I sistemi di gestione delle batterie (BMS) sono la pietra miliare della sicurezza dei moderni veicoli elettrici e degli accumulatori di energia. Monitorano le tensioni delle celle, regolano la carica e la scarica, bilanciano i carichi delle celle e proteggono i pacchi dal funzionamento al di fuori di intervalli di temperatura sicuri. Per la maggior parte del settore, il sistema di gestione della batteria è il guardiano della batteria, l'ultima linea di difesa contro i guasti catastrofici.

Tuttavia, un numero crescente di prove suggerisce che il BMS convenzionale, per quanto sofisticato, ha punti ciechi critici. Non è in grado di rilevare i primi segni di fuga termica, di percepire l'umidità che si accumula all'interno di un pacco o di registrare il carico d'urto assorbito da una batteria in caso di collisione.

Sono queste le lacune che, in condizioni reali, permettono agli incendi delle batterie di passare inosservati fino a quando non sono già disastrosi e che lasciano ingegneri, operatori di flotte e assicuratori senza i dati necessari per prendere decisioni informate sulla salute delle batterie. Capire dove i sistemi di gestione delle batterie convenzionali sono carenti e cosa occorre fare per colmare queste lacune è essenziale per chi progetta o gestisce oggi i pacchi di batterie agli ioni di litio.

Che cos'è un sistema di gestione delle batterie?

Un sistema di gestione della batteria è un sistema di controllo elettronico incorporato in un pacco batteria. Le sue funzioni principali sono quelle di misurare e segnalare la tensione e la temperatura a livello di cella, evitare che le celle si sovraccarichino o si scarichino eccessivamente, bilanciare lo stato di carica delle singole celle e fornire una stima complessiva dello stato di carica (SoC) e dello stato di salute (SoH) al veicolo o al sistema host.

In un moderno veicolo elettrico, il sistema di gestione della batteria comunica attraverso un bus CAN, fornendo dati al controllore della catena cinematica del veicolo e, in molte implementazioni, ai sistemi telematici cloud. Si tratta di una tecnologia matura e ben compresa. La maggior parte dei quadri normativi in materia di sicurezza dei veicoli elettrici considera il sistema di gestione della batteria come un dato di fatto.

Il problema non è che i sistemi di gestione delle batterie siano mal progettati. Il problema è che sono stati progettati in base a un insieme relativamente ristretto di parametri misurabili, quali la tensione e la temperatura. Purtroppo, la tensione e la temperatura da sole non raccontano la storia completa di ciò che accade all'interno di un pacco batteria.

I limiti dei sistemi convenzionali di gestione delle batterie

Monitoraggio della temperatura non omogeneo

La maggior parte delle architetture dei sistemi di gestione delle batterie posiziona i sensori di temperatura a intervalli lungo il pacco, in genere un sensore per modulo o addirittura uno per ogni singola cella. Ciò significa che una cella anomala tra due punti del sensore può subire un aumento significativo della temperatura prima che una misurazione la rilevi. In un modulo agli ioni di litio densamente impacchettato, la distanza tra una cella malfunzionante e il sensore di temperatura più vicino può essere sufficiente a consentire un evento termico non rilevato.

Mascheramento della tensione

L'individuazione del degrado precoce delle celle attraverso le misure di tensione è intrinsecamente difficile nelle configurazioni a celle parallele. Quando una cella di un gruppo in parallelo inizia a guastarsi, le celle rimanenti sostengono la tensione terminale del gruppo nel suo complesso, mascherando l'anomalia. Quando una deviazione di tensione diventa visibile al sistema di gestione della batteria, la cella in avaria potrebbe essere già in uno stato avanzato di degrado. Il sistema di gestione delle batterie, in effetti, può essere ingannato dall'architettura stessa del pacco che protegge.

Nessun rilevamento di gas

Uno dei limiti più significativi dei sistemi convenzionali di gestione delle batterie è che non hanno alcun mezzo per rilevare i gas che le celle della batteria emettono quando iniziano a sfiatare. Lo sfiato delle celle, talvolta chiamato off-gassing, è il primo segno osservabile di fuga termica. Nei minuti che precedono il raggiungimento delle temperature che innescano un incendio o un'esplosione, una cella rilascia composti organici volatili (VOC) e, in alcuni scenari di guasto, idrogeno. Questi gas sono misurabili e distinguibili. Un sistema di gestione delle batterie convenzionale non è in grado di misurarli.

Test indipendenti condotti dai Sandia National Laboratories hanno rilevato che il rilevamento dei COV può fornire più di sette minuti di preavviso in caso di fuga termica, una finestra che i sensori di temperatura da soli non possono offrire.

Questa finestra di sette minuti ha un'importanza enorme. È la differenza tra un arresto controllato del sistema, un'evacuazione sicura del veicolo o un isolamento del circuito e un incendio che non può essere fermato. Il Regolamento Tecnico Globale sulla Sicurezza dei Veicoli Elettrici (GTR20) affronta specificamente la necessità di sistemi di allarme rapido che consentano l'evacuazione sicura degli occupanti. Un sistema di gestione della batteria basato solo sulla temperatura non può soddisfare in modo affidabile questo requisito.

Nessun monitoraggio dell'umidità

L'ingresso dell'acqua è una grave minaccia per la longevità e la sicurezza dei pacchi batteria. L'umidità all'interno di un pacco compromette l'isolamento delle celle, favorisce la corrosione e aumenta il rischio di cortocircuiti. Nei pacchi raffreddati a liquido, la condensa può formarsi sui componenti interni quando la temperatura del refrigerante scende al di sotto del punto di rugiada dell'aria all'interno del contenitore, uno scenario particolarmente probabile durante gli avviamenti a freddo o dopo cicli di raffreddamento aggressivi. I sistemi di gestione delle batterie convenzionali non sono in grado di rilevare l'umidità o di monitorare il punto di rugiada, lasciando questa modalità di guasto del tutto priva di monitoraggio.

Nessuna registrazione di impatti o urti

Quando un veicolo elettrico è coinvolto in una collisione, l'integrità meccanica del pacco batterie è immediatamente messa in discussione. Gli attuali sistemi di gestione della batteria non forniscono alcuna registrazione dei carichi d'urto subiti dal pacco. Gli ingegneri incaricati di valutare le condizioni della batteria dopo l'incidente devono affidarsi all'ispezione visiva e, se disponibili, ai dati della telemetria del veicolo, che non forniscono un quadro affidabile della compromissione della struttura interna del pacco. Senza questi dati, le opzioni sono limitate: rottamare il pacco o accettare un rischio sconosciuto.

I rischi che queste lacune comportano

Presi singolarmente, ognuno di questi limiti dei sistemi di gestione delle batterie rappresenta una lacuna nel monitoraggio. Nel loro insieme, rappresentano una vulnerabilità sistemica nell'architettura di sicurezza delle batterie agli ioni di litio, che ha conseguenze reali per i produttori di veicoli elettrici, gli operatori di flotte, gli integratori di batterie di seconda vita e gli utenti finali.

Gli eventi di fuga termica nei veicoli elettrici ricevono un'attenzione mediatica sproporzionata rispetto alla loro frequenza statistica. Ma l'impatto di questa attenzione sull'adozione dei veicoli elettrici è misurabile. Ogni incendio di alto profilo della batteria rafforza lo scetticismo dell'opinione pubblica sulla sicurezza dei veicoli elettrici. La capacità dell'industria di dimostrare che gli eventi termici sono rilevabili prima che diventino catastrofici e che esistono i dati per rispondere in modo appropriato non è solo una questione tecnica. È una questione commerciale e di reputazione.

Per il crescente mercato delle batterie di seconda vita, le lacune sono altrettanto importanti. Una batteria EV destinata a essere riutilizzata in un sistema di accumulo di energia stazionario porta con sé una storia sconosciuta. Senza un registro dettagliato degli urti che ha assorbito, delle condizioni di umidità in cui ha operato e degli eventi termici (anche se minori) che ha subito, il profilo di rischio di quella batteria è in gran parte una congettura. Questo crea esitazione nella catena di fornitura e limita la redditività economica dei modelli di batterie circolari.

Colmare le lacune: Il ruolo della guardia cellulare

Il sensore Cell Guard di Metis Engineering è stato sviluppato appositamente per risolvere i punti ciechi di monitoraggio che i sistemi di gestione delle batterie tradizionali lasciano aperti. Anziché sostituire il sistema di gestione delle batterie, Cell Guard lo affianca fornendo un livello complementare di dati ambientali e fisici che le sole misurazioni di tensione e temperatura non possono fornire.

Cell Guard è un sensore compatto, basato su CAN, progettato per essere installato vicino alla porta di sfiato di un pacco batteria o di un contenitore per l'accumulo di energia. Da questa posizione, monitora continuamente i composti organici volatili (COV), la pressione assoluta, la temperatura dell'aria, l'umidità relativa, il punto di rugiada e, nella configurazione estesa, la concentrazione di idrogeno. Un accelerometro opzionale a tre assi aggiunge la capacità di registrare carichi d'urto fino a 24G, compresa l'entità e la durata di qualsiasi impatto.

Ognuno di questi parametri risponde direttamente a una lacuna specifica delle capacità dei sistemi di gestione delle batterie tradizionali. Il rilevamento dei COV segnala il più precocemente possibile la fuoriuscita di liquido dalle celle, attivando un allarme quando la fuga termica è ancora evitabile. Il monitoraggio dell'umidità e del punto di rugiada segnala l'ingresso di umidità e il rischio di condensa che le batterie raffreddate a liquido devono affrontare. I dati sugli urti forniscono una registrazione verificabile delle sollecitazioni meccaniche subite dal pacco, informazioni preziose per la valutazione post incidente, la rivendita delle batterie e le decisioni di riutilizzo.

