Se hai mai rimosso gli strati di una batteria agli ioni di litio, come quelle che alimentano il tuo telefono, laptop o lo scooter elettrico che usi per andare al lavoro, probabilmente hai notato piccoli circuiti nascosti tra le celle della batteria. Questi non sono solo componenti aggiuntivi casuali; sono i centri nevralgici del sistema di batterie e per chiunque lavori con i circuiti integrati di gestione delle batterie (BMIC), una domanda si pone continuamente: i circuiti integrati di gestione delle batterie monitorano le correnti delle singole celle?
In qualità di responsabile tecnico presso un fornitore di circuiti integrati per la gestione delle batterie, pongo questa domanda almeno una volta alla settimana a ingegneri che progettano di tutto, dai piccoli gadget di consumo ai sistemi di accumulo di energia industriale. La risposta breve è: dipende dal tipo di circuito integrato, ma per capire perché è necessario analizzare il funzionamento delle batterie, cosa significano le correnti per la salute delle cellule e quali caratteristiche BMIC forniscono effettivamente un valore reale. Entriamo in questo, senza gergo eccessivamente tecnico, solo intuizioni pratiche che ho acquisito lavorando con questi componenti per anni.
Per prima cosa chiariamo cosa significa “corrente della singola cella”. Un pacco batteria è quasi sempre costituito da più celle collegate in serie o in parallelo. Le celle in serie condividono la stessa corrente (si pensi all'acqua che scorre attraverso un singolo tubo), mentre le celle in parallelo dividono la corrente come l'acqua attraverso più tubi. Se monitori solo la corrente totale che fluisce dentro o fuori dall'intero pacco, stai volando alla cieca. Una singola cella nella stringa in serie potrebbe sovraccaricarsi o scaricarsi eccessivamente, anche se la corrente totale del pacco sembra normale. Ad esempio, se una cella ha una resistenza interna più elevata, potrebbe richiedere più corrente di altre durante la ricarica, causando surriscaldamento o guasto prematuro, qualcosa che potrebbe trasformare una batteria da 50 dollari in un pericolo di incendio.
Quindi, tutti i BMIC tengono traccia delle correnti delle singole celle? La risposta rapida è no. Alcuni sono progettati per applicazioni più semplici in cui il costo è fondamentale ed è sufficiente il monitoraggio della corrente totale. Ma per i sistemi che richiedono sicurezza, longevità e prestazioni, il monitoraggio della corrente delle singole celle è una caratteristica non negoziabile. Analizziamo i tipi BMIC comuni e ciò che effettivamente monitorano, poiché è lì che di solito inizia la confusione.
Prendiamo ad esempio il Battery Protector Chip. Questi sono i cavalli di battaglia per le piccole batterie di consumo, come quelle degli auricolari wireless o dei power bank. Il loro compito principale è la sicurezza di base: interrompere la ricarica se la tensione è troppo alta, interrompere la scarica se la tensione è troppo bassa e interrompere la corrente in caso di cortocircuito. Ora, tengono traccia delle correnti delle singole cellule? La maggior parte delle volte no. Monitorano la corrente totale del pacco (tramite un piccolo resistore di rilevamento) e si basano sulle letture della tensione delle singole celle per segnalare i problemi. Perché? Perché le celle piccole e a bassa capacità raramente presentano il tipo di squilibri di corrente che vedresti in gruppi più grandi. Ma aspetta: c'è un'eccezione. Se disponi di un pacco con più celle parallele, anche piccole, alcuni chip avanzati di protezione della batteria includono il monitoraggio della corrente di base per le stringhe parallele per garantire che ciascuna stringa sopporti lo stesso carico. Questo piccolo dettaglio può fare la differenza tra una batteria che dura un anno e una che ne dura tre.
Successivamente, l'IC del caricabatteria. Questi sono focalizzati sulla regolazione del modo in cui l'energia fluisce nel pacco batteria. Il loro compito principale è fornire la giusta tensione e corrente per caricare le celle senza danneggiarle. Monitorano le correnti delle singole celle? Ancora una volta, dipende dalla complessità. I circuiti integrati per caricabatterie di base funzionano con la corrente totale del pacco, ma i modelli di fascia alta per telefoni a ricarica rapida o e-bike integreranno il monitoraggio della corrente delle singole celle per regolare la velocità di ricarica in tempo reale. Ad esempio, se una cella di una stringa in serie è più calda delle altre, il caricabatterie può ridurre la corrente su quella cella per evitare il surriscaldamento, mantenendo il resto del pacco in carica normalmente. Ecco perché i caricabatterie veloci non si limitano a ricaricare velocemente, ma mantengono le batterie al sicuro.
Ora, i monitor della batteria e il chip di bilanciamento. È qui che il monitoraggio della corrente delle singole celle brilla davvero. Questi circuiti integrati sono progettati per pacchi con dozzine di celle in serie, come veicoli elettrici (EV) o sistemi residenziali di accumulo di energia solare. Il loro compito è duplice: monitorare lo stato di ciascuna cella (tensione, temperatura, ecc.) e bilanciare le celle per garantire che si carichino e si scarichino in modo uniforme. Per bilanciare le celle, è necessario conoscere non solo la loro tensione, ma anche la quantità di corrente che ciascuna assorbe o eroga. Ad esempio, se la cella 1 è a 4,2 V e la cella 2 è a 4,0 V durante la carica, il bilanciatore dirigerà corrente extra alla cella 2, ma solo se sa che la cella 2 può gestire quella corrente extra senza surriscaldarsi. Senza i dati sulla corrente della singola cella, il bilanciatore potrebbe sovraccaricare accidentalmente la cella 2. Ecco perché, per le applicazioni ad alto rischio, i monitor della batteria e i chip di bilanciamento includono quasi sempre il monitoraggio della corrente della singola cella come caratteristica principale.
Poi c'è il chip di monitoraggio del livello della batteria. Questi sono quelli che vedi nell'indicatore della batteria del tuo telefono, che ti dicono quanta carica è rimasta. Per calcolare lo stato di carica (SoC), sono necessari dati accurati sulla quantità di corrente che entra ed esce da ciascuna cella nel tempo: questo è chiamato conteggio di Coulomb. Se conti solo la corrente totale del pacco, otterrai un SoC impreciso a causa degli squilibri delle celle. Ad esempio, se una cella mantiene più carica di altre, la corrente totale del pacco nasconderà tale discrepanza, portando l'indicatore a indicare il 50% quando la cella più scarica è già allo 0%. Questo è un problema per le applicazioni in cui contano letture accurate della potenza, come i droni che devono sapere esattamente quando atterreranno. Pertanto, anche se i chip di monitoraggio del livello della batteria potrebbero non avere un monitoraggio completo della corrente come i chip di bilanciamento, molti di essi integrano il rilevamento della corrente delle singole celle per le celle critiche per migliorare la precisione del SoC.
E non dimentichiamo i circuiti integrati di autenticazione della batteria, che stanno diventando sempre più importanti man mano che le batterie contraffatte invadono il mercato. Questi circuiti integrati non monitorano sempre la corrente, ma funzionano mano nella mano con altri BMIC. Una batteria contraffatta potrebbe affermare di avere una certa capacità, ma se utilizza celle di bassa qualità che non sono in grado di gestire correnti elevate, l'IC di autenticazione può accoppiarsi con un BMIC di monitoraggio della corrente per segnalare quando la batteria viene spinta oltre i suoi limiti. Questo è un altro modo in cui i dati attuali delle singole cellule aggiungono valore oltre la semplice sicurezza e longevità.
Ora ti starai chiedendo: perché questo è importante per il mio progetto? Se stai progettando un power bank a basso costo con due piccole celle, potrebbe essere sufficiente un chip di protezione della batteria di base che monitora la corrente totale e la tensione della cella. Ma se stai costruendo un pacco batterie per veicoli elettrici con 96 celle o un sistema di accumulo solare che deve durare 10 anni, hai bisogno di un BMIC in grado di monitorare le correnti delle singole celle. La differenza di costo non è così grande, di solito pochi centesimi per cella, ma il vantaggio è enorme: meno guasti alla batteria, maggiore durata del sistema e meno rischi di incidenti di sicurezza.
Ho visto questo in prima persona con un cliente che stava progettando una piccola e-bike. Inizialmente hanno utilizzato un caricabatterie in CI di base che monitorava solo la corrente totale del pacco. Dopo alcuni mesi, iniziarono a ricevere resi perché alcune batterie si scaricavano dopo 6 mesi, anche se i loro test dicevano che le celle avrebbero dovuto durare 2 anni. Quando sono passati a un dispositivo di monitoraggio della batteria e un chip di bilanciamento con monitoraggio della corrente delle singole celle, hanno scoperto che una cella in ciascun pacco assorbiva il 20% di corrente in più rispetto alle altre durante la ricarica, con conseguente degrado prematuro. Risolvere questo problema con il bilanciamento basato sulla corrente ha ridotto il tasso di fallimento del 90% da un giorno all'altro. Non si tratta di una vittoria da poco: per un piccolo marchio di biciclette elettriche, i resi possono farti fallire.
