Sviluppo di moduli batterie litio-ioni per avviamento - Enea

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Il costo corrente delle batterie litio-ioni per veicoli elettrici è circa 450 $/kWh. Se i progetti correnti determineranno gli attesi volumi di produzione, si prevede una diminuzione del costo a circa 200 – 300 $/kWh. La tecnologia delle batterie al litio non è pienamente matura: metalli e chimiche cambiano su base continua. 3.4 Problematiche di sicurezza. Le celle di batteria hanno dei campi di funzionamento in tensione molto rigidi: il superamento dei limiti di tensione può portare ad un danneggiamento irreversibile delle celle, oltre ad un aumento della temperatura che ne può causare l’incendio e l’esplosione. L’esercizio di tali batterie richiede pertanto un controllo continuo dello stato delle singole celle: nei sistemi batterie, composti usualmente da un elevato numero di celle, tale funzione è assicurata da appositi dispositivi elettronici chiamati BMS (Battery Management System). Nei sistemi batterie il BMS svolge anche una funzione di ottimizzazione delle prestazioni, come sarà mostrato più avanti. Per i suddetti motivi, le batterie al litio presentano problematiche di sicurezza anche a livello di trasporto, difatti “le celle e le batterie al litio sono elencate nella lista dei materiali pericolosi in base alle raccomandazioni delle Nazioni Unite sul trasporto delle merci pericolose” e sono classificate secondo la: Classe UN n.: 3480 Classificazione di pericolosità: 9 Imballaggio: gruppo II e risultano soggette alle seguenti regolamentazioni internazionali: Trasporto aereo internazionale: IATA Trasporto marittimo internazionale: IMDG Trasporto stradale europeo: ADR Trasporto ferroviario europeo: RID 18
4. Analisi bibliografica sullo stato dell’arte del Battery Management System. 4.1 Architettura di un sistema batterie: celle, moduli, sistema completo. Si intende per cella l’unità elementare di cui si compone ogni sistema batterie. Il modulo è un insieme di celle, che possono essere variamene connesse in serie e/o parallelo, racchiuse all’interno di un involucro, dotato eventualmente di circuiteria per il controllo dei parametri elettrici e termici. Il sistema completo, denominato anche sistema batterie o pacco batterie, è l’insieme di più moduli, variamente connessi in serie e/o parallelo, generalmente dotato di un sistema elettronico per il controllo dei parametri elettrici e termici ad un livello gerarchico a quello (se presente) dei moduli. 4.2 Definizione e funzioni del Battery Management System. Il BMS (Battery Management System) è un sistema elettronico di monitoraggio e gestione delle batterie: esso mantiene un controllo sui parametri fondamentali di esercizio, come tensioni, correnti e temperature, durante le fasi di carica e scarica. In caso di allarme, quando uno qualsiasi dei parametri raggiunge un valore fuori dai limiti consentiti, il circuito elettronico di controllo fornisce gli input ai dispositivi di protezione per scollegare la batteria dal carico o dal caricabatterie. Il BMS comprende non solo il monitoraggio e la protezione del sistema batterie, ma anche metodi per ottimizzarne le prestazioni e prolungare la vita delle celle. Le prestazioni di un veicolo ibrido dipendono in maniera sostanziale dallo “stato di salute” in cui si trovano le batterie: se non trattate opportunamente, la loro capacità di accumulare energia e la vita in cicli di carica/scarica si possono ridurre notevolmente richiedendone una prematura sostituzione. I principali fattori di rischio per le batterie, di qualunque tipo esse siano, sono la sovraccarica o la scarica troppo profonda. Il primo fattore può portare alla distruzione della batteria, mentre il secondo può condurre ad una riduzione permanente della capacità massima immagazzinabile. Il controllo dello stato di carica delle batterie (SOC) è quindi indispensabile oltre che per la scelta delle politiche di gestione del veicolo, per assicurare un corretto utilizzo degli accumulatori. In un veicolo elettrico o ibrido le batterie sono connesse in serie per poter disporre di una tensione di pacco sufficientemente elevata (fino a qualche centinaio di volt). Il controllo dello stato di carica deve essere effettuato per ogni singola cella del pacco. Infatti, inevitabili lievi differenze nelle prestazioni di ogni elemento potrebbero essere amplificate durante la vita, portare a scompensi notevoli nello stato di carica e condurre al deterioramento complessivo del sistema. La soluzione migliore al problema consiste nel predisporre di un sistema di equalizzazione dello stato di carica degli elementi che compongono il pacco batterie. L’equalizzazione ottima si ottiene controllando singolarmente ogni cella all’interno della stringa. In alcuni casi, specie se il numero di batterie da controllare è elevato, si può ricorrere ad una soluzione di compromesso che consiste nel lavorare su piccoli gruppi di elementi per limitare la complessità del circuito di controllo. Nel seguito verranno analizzate in dettaglio le funzioni principali del BMS: protezione e bilanciamento. 19
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