HV Battery Batterie auto elettriche e bilanciamento: ecco come funziona

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Molti non sanno come funzionano le batterie delle auto.
Come si compone una batteria per auto EV o Ibrida? (in modo semplice) e come si carica/scarica?
Cosa fa il BMS?

Ho scritto delle tecnologie e di come funzionano le batterie in altri post... ma vorrei parlarvi brevemente di come funziona soprattutto il bilanciamento e a cosa serve.

Brevemente un piccolo recap:
Ogni batteria non è una batteria sola... in pratica non è una Stilo come quella dei telecomandi ma grossa esagerata, ma è un complesso intreccio di batterie singole.
Vengono messe una dietro l'altra.
Per capirsi se dovete fare 3Volts con batterie stilo prendete 2 batterie e le mettete una dietro l'altra... 1,5+1,5 = 3Volts.
Nelle vecchie torce c'erano le batterie "1/2 Torcia"... se vi serviva più energia alcuni dispositivi avevano la batteria "torcia" e altri quella ancora più grossa.
Sotto alcuni esempi.


In pratica più era alto il consumo più grossa era la batteria.

Nelle auto per avere la tensione necessaria vengono messe in serie, una dietro l'altra, tante batterie fino ad arrivare alla tensione richiesta.
In genere tra 250 e 800 Volts a seconda del tipo di auto e batteria.
Quindi di batterie piccole ce ne sono tante.
Ma attenzione... per avere tanta corrente 1 batteria piccola non basta, spesso ne occorrono più di una e per avere tanta corrente vengono messe in parallelo.
Un esempio pratico:

In questo caso avremo 1,5 volts ma la potenza di 3 batterie e non 1...
Se vogliamo tanta potenza e una tensione più alta... faremo questo schema (è solo un esempio)

Se abbiamo 1Ampere di potenza x 1 batteria con 1,5Volts, adesso abbiamo 4 A x 1,5Volts... essendo 3 serie di batterie saliamo a 4,5Volts.
A livello di potenza erogabile istantanea 1 batteria sarebbe 1,5V x 1A = 1,5W
Se abbiamo 4 batterie --> 1,5x4 = 6W
Ma se facciamo la serie come sopra avremo 4,5x4 = 18W... perchè avremo la potenza di 16 batterie e non 1... come vedete la potenza erogabile aumenta rapidamente.

La batteria o il gruppo di batterie in parallelo singole (il gruppetto di una fila di 4 nella foto sopra) vengono chiamate "CELLE".
Ogni cella viene messa in serie alle altre formando il pacco batteria.

Se metto le 4 batterie insieme in parallelo la tensione delle stesse si uniforma, ogni batteria è uguale alle altre e le differenze di tensione del parallelo sono zero.
Ma se una di queste batterie non funziona succede che fa calare la tensione delle altre oppure si danneggia e si isola riducendo la capacità, di fatto si esclude e invece di 4 magari diventano 3...

Ogni cella deve avere una tensione uguale a quella delle altre... tutte devono caricarsi e scaricarsi uguale per avere una batteria che posso sfruttare bene.
Per farlo c'è un sistema intelligente che le controlla e si chiama BMS
In genere ci sono da 150 a 200 celle in una batteria, quindi un lavoro importante.

Le batterie caricano rapidamente fino all'80-90%... poi quando iniziano ad essere molto cariche fanno fatica a ricevere energia, in questo frangente il sistema di gestione BMS lavora per bilanciarle.

Ovvero... visto che caricano più lentamente e con meno energia... riesce a togliere energia utile alle celle più cariche e la lascia le celle meno cariche in modo che quest'ultime riescano a caricarsi correttamente.
Il risultato è quello dell'immagine che avete visto in alto dove trovate Active Balancing



Cosa succede se giro con celle sbilanciate?
Se avete una cella più carica ed una più scarica, esagerando per farvi capire... caricate poco perchè troverà la cella più carica che arriverà velocemente al 100% e fermerà il caricatore ma la più scarica magari è arrivata solo al 70%...
Mentre scaricate la più scarica arriverà prima delle altre a zero... quindi per preservarla e non distruggerla vi darà batteria scarica ma la più carica ha ancora il 30% da usare... che però non userete mai.

Bilanciare è positivo
Si, perchè la più scarica verrà caricata correttamente e se pur leggermente diversa dalle altre (perchè si è sbilanciata nel tempo) arriverà ad essere simile e quel 30% di carica che non sfruttavo verrà quasi tutta sfruttata, magari un 27%...
Senza il bilanciamento la più scarica soffrirà di più rispetto alle altre arrivando sempre a zero e ne ridurrà la vita.
Se si bilanciano ogni tanto farà lavorare bene tutte le celle senza far soffrire alcune o super caricare altre.
Ma anche avere un'autonomia superiore nel tempo.
COSA ACCADE SE ABBIAMO UN PROBLEMA?
I problemi sono di due tipi.
Se una cella non si bilancia e lo squilibrio è elevato potrebbe apparire un messaggio di errore e questo avviene nei primi mesi di vita dell'auto, quando tutti i componenti iniziano realmente a lavorare.
Magari una batteria facente parte di una cella ha un problema di costruzione, non carica e sbilancia le celle.
Troverete magari le celle a 4Volts e quella a 3,9... oppure meno.

In quel caso il sistema limita la carica e preserva le batterie per evitare il surriscaldamento e la conseguente deriva termica.
In pratica oggi i sistemi sono fatti in modo da evitare che la batteria inizi a bruciare

La garanzia, lunga ben 8 anni, agisce con due soluzioni distinte:
1) sostituzione del pacco batteria
2) riparazione con sostituzione del modulo danneggiato.

Cosa è il modulo?
Un modulo è una sezione del pacco... in genere il pacco è diviso in 4-6-8 pezzi, si rintraccia il pezzo che contiene la batteria e si va a sostituire solo quello.
Questa prassi è spesso quella da eseguire in caso di batteria giovane... presumo nel primo anno di vita.
Se la batteria è vecchia ed ha fatto tanti km... mettere un modulo nuovo con tutti gli altri vecchi è controproducente (dal punto di vista elettronico) e quindi molti vanno a sostituire l'intera batteria.

Quanto dico potrebbe essere diverso come gestione da casa a casa poichè le tecnologie e le strategie aziendali sono diverse da caso a caso, la mia è una riflessione da tecnico conoscendo più o meno quello che accade e avendo conoscenze nel ramo.

Quando si deve fare il bilanciamento e come lo faccio?
Avviene in automatico principalmente quando si carica in AC... ovvero a colonnine lente oppure a casa.
Per farlo è importante caricare l'auto al 100% in modalità lenta in modo che le celle possano bilanciarsi bene, non tutti i giorni, una volta ogni 1-3 mesi potrebbe essere sufficiente.
Lo si può fare anche in DC alle colonnine veloci, ma in genere si sfruttano durante i viaggi lunghi, carica veloce dal 10-20% all'80... e ripartenza, sfruttando quella che chiamano curva di ricarica, ovvero in quel pezzo (10-80) le batterie caricano rapide senza bilanciamento... quindi nei viaggi autostradali è preferibile non arrivare al 100%, è inutile e dispendioso come tempo.
Il bilanciamento è quindi una prassi da fare quando non avete fretta, a casa per esempio sfruttando la notte... la mattina staccate e la trovate al top del suo potenziale

Spero che quello scritto possa per voi essere utile al fine di comprendere meglio cosa è il bilanciamento e come funziona in modo semplice la batteria.
Le auto di oggi sono molto evolute in questo e gestiscono quel componente fondamentale che è il vostro serbatoio in modo efficace e sicuro.