Analog Devices, multinazionale americana attiva nel settore dei semiconduttori e di circuiti integrati, ha realizzato wBMS, il primo modello wireless di Battery Management System – disponibile sul mercato per la produzione di veicoli elettrici. La prima casa automobilistica ad utilizzarlo sarà General Motors, ad esempio con la versione green del pickup Chevrolet Silverado. Il Battery Management System è un elemento essenziale nell’auto green, perché consente di ottimizzare la spesa di energia mantenendola entro un preciso intervallo di carica – a valle e a monte del quale la batteria perde efficienza – e di incrementare la durata del viaggio.
La versione wireless presenta diversi vantaggi. Anzitutto, togliendo i collegamenti cablati si riduce lo spazio occupato dal pacco delle batterie, e questo consente di inserirne delle altre, aumentando le prestazioni del veicolo. In secondo luogo, l’aumento dello spazio disponibile consente una maggiore flessibilità nella progettazione. In terzo luogo, è tecnicamente possibile riconfigurare il wBMS da remoto, e aggiornarne il software. Infine, wBMS semplifica il passaggio alla “second life” delle batterie: quelle non più ottimali per l’auto green ma ancora funzionanti possono essere associate ad altre dotate sempre di wBMS, senza riprogettazione o revisione del sistema di gestione.
Questo articolo trae spunto dal recente webinar “Delivering a better battery for a more sustainable future” organizzato da Reuters in partnership con Analog Devices. Sono intervenuti la technology director, automotive business unit di Analog Devices Gina Aquilano, il general director electrification strategy and cell engineering di General Motors Tim Grewe, nonché il global director of electrified systems engineering di Ford Motor Company Charles Poon.
L’energia dell’auto green va gestita: ci pensa il Bms
1) Quello dell’auto elettrica è un sistema in cui la batteria è al centro
Al centro della macchina tradizionale c’è sempre stata, da 120 anni, la meccanica del propulsore, che si è affinata nel corso del tempo rendendo l’auto sempre più affidabile. Il “motore” termico è un apparato complesso, costituito da una miriade di componenti caratterizzati da una precisione millimetrica. Quello green è invece quanto di più semplice si possa immaginare: è una dinamo o un alternatore che lavorano all’incontrario, trasformando l’energia elettrica in forza motrice. Al centro della macchina elettrica ci sono invece le batterie. Quelle agli ioni di litio rappresentano attualmente circa un terzo dell’intero costo del veicolo: è difficile scendere al di sotto dei 10mila euro per auto. Così, la ricerca e lo sviluppo si concentrano sui nuovi accumulatori, e su soluzioni in grado di incrementarne l’efficienza e di prolungarne la vita.
Ciò comporta un impegno su più fronti. Anzitutto, per realizzare batterie sicure e ad alta qualità in fase di realizzazione, controlli precisi sui parametri chimici. In secondo luogo, in fase di stoccaggio e di trasporto, le batterie devono essere sempre monitorate, perché la temperatura ed altre condizioni ambientali possono incidere sulla loro funzionalità. Peraltro, si deve curare il corretto inserimento nell’auto. In terzo luogo, quando la batteria è in azione e il veicolo è su strada, si tratta di massimizzare l’energia disponibile, per incrementare la usable energy, la capacità di carica e per allungare la vita dell’accumulatore. E qui entra in gioco il Battery Management System.
2) Il Battery Management System
Analog Devices aveva già nel proprio portafoglio un Battery Management System. Ma a cosa serve? Anzitutto il BMS monitora i profili di tensione di corrente, per evitare i sovraccarichi, che possono produrre la deflagrazione della batteria o renderla inutilizzabile; e per distribuire in modo “intelligente” l’energia: grazie a questo sistema, l’auto può fare più km con la stessa carica, perché quella utilizzabile aumenta del 10%-15%. In secondo luogo, il device collega le celle in serie in un unico stack. Questo perché un sistema a batteria dovrebbe fornire più di cento chilowatt di energia con la semplice pressione di un pedale e deve funzionare a centinaia di volt per essere efficiente. Tuttavia, le celle della batteria al litio forniscono solo pochi volt.
Inoltre, gestisce tutte le celle al contempo, ogni giorno di vita del veicolo: se ne muore una, anche le altre non funzionano più: Peraltro – e questa è una delle funzioni più importanti del BMS – le celle al litio non possono essere utilizzate al massimo della loro portata: devono anzi essere mantenute in un intervallo molto specifico, dal 15% all’85%, altrimenti si indeboliscono. Se utilizzate entro questi limiti di carica, possono invece durare a lungo. Oltre che i profili di corrente, il BMS rileva anche le temperature di ritorno, lo stato di carica e di salute delle batterie: lo fa grazie ad algoritmi complessi inseriti in un processore. È tutto visibile, su una apposita interfaccia di comunicazione. L’elettronica è collegata a ciascuna cella dello stack dal momento della formazione delle batterie.
