La presente relazione descrive il progetto del prototipo del sistema elettronico di monitoraggio e gestione (BMS) per un modulo composto da 4 celle al litio (LiFePO4). Benché il sistema sia destinato a gestire una ben precisa tipologia di celle con finalità dimostrative, la progettazione ha tenuto conto della possibilità di adattarsi a celle di diversa taglia (30, 60 e 100 Ah), con diverse funzioni (avviamento o trazione), realizzando moduli componibili per la realizzazione di batterie composte da un numero di celle fino a 16. Uno dei punti qualificanti dell’architettura scelta è la sua modularità e flessibilità, per cui si può usare la stessa organizzazione architetturale per ottenere un BMS per il controllo di batterie con diverse tipologie e partizionamento delle celle. Il sistema progettato presenta inoltre come caratteristica saliente la possibilità di svolgere la funzione di equalizzazione dello stato di carica delle celle in modo attivo, con trasferimenti di carica tra le celle ad alta efficienza, piuttosto che limitarsi a dissipare in calore l'energia contenuta nelle celle più cariche, come normalmente avviene nella maggior parte dei sistemi commercialmente disponibili. Nella relazione viene descritta l'architettura implementata, motivando la selezione dei principali componenti adottati. Nei successivi paragrafi è presentato il progetto elettrico, con la spiegazione del funzionamento delle principali sezioni in cui è articolato e quindi il progetto geometrico, in cui sono individuate e descritte le interfacce, con le celle e con l'esterno, dell'unica scheda elettronica che implementa il sistema. Il progetto del BMS fa uso di dispositivi programmabili, che garantiscono versatilità e possibilità di adeguamento del sistema a variazione di specifiche e all'uso di diversi tipi di cella, secondo le diverse applicazioni a cui i moduli saranno dedicati. Quindi le ultime tre parti della descrizione delle attività descrivono il software sviluppato per la prima validazione del sistema e distribuito secondo tre livelli gerarchici funzionali: un primo livello dedicato alla programmazione del dispositivo logico programmabile (PLD) al cui hardware sono affidate funzioni di sicurezza intrinseca nell'attivazione di interconnessioni interne che coinvolgono le celle; un secondo livello con il firmware di scheda in grado di svolgere funzionalità basiche di acquisizione e controllo; un terzo livello, per il momento affidato a un personal computer esterno, ma destinato a essere incorporato nel firmware della scheda che gestisce il modulo “master”, con funzioni di visualizzazione e che ospita gli algoritmi più evoluti per la stima dello stato di carica e per il bilanciamento tra le celle.

Sviluppo di un BMS (Battery Management System) con sistema di bilanciamento attivo per sistema batterie al LiFePO4 da 48 Vn - 100 Ah

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2012-09

Abstract

La presente relazione descrive il progetto del prototipo del sistema elettronico di monitoraggio e gestione (BMS) per un modulo composto da 4 celle al litio (LiFePO4). Benché il sistema sia destinato a gestire una ben precisa tipologia di celle con finalità dimostrative, la progettazione ha tenuto conto della possibilità di adattarsi a celle di diversa taglia (30, 60 e 100 Ah), con diverse funzioni (avviamento o trazione), realizzando moduli componibili per la realizzazione di batterie composte da un numero di celle fino a 16. Uno dei punti qualificanti dell’architettura scelta è la sua modularità e flessibilità, per cui si può usare la stessa organizzazione architetturale per ottenere un BMS per il controllo di batterie con diverse tipologie e partizionamento delle celle. Il sistema progettato presenta inoltre come caratteristica saliente la possibilità di svolgere la funzione di equalizzazione dello stato di carica delle celle in modo attivo, con trasferimenti di carica tra le celle ad alta efficienza, piuttosto che limitarsi a dissipare in calore l'energia contenuta nelle celle più cariche, come normalmente avviene nella maggior parte dei sistemi commercialmente disponibili. Nella relazione viene descritta l'architettura implementata, motivando la selezione dei principali componenti adottati. Nei successivi paragrafi è presentato il progetto elettrico, con la spiegazione del funzionamento delle principali sezioni in cui è articolato e quindi il progetto geometrico, in cui sono individuate e descritte le interfacce, con le celle e con l'esterno, dell'unica scheda elettronica che implementa il sistema. Il progetto del BMS fa uso di dispositivi programmabili, che garantiscono versatilità e possibilità di adeguamento del sistema a variazione di specifiche e all'uso di diversi tipi di cella, secondo le diverse applicazioni a cui i moduli saranno dedicati. Quindi le ultime tre parti della descrizione delle attività descrivono il software sviluppato per la prima validazione del sistema e distribuito secondo tre livelli gerarchici funzionali: un primo livello dedicato alla programmazione del dispositivo logico programmabile (PLD) al cui hardware sono affidate funzioni di sicurezza intrinseca nell'attivazione di interconnessioni interne che coinvolgono le celle; un secondo livello con il firmware di scheda in grado di svolgere funzionalità basiche di acquisizione e controllo; un terzo livello, per il momento affidato a un personal computer esterno, ma destinato a essere incorporato nel firmware della scheda che gestisce il modulo “master”, con funzioni di visualizzazione e che ospita gli algoritmi più evoluti per la stima dello stato di carica e per il bilanciamento tra le celle.
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: http://hdl.handle.net/20.500.12079/6488
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