L’arrivo di batterie con tecnologie innovative come le LFP pone nuove sfide ai produttori di semiconduttori che debbono fornire sistemi BMS adeguati alle nuove esigenze, in grado di funzionare con qualsiasi composizione chimica o configurazione, aiutando a rendere i veicoli elettrici più sicuri e più convenienti.
I sistemi avanzati di gestione della batteria (BMS, Battery Management Systems) stanno contribuendo a superare alcuni degli ostacoli più importanti alla diffusione della mobilità elettrica: autonomia, sicurezza, prestazioni, affidabilità e costi, con i semiconduttori sono il cuore di questi sistemi.
“Il ruolo dei semiconduttori è decisamente più importante nei veicoli elettrici rispetto a quelli a combustione interna” ha affermato Sam Wong, che guida un team di Texas Instruments che sviluppa prodotti per il monitoraggio delle batterie dei veicoli elettrici. “I nostri chip possono apportare enormi vantaggi a una frazione del costo di un pacco batteria.”
Secondo un recente rapporto BloombergNEF, i veicoli elettrici rappresentano meno del 5% del mercato delle autovetture a livello globale. Tuttavia questa tecnologia sta guadagnando rapidamente quote di mercato, con la maggior parte delle principali case automobilistiche che promettono di passare all’elettrico nei prossimi cinque o dieci anni, spingendo verso un futuro sempre più verde e sostenibile. I progressi nella tecnologia delle batterie sono un fattore chiave per i consumatori tradizionali. Texas Instruments è in prima linea in questo sforzo, portando avanti l’innovazione automobilistica con nuove tecnologie che consentono agli ingegneri di lavorare con più tipi di batterie e configurazioni. Questi progressi stanno già apportando miglioramenti nel prezzo, nelle prestazioni e nell’affidabilità dei veicoli elettrici rispetto alla tecnologia delle batterie sia convenzionale che di tipo innovativo.
Guadagnare chilometri dai millivolt
Una grande opportunità arriva dalle nuove sostanze chimiche utilizzate nelle batterie. Finora, la maggior parte dei veicoli elettrici è stata alimentata da batterie agli ioni di litio che contengono una notevole quantità di cobalto, un metallo che scarseggia in natura e che è molto inquinante. Recentemente si stanno affacciando sul mercato tecnologie alternative, prive di cobalto, come il litio ferro fosfato (LFP), che utilizza una sostanza più abbondante, più sostenibile da estrarre, facile da lavorare e che rappresenta una alternativa molto più economica ed efficiente.
Mentre il minor costo del ferro e la relativa abbondanza rendono l’LFP una scelta più sostenibile, la nuova composizione presenta alcuni svantaggi. Nei moderni veicoli elettrici, l’autonomia residua si ricava misurando la caduta di tensione della batteria che ne indica la capacità residua. Tuttavia, a differenza delle batterie a base di cobalto, dove la tensione diminuisce costantemente mentre si scaricano, la caduta di tensione nelle batterie LFP è molto contenuta, anche quando ci si avvicina al completo esaurimento, rendendo più difficile fornire una indicazione precisa dell’autonomia della vettura.
“La velocità di scarica praticamente piatta delle LFP richiede un’accuratezza di misurazione della tensione che è proprio al limite di ciò che la moderna tecnologia dei semiconduttori può offrire”, ha affermato Mark Ng, responsabile dei sistemi BMS presso Texas Instruments.
I dispositivi BMS convenzionali misurano la tensione della batteria con una precisione di circa 5 millivolt, ma nelle batterie LFP tale precisione si traduce in circa il 25% di incertezza nelle indicazioni sull’autonomia residua. Per questo motivo, per evitare che i conducenti vengano sorpresi dall’esaurimento delle batterie lungo un’autostrada, i veicoli spesso segnalano un’autonomia residua inferiore del 25% rispetto a quella effettivamente disponibile.
È qui che entra in gioco la tecnologia innovativa di Texas Instruments che mette a disposizione delle case automobilistiche i monitor della batteria di alta precisione, in grado di fornire un’autonomia di guida più precisa.
“Invece di dirti che rimangono 200 miglia quando in realtà ne hai 250, con il nostro chip l’auto potrebbe dirti che hai 230 miglia rimaste“, ha detto Mark. “Il BMS ha sostanzialmente esteso la tua autonomia di 30 miglia, con la stessa carica e con le stesse batterie.”