Il modello wireless di Battery Management System
1) Più libertà di progettazione per il carmaker se il BMS è senza cavi
Si è detto all’inizio che Analog Devices ha realizzato wBMS, il primo modello wireless del device che stiamo trattando. Ma qual è il vantaggio, per il carmaker, di disporre di un simile device? La sua implementazione elimina il tradizionale sistema di cablaggio, risparmiando fino al 90% dei collegamenti e fino al 15% del volume nel pacco batterie. Ciò migliora la flessibilità di progettazione e la facilità di produzione, senza compromettere durata e precisione durante la vita della batteria. Si estende il raggio di ricarica creando veicoli più leggeri nel complesso e aprendo spazio extra per altre batterie.
In pratica, il prodotto include: hardware e software per l’alimentazione, i circuiti integrati, le comunicazioni Rf, la gestione delle batterie e le funzioni di sistema. Particolari apparati garantiscono la safety e l’accuratezza delle misurazioni a livello di modulo. Secondo Analog Devices, il passaggio dalla connettività via cavo a quella wireless dei pacchi batteria consente alle case automobilistiche di rendere scalabili le proprie piattaforme per veicoli elettrici su più modelli, per soddisfare la crescente domanda dei consumatori.
2) General Motors il primo carmaker a sperimentare wBMS
Abbiamo accennato al fatto che General Motors sarà la prima casa automobilistica a utilizzare un sistema di gestione della batteria wireless wBMS per i veicoli elettrici. Il wBMS sarà installato su veicoli dotati di batterie Ultium, sviluppate dal carmaker americano: queste alimenteranno quasi tutti i modelli green di GM lanciati entro il 2035. Peraltro, già entro quattro anni GM metterà sul mercato una trentina di veicoli elettrici. L’elemento costitutivo di Ultium è una grande cella agli ioni di litio del tipo a sacchetto, di circa 58 per 12 per 1 centimetri. Pesa circa 1,3 kg e contiene una grande energia. Costa il 90% in meno di una batteria di dieci anni fa. Per Grewe, è grazie alle batterie Ultium e ad wBMS «che GM sta per lanciare la versione elettrica del grosso pickup Chevrolet Silverado: con un a carica riesce a coprire 400 miglia, che sono circa 640 km».
Il design di Ultium è abbastanza flessibile da incorporare nuova chimica nel tempo, man mano che la tecnologia cambia. Secondo Grewe, «uno dei grandi vantaggi di wBMS è che si può facilmente riconfigurare anche da remoto: la struttura di base del device può ricevere nuove funzionalità man mano che il software diventa disponibile». Secondo GM, La scalabilità e la riduzione della complessità sono un tema centrale per le batterie Ultium: il sistema di gestione della batteria wireless è il fattore critico di questa straordinaria flessibilità.
La second life delle batterie è più semplice con il wireless
Come già sottolineato, se utilizzate nei citati limiti di carica, le batterie possono superare la vita stessa del veicolo, rendendosi pertanto disponibili per una “second life” – sia come accumulatori per auto che negli storage, quelli che servono per raccogliere per fornire alla rete una quantità equilibrata di energia. «Il 16% del global footprint globale – ha affermato la Aquilano – dipende dai trasporti. È evidente che con le auto elettriche questa quota calerebbe drasticamente; ma il vantaggio maggiore si otterrebbe considerando l’intero life-cycle delle batterie, puntando sul loro riuso e riciclo. La tecnologia che serve per questa operazione è molto promettente; e d’altra parte bisogna pensarci adesso, perché nella prossima decade ci sarà uno tsunami di batterie usate». Ford punta al riciclo. «Abbiamo dato vita ad un laboratorio – ha affermato Poon – per accrescere le nostre competenze e abilità nel campo delle batterie e del loro recycling».
Il sistema wireless xBMS offre anche una capacità di riutilizzo unica in applicazioni secondarie rispetto ai sistemi di monitoraggio cablati convenzionali: quando i pacchi wireless vengono ridotti al punto da non essere più ideali per prestazioni ottimali del veicolo, ma continuano a funzionare come alimentatori coerenti, possono essere combinati con altri pacchi batteria wireless per formare generatori di energia pulita. Ciò può essere fatto con grande semplicità, senza una riprogettazione o revisione del sistema di gestione della batteria – attività che sono in genere richieste nell’utilizzo di second life.