Nei test indipendenti, Cell Guard ha rilevato un evento di fuga termica in meno di 60 secondi e ha fornito dati di allerta attivabili più di sette minuti prima delle tecnologie di sensori concorrenti che utilizzano il solo rilevamento dell'idrogeno.

Questa convalida indipendente, condotta dai Sandia National Laboratories e pubblicata sul Journal of the Electrochemical Society, conferma ciò che Metis Engineering ha progettato per dimostrare Cell Guard, ovvero che il rilevamento dei VOC è un metodo di allarme precoce significativamente più efficace rispetto al rilevamento dell'idrogeno, proprio perché i VOC vengono emessi durante la fase di sfiato della cella, prima della generazione dell'idrogeno, e ben prima che le temperature raggiungano la soglia per un guasto disastroso.

Cell Guard è stato progettato anche per un'integrazione pratica. La velocità e l'indirizzo del bus CAN configurabili, il connettore Molex Nano-Fit e il fattore di forma compatto ne consentono l'installazione in nuovi pacchi batteria o il retrofit in architetture esistenti senza alterare il design del pacco o il flusso d'aria. Funziona in modalità di monitoraggio a basso consumo, trasmettendo su CAN solo quando viene superata una soglia preimpostata, riducendo al minimo l'assorbimento parassitario e assicurando che gli avvisi vengano generati senza ritardi quando sono importanti.

Applicazioni attraverso il ciclo di vita della batteria

I casi d'uso di Cell Guard coprono l'intero ciclo di vita della batteria, dalla prima installazione alla seconda vita di utilizzo. Nei veicoli elettrici, comprese le autovetture, gli autobus commerciali, gli aerei eVTOL, le imbarcazioni marine e le piattaforme di micromobilità, Cell Guard fornisce la capacità di allarme precoce che consente l'evacuazione sicura e lo spegnimento controllato del sistema prima che si verifichi la fuga termica.

Nei sistemi di accumulo di energia stazionari, sia su scala di rete che commerciale o residenziale, Cell Guard fornisce una sorveglianza ambientale continua su installazioni a temperatura variabile, dove le conseguenze di un accumulo di umidità o gas non rilevato sono altrettanto gravi.

Per il mercato delle batterie di seconda vita, i dati dell'accelerometro e le registrazioni ambientali che Cell Guard accumula durante l'intera vita operativa di una batteria sono direttamente rilevanti per il concetto emergente di passaporto della batteria, un registro tracciabile e verificabile delle condizioni della batteria che sostiene decisioni sicure di riutilizzo e rivendita. Allye Energy, che integra pacchi batteria EV riutilizzati in sistemi di accumulo di energia su scala di rete, ha implementato Cell Guard con accelerometro proprio per rispondere a questa esigenza.

Cell Guard è testato e certificato secondo gli standard automobilistici ISO, tra cui ISO7637-2, ISO16750-2 e ISO16750-4, ed è assemblato nel Regno Unito in condizioni di qualità certificate ISO9001. Attualmente è impiegato in applicazioni ASIL B in una serie di programmi di OEM e Tier 1.

Un quadro più completo della salute della batteria

I sistemi di gestione delle batterie sono una parte indispensabile dell'architettura di sicurezza degli EV e degli ESS. Tuttavia, l'ipotesi che un sistema di gestione delle batterie sia sufficiente da solo a proteggere un pacco batterie agli ioni di litio da tutte le modalità di guasto prevedibili non è più sostenibile, alla luce di quanto sappiamo sul modo in cui si verifica il runaway termico, sullo sviluppo dei danni da umidità e sull'accumulo di stress meccanico nel corso della vita operativa di una batteria.

Cell Guard non sostituisce il sistema di gestione delle batterie. È il livello complementare che colma le lacune che i sistemi di gestione delle batterie non sono in grado di colmare, fornendo a ingegneri, operatori di flotte e integratori di sistemi i dati di cui hanno bisogno per rilevare i problemi in anticipo, reagire più rapidamente e prendere decisioni più informate sulla salute delle batterie, dalla produzione alla fine del ciclo di vita.

Per le organizzazioni che progettano o gestiscono sistemi di batterie agli ioni di litio, la questione non è più se sia necessario un monitoraggio supplementare. La questione è quali parametri monitorare e come integrare nel modo più efficace questa capacità nell'architettura del sistema esistente. Cell Guard risponde a entrambe le domande.

Per saperne di più

Per saperne di più su Cell Guard o per richiedere un campione del prodotto, visitare il sito web Guardia cellulare - Metis Engineering oppure contattate il team di Metis Engineering all'indirizzo info@metisengineering.com