Convertitori Elettronici per il Bilanciamento della Carica di Celle in Pacchi Batterie e Studio di una Soluzione con Isolamento Capacitivo

I pacchi batterie moderni, prevalentemente utilizzati per l’alimentazione dei dispositivi elettronici portatili e dei veicoli elettrici, sono costituiti da molteplici celle elementari che vengono collegate in serie e/o in parallelo. Sebbene negli ultimi decenni tali dispositivi abbiano contribuito al miglioramento della qualità della vita, favorendo la sostenibilità energetica e la riduzione delle emissioni di carbonio, è bene considerare il fatto che il loro utilizzo comporta una serie di problematiche. Dal punto di vista tecnologico, il problema principale è rappresentato dallo sbilanciamento delle singole celle elementari che compongono la struttura del pacco batterie. Tale fenomeno, che si manifesta a causa della loro naturale tendenza ad accumulare un diverso quantitativo di carica, è fortemente limitante poiché impedisce di sfruttare appieno il potenziale dell’accumulatore. L’obiettivo principale di questo elaborato è quello di trasmettere le informazioni necessarie a comprendere come può essere risolto il problema dello sbilanciamento. In particolare, al suo interno verranno classificate e analizzate diverse tecniche che permettono di effettuare il bilanciamento attivo e verrà proposta una soluzione innovativa basata sul concetto di isolamento capacitivo. All’interno del capitolo 1, “La batteria Li-ion”, verrà introdotta la batteria agli ioni di litio. Più specificatamente, verranno descritti la struttura interna, le particolari proprietà e caratteristiche, le applicazioni tipiche e i principali parametri elettrici. Infine, verranno inoltre affrontate le problematiche associate all’aspetto tecnologico. Nel capitolo 2, “BMS: Battery Management System”, verranno analizzate le principali funzioni di un BMS e verranno classificati i principi di funzionamento delle varie tecniche di bilanciamento. Il capitolo 3, “Tecniche di bilanciamento attivo: stato dell’arte”, è interamente dedicato alla descrizione delle principali tecniche di bilanciamento presenti in letteratura. In particolare, verranno analizzate 4-5 topologie per ogni principio di funzionamento e per ognuna di esse verranno presentati i principali vantaggi e svantaggi. All’interno del capitolo 4, “Approfondimento della soluzione MAHB converter”, verrà approfondito il funzionamento della soluzione “Multi-Active Half-Bridge converter” mediante lo studio dei risultati ottenuti tramite simulazione. Nel capitolo 5, “MAHB converter con isolamento capacitivo”, la topologia “Multi-Active Half-Bridge converter” verrà modificata sostituendo il trasformatore multi-avvolgimento con una struttura che permette di garantire ugualmente la condizione di isolamento. Tale modifica, che verrà apportata con l’obiettivo di ridurre l’ingombro della soluzione originale, verrà validata attraverso lo studio dei risultati simulativi. All’interno del capitolo 6, “Implementazione fisica del nuovo convertitore multi-porta”, verranno dimensionati i componenti necessari per realizzare fisicamente la soluzione “Multi-Active Half-Bridge converter con isolamento capacitivo”. In particolare, verrà dimostrato definitivamente che, rispetto alla soluzione originale, tale soluzione garantisce la riduzione del volume occupato. Infine, all’interno del capitolo 7, “Conclusioni”, verranno tratte le conclusioni finali riassumendo i principali risultati ottenuti.