Quella gamma extra può essere sufficiente per garantire che le batterie LFP siano un’opzione fattibile, dando alle case automobilistiche la sicurezza di passare alla chimica emergente e rendendo così i veicoli elettrici più sostenibili e convenienti.
Più equilibrio
Oltre ad estendere l’autonomia di un veicolo, un monitoraggio accurato è fondamentale per la sicurezza e la durata di ciascuna delle quasi 200 celle che entrano nel pacco batteria di un veicolo elettrico. Se una cella si scarica più velocemente di altre, può raggiungere l’esaurimento anche se il resto del pacco è ancora alimentato. Ma avvicinarsi troppo all’esaurimento può danneggiare permanentemente una cella, rendendo un intero gruppo di celle inutilizzabile. Durante la ricarica, la preoccupazione è invece che una cella raggiunga la capacità prima di altre. Ciò rischia di sovraccaricare la cella e può creare una pericolosa situazione di surriscaldamento.
Grazie alla loro precisione, i monitor per batteria di Texas Instruments possono individuare le celle a rischio in entrambi i casi, e quindi scollegare la cella per evitare una scarica eccessiva o scaricare la carica in eccesso in modo che l’intero pacco di celle rimanga in equilibrio durante la guida e la ricarica. I dispositivi controllano anche l’aumento della temperatura della batteria, che è un altro segno di sovraccarico o di altri problemi.
“Il BMS fornisce un’elaborata rete di monitoraggio per rilevare la tensione, la corrente e la temperatura di ciascuna cella“, ha affermato Sam. “In questo modo, possiamo staccare una batteria dal sistema o regolare la corrente che entra o esce da essa”.
Il BMS fornisce anche ridondanza, utilizzando due sensori indipendenti per misurare la tensione, segnalando l’eventuale differenza tra i dati rilevati.
Anche il compito di interrompere la batteria dal sistema comporta una serie di sfide e soluzioni. Tensioni operative più elevate, requisiti di ricarica più rapidi e motori di trazione più potenti creano sfide uniche per questi sistemi di disconnessione in termini di distribuzione dell’energia, robustezza e sicurezza.
Innovazione e flessibilità
Man mano che i produttori introducono nuove combinazioni chimiche per batterie, pacchi più potenti e diverse configurazioni di singole celle, si moltiplicano le vetture elettriche che utilizzano una o più combinazioni tra le novità disponibili.
Il portafoglio di circuiti integrati di Texas Instruments offre più canali nello stesso package, compatibilità pin-to-pin e il riutilizzo completo del software precedente. Una delle caratteristiche più importanti è la capacità di lavorare praticamente con qualsiasi composizione chimica o configurazione della batteria che i produttori di automobili scelgono di utilizzare, risparmiando sui costi di ricerca e sviluppo, sui costi di sviluppo del software e sulle tempistiche.
“Quando sei un produttore che si occupa di più composizioni chimiche e configurazioni, avere una varietà di opzioni di dispositivi di monitoraggio della batteria nella stessa famiglia di prodotti è fondamentale“, ha affermato Mark. “Questa capacità di scalare su più piattaforme riduce il costo dei singoli veicoli elettrici e porta ad una maggiore velocità nella commercializzazione”.
Altre innovazioni nel settore BMS sono in arrivo. Texas Instruments sta spingendo i limiti della precisione della tensione e sta integrando più capacità di controllo in ogni chip per sbloccare il vero potenziale delle case automobilistiche impegnate sul fronte dell’elettrico. Inoltre, presso i laboratori TI, sono in corso ricerche per garantire che le soluzioni BMS siano ottimizzate per supportare accuratamente i tipi di batterie emergenti. “Ci sono probabilmente altri cento diversi tipi di batterie che vengono studiati al momento“, ha affermato Sam. “Vogliamo assicurarci che i nostri prodotti BMS possano offrire la flessibilità necessaria per ottenere il massimo da ognuno di essi“.
La passione per creare un mondo migliore
Aiutare le case automobilistiche a rendere i veicoli elettrici più sicuri e più convenienti è solo un modo in cui gli innovatori di Texas Instruments stanno vivendo la passione per creare un mondo migliore, rendendo l’elettronica più accessibile attraverso i semiconduttori. Ogni successiva innovazione rende la tecnologia più piccola, più efficiente, più affidabile e più conveniente. Pensiamo a questo come a un progresso ingegneristico, ed è quello che Texas Instruments fa da decenni.
