è l’avviamento del mezzo. Grazie all’evoluzione tecnologi-
ca, è ora possibile acquistare una batteria a ioni di litio per
l’avviamento rapido di un’autovettura del peso inferiore al
chilo e di dimensioni pari a quelle di una mano.
Le trasformazioni in atto nel settore delle batterie hanno
spinto molti progettisti a interessarsi delle problematiche
inerenti allo sviluppo dei sistemi per la gestione delle batte-
rie. Lo scopo di questo articolo è fornire una sorta di “guida
introduttiva” alle architettura dei sistemi BMS (Battery Ma-
nagement System), esaminare i principali blocchi funzio-
nali di questi sistemi e illustrare il ruolo di ciascun blocco
componente.
Architettura di un sistema BMS
Un sistema per la gestione della batteria (il cui schema a
blocchi è riportato in Fig. 1) è formato da numerosi blocchi
funzionali: FET di interdizione (cut-off FET), monitor del
livello di carica della batteria (fuel gauge), monitor della
tensione di cella, circuito per il bilanciamento della tensio-
ne delle celle, RTC (Real Time Clock), monitor della tem-
peratura e una macchina a stati. Sul mercato sono disponi-
bili diversi integrati per la gestione della batteria. Il numero
e la tipologia dei blocchi funzionali variano sensibilmente,
si va da un semplice front end analogico (AFE) per la ge-
stione della batteria come ad esempio ISL94208, che preve-
de funzionalità di bilanciamento e monitoraggio e richiede
la presenza di un microcontrollore a soluzioni integrate in
grado di operare in maniera autonoma (che non richiede
quindi un microcontrollore) come ad esempio ISL94203.
Nel seguito saranno analizzati i compiti cui è preposto cia-
scun blocco e le relative tecnologie, esaminando i punti di
forza e di debolezze di ciascuna di esse.
Il ruolo dei FET e dei relativi driver
Il circuito per il pilotaggio del FET (FET driver) è preposto
alla gestione della connessione del pacco batteria e dell’iso-
lamento tra il carico e il carica-batteria. Il comportamento
del driver è basato sulle misure eseguite sulle tensioni delle
celle delle batterie, sulle misure della corrente e sul circuito
di rilevamento operante in tempo reale. Nelle figure 2(a) e
2(b) sono riportati due diversi tipi di collegamento dei FET
tra il carico e il carica-batteria e il pacco batteria.
Il collegamento riportato in figura 2(a) richiede il minor
numero di connessioni al pacco batterie e permette a
quest’ultimo di operare solo in modalità di carica, scarica
o “sleep”. Lo stato del dispositivo è determinato dalla di-
rezione del flusso di corrente e dal comportamento di un
test specifico condotto in real time. ISL94203, per esempio,
dispone di un monitor di canale (pin CHMON) che ha il
compito di monitorare la tensione sul lato destro dei FET di
interdizione. Se un caricabatteria è collegato e il pacco bat-
terie è isolato da esso, la corrente che viene iniettata verso
il pacco batterie provocherà un aumento della tensione a
Ryan Roderick
Principal electrical engineer
IntersilAnalisi di un sistema
per la gestione delle batterie
Un attento esame dei requisiti e degli obiettivi in termini di durata della batteria aiuta a
determinare l’architettura, i blocchi funzionali e i circuiti integrati necessari alla realizzazione
di un sistema per la gestione della batteria e di uno schema di carica ottimizzati
Power