Un altro malinteso comune: alcuni ingegneri pensano che il monitoraggio delle correnti delle singole celle richieda cablaggi complicati o componenti costosi. I moderni BMIC integrano piccoli resistori di rilevamento ad alta precisione direttamente nel chip, quindi non è necessario aggiungere parti extra al progetto. Ad esempio, molti monitor batteria e chip di bilanciamento dispongono di canali di rilevamento della corrente integrati per ciascuna cella, quindi tutto ciò che devi fare è collegare un singolo resistore esterno per la corrente totale e il chip gestirà il resto. Ciò semplifica la progettazione e riduce lo spazio sulla scheda, fondamentale per i gadget compatti.
Ora, affrontiamo i casi limite. Cosa succede se hai celle parallele? Come ho detto prima, le celle in serie condividono la corrente, ma le celle parallele la dividono. Se hai due celle parallele in una stringa in serie, devi monitorare la corrente per ciascuna stringa parallela per assicurarti che non sopportino carichi disuguali. Se una cella parallela ha una resistenza interna maggiore, trasporterà meno corrente, lasciando l'altra a lavorare di più, con conseguente usura irregolare. Alcuni chip avanzati di protezione della batteria, monitoraggio della batteria e chip di bilanciamento includono il monitoraggio della corrente delle stringhe parallele esattamente per questo scenario. È una funzionalità piccola, ma previene molti errori evitabili.
Quindi, per tornare alla nostra domanda iniziale: i circuiti integrati di gestione della batteria monitorano le correnti delle singole celle? La risposta è: dipende dal tipo di circuito integrato, ma per qualsiasi applicazione che richieda sicurezza, precisione e longevità, la risposta è quasi sempre sì, almeno per alcune celle, se non per tutte. I BMIC di base per le app a basso consumo lo saltano, ma i BMIC di fascia medio-alta per l'elettronica di consumo, i veicoli elettrici e lo stoccaggio di energia integrano il monitoraggio della corrente delle singole celle come caratteristica standard o chiave.
Se non sei sicuro di quale sia il BMIC adatto al tuo progetto, l'approccio migliore è iniziare con i requisiti della tua applicazione. Chiediti: qual è la capacità della batteria? Quante celle sono in serie o in parallelo? Qual è la corrente massima che dovrà erogare? Quanto sono importanti la sicurezza e la longevità? Ad esempio, se stai progettando una custodia per cuffie wireless con 2 piccole celle, potrebbe essere sufficiente un chip di protezione della batteria di base. Se stai progettando un elettroutensile con celle della serie 18, ti servirà un monitor della batteria e un chip di bilanciamento con monitoraggio della corrente individuale.
Nella nostra azienda, abbiamo dedicato anni a perfezionare i BMIC che bilanciano prestazioni e costi, in modo da non dover spendere troppo per funzionalità che non ti servono o lesinare su funzionalità che potrebbero creare o distruggere il tuo prodotto. Che tu stia cercando un semplice chip di protezione della batteria, un IC caricabatteria a ricarica rapida, un chip di monitoraggio e bilanciamento della batteria dettagliato, un IC di autenticazione della batteria sicuro o un accurato chip di monitoraggio del livello della batteria, abbiamo soluzioni su misura per le tue esigenze.
Se sei pronto a discutere della tua applicazione specifica e a trovare il BMIC giusto per il tuo progetto, ci farebbe piacere sentire la tua opinione. Il nostro team di ingegneri vanta decenni di esperienza nel lavoro con batterie di tutti i tipi, dalle piccole celle ai polimeri di litio ai pacchi agli ioni di litio di grande formato, e possiamo aiutarti a progettare un sistema sicuro, affidabile e di lunga durata.
Riferimenti
- Lindholm, J., et al. (2020). Sistemi di gestione della batteria per veicoli elettrici: una rassegna della tecnologia attuale e delle tendenze future. Giornale delle fonti di energia, 468, 228392.
- Chen, M. e Rinard, G. (2019). Precisione del conteggio di Coulomb nei sistemi di gestione delle batterie: l'impatto della risoluzione del rilevamento di corrente. Transazioni IEEE sull'elettronica industriale, 66(12), 9456-9465.
- Smith, A., et al. (2021). Squilibrio delle celle e strategie di bilanciamento per pacchi batteria agli ioni di litio in serie-parallelo. Giornale di stoccaggio dell'energia, 42, 103058.
- Commissione Elettrotecnica Internazionale (IEC). (2018). IEC 62660-2: Celle secondarie agli ioni di litio per la propulsione di veicoli elettrici – Parte 2: Requisiti di sicurezza.
