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ALGORITMI, ARCHITETTURE E APPARATI PER LA GESTIONE DELLE BATTERIE AL LITIO

La prima linea di ricerca consiste nell'implementazione di un apparato per la stima in tempo reale dello stato di carica e di salute di una cella al litio per migliorarne l'utilizzo e prolungarne il tempo di vita. Ciò necessita dello sviluppo di uno stimatore in tempo reale basato su un modello di cella validato sperimentalmente. La seconda linea prevista nella ricerca consiste nello studio e nello sviluppo di circuiti per la redistribuzione ad alta efficienza della carica fra celle sbilanciate in una batteria. Ciò consente di utilizzare la piena capacità di batteria, migliorandone le prestazioni anche in termini di tempo di vita. Il cuore del bilanciatore potrà essere un convertitore dc-dc bidirezionale capace di trasferire carica in entrambe le direzioni, con logica di controllo basata sull'indicazione proveniente dallo stimatore sviluppato nella prima linea.Si considerà l'opportunità di lavorare con celle di piccola capacità nominale (1.5 Ah circa) per ottenere agevolmente profili di carica/scarica a diversi tassi con piccola strumentazione, parte della quale è già presente nel laboratorio di riferimento. Questo consentirà di effettuare prove di laboratorio per la caratterizzazione e validazione in modo automaticamente controllato da PC. Celle Litio-Polimero (ad es., prodotte da Kokam), sembrano adatte allo scopo. Celle Litio-Ferro-Fosfato (LiFePO4) costituiscono la possibile alternativa. Scelta la cella di riferimento, sarà sviluppato un modello di stato basato su variabili elettriche di corrente e tensione ai terminali come ingresso-uscita della cella. Ad esso potrà essere associato un semplice modello termico. SoC, SoH e T (temperature) saranno incluse nello stato o nei parametri di modello. Il modello includerà, inoltre, la non linearità della curva SOC-OCV, l'isteresi, gli effetti di rilassamento sulla tensione d'uscita, trovando il giusto compromesso fra accuratezza e onere computazionale. Si provvederà a testare la cella in camera climatica a differenti temperature per estrarre i parametri di cella. Il test verrà effettuato per mezzo di impulsi di corrente, usando consolidate tecniche di fitting. Sulla base del modello sviluppato e identificato, si svilupperà un algoritmo capace di stimare in tempo reale lo stato della cella sulla base di misure di tre variabili: tensione e corrente ai terminali e temperatura media di cella. Un aspetto fondamentale dell'algoritmo è la sua implementazione con limitate risorse computazionali, tale da consentire la sua realizzazione fisica in un sistema embedded poco costoso, come in un semplice BMS. Sulla base delle attuali conoscenze, un filtro di Kalman basato su una tecnica di Coulomb counting compensato sembra adatto allo scopo. La stima del tempo di vita sarà ricondotta alla stima di un opportuno set di parametri elettrici, ma la regola di collegamento non è ancora definita ed sarà parte dei risultati di progetto. Il cuore della progetto è la traduzione dell'algoritmo di stima e del modello MATLAB/Simulink/C++ in uno stimatore hardware/software su un sistema embedded adatto ad un'applicazione in un BMS. Si proveranno sia microcontrollori digitali-DPS che FPGA. Ciò consentirà anche di valutare quale delle due sia più adatta allo scopo. Infine, sulla base delle indicazioni del sistema embedded, si progetterà il bilanciatore attivo. Le leggi di controllo del convertitore dc-dc saranno basate sulle indicazioni prelevate dall'hardware sviluppato ai punti precedenti.