Sviluppo di moduli batterie litio-ioni per avviamento - Enea

Charge shuttling
Questa tecnica consiste in un meccanismo di rimozione di parte della carica presente in una
cella con carica in eccesso, l’immagazzinamento in un dispositivo (condensatore) e la ricarica
di un secondo elemento.
Esistono diverse soluzioni circuitali per implementare questo tipo di equalizzazione, il più
utilizzato è quello che sfrutta come dispositivo per l’immagazzinamento della carica un
condensatore (flying capacitor).
Figura 14 - Tecnica di equalizzazione attiva a spostamento di carica (charge shuttling) di tipo flying capacitor
Un primo tipo di funzionamento è il seguente: l’elettronica di controllo chiude a passi prefissati
gli interruttori su una cella (ad esempio B1, chiudendo S1 e S2) collegandola in parallelo al
condensatore. In questo periodo si ha una ridistribuzione di carica tra i due, il componente a
tensione maggiore cede carica all’altro. Successivamente gli interruttori vengono aperti ed il
condensatore viene posto in parallelo ad una seconda cella (ad esempio B2, chiudendo S2 e
S3). Tra il condensatore e la nuova cella si avrà un’ulteriore ridistribuzione di carica. Il
condensatore viene successivamente collegato sequenzialmente a tutte le altre celle, in questo
modo si riesce a distribuire uniformemente la carica con l’effetto di una equalizzazione.
L’elettronica di controllo, in questo caso è molto semplice perché deve solo chiudere a passi
prefissati gli interruttori ed aprire il circuito di ricarica una volta che tutte le batterie siano state
caricate. Con questo metodo di funzionamento, il condensatore media il livello di carica sulle
celle, prelevando carica dalle celle con tensione più alta del valore medio ed immettendola
nelle celle con tensione più bassa del valore medio.
Una variazione del circuito precedente permette di diminuire il tempo di equalizzazione solo
cambiando l’algoritmo con cui si comandano gli interruttori. In questo caso però la tensione di
ogni singola batteria deve essere misurata per consentire al controllore di effettuare tramite il
condensatore una ridistribuzione di carica fra la cella a tensione più elevata e quella a tensione
più bassa.
In questo modo il tempo per l’equalizzazione è notevolmente ridotto soprattutto se le celle a
tensioni maggiore ed inferiore sono distanti nella serie di batterie.
Qualunque sia la tecnica impiegata per il pilotaggio degli interruttori, per equalizzare n batterie
questo metodo richiede n + 3 interruttori, che devono essere dimensionati per la corrente di
picco richiesta dal condensatore. Le perdite dovute alla resistenza serie del condensatore e le
perdite di conduzione degli interruttori possono, oltre a peggiorare notevolmente il rendimento
del sistema, rallentano il transitorio di carica ed inevitabilmente aumentano il tempo richiesto
per l’equalizzazione. Maggiore è la capacità delle batterie da gestire, più grande dovrà essere il
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