Da sempre essenziali per la transizione verso una rete energetica decentralizzata basata sulle energie rinnovabili, i sistemi di accumulo di energia (ESS) sono oggi più che mai valorizzati e impiegati. Svolgono infatti un ruolo fondamentale nell’affrontare le sfide poste dalla natura intermittente delle fonti di energia rinnovabili e nel soddisfare la crescente domanda di energia da parte dei veicoli elettrici (EV).
Immagazzinando l’energia elettrica in eccesso nelle batterie e rilasciandola durante i picchi di domanda, gli ESS aiutano a stabilizzare la rete bilanciando domanda e offerta di energia. Garantire l’efficienza degli ESS e quindi dalle batterie e dai sistemi di controllo fino alle infrastrutture di connettività, richiede un sistema di gestione della batteria (BMS) sicuro, affidabile e scalabile. L’innovazione è necessaria per migliorare le capacità degli ESS, per aumentare l’affidabilità operativa, rafforzare le misure di sicurezza preventive e ridurre il costo totale di proprietà.
Soluzioni avanzate di gestione energetica e servizi di progettazione ESS
Nuvation Energy (NE) fornisce soluzioni avanzate di gestione energetica e servizi di progettazione ESS ad aziende automotive, system integrator e aziende di stoccaggio batterie. In questo contesto NE sviluppa soluzioni avanzate di gestione delle batterie, incorporando i suoi algoritmi proprietari con tecnologie hardware di precisione. I suoi sistemi di gestione delle batterie e dell’energia sono utilizzati in tutto il mondo, dalle reti di servizi e stazioni di ricarica per veicoli elettrici all’accumulo di energia solare e ai pacchi batteria di seconda vita. Una seconda vita per le batterie EV rappresenta una solida strategia poiché consente alle organizzazioni che gestiscono grandi volumi di batterie EV usate di creare nuove fonti di reddito, ridurre i costosi stoccaggi e ritardare il riciclaggio delle batterie. La soluzione di NE aiuta a ridurre al minimo gli sprechi e l’energia dissipata in modo da supportare le risorse energetiche distribuite e aiutare a coltivare un mercato energetico aperto. Micro-reti commerciali e produttori possono vendere il surplus della loro energia rinnovabile alla rete, contribuendo al contempo alla stabilizzazione. Per oltre un decennio, NE ha fornito prodotti configurabili e servizi di ingegneria per gli ESS sviluppando soluzioni avanzate di gestione delle batterie, incorporando i suoi algoritmi proprietari con tecnologie hardware di precisione.
Per affrontare la sfida nel consentire alle batterie di seconda vita di essere impiegate, NE ha sviluppato un BMS configurabile in grado di supportare un’ampia gamma di composizioni chimiche delle batterie. Questa flessibilità consente ai proprietari di ESS di reperire batterie da più fonti, il che comprende anche le batterie esauste provenienti dai veicoli elettrici. Il BMS NE, riconosciuto per la sicurezza funzionale dell’ESS, è conforme allo standard UL 1973.
La sfida
La necessità di NE era quella di massimizzare la capacità utilizzabile dell’ESS e di fornire un BMS in grado di supportare diversi tipi di chimica delle batterie. Inoltre, era necessario ridurre al minimo dei tempi di inattività del sistema e massimizzare l’efficienza di conversione di potenza. Il traguardo era molteplice:
- Il miglioramento del costo totale di proprietà (TOC) per ESS
- L’abilitazione delle prestazioni BMS affidabili e una lunga durata di vita dell’ESS
- La fornitura ai produttori di ESS con un time-to-market più rapido
- L’operatore non deve più sviluppare e mantenere internamente un BMS
Alla ricerca di un partner con esperienza specifica
Per questa innovazione, NE aveva bisogno di un partner di fiducia. Analog Devices, Inc. (ADI), pioniere del settore dei semiconduttori, noto a livello mondiale per la sua profonda competenza in materia, l’ampio supporto sul campo e i monitor di celle BMS di precisione. ADI si è rivelato partner ideale per aiutare NE nella risoluzione delle nuove problematiche tecniche per soddisfare le esigenze del mercato e facilitare un più rapido time to market. NE e ADI lavorano insieme da un decennio; nel 2021, la collaborazione ha subito un’accelerazione dal momento in cui entrambe le aziende hanno riconosciuto una visione condivisa del futuro, tra cui il riutilizzo delle batterie EV per una seconda vita e l’espansione dell’ecosistema di elettrificazione. Nei due anni successivi, NE ha lavorato a stretto contatto con ADI per integrare i risultati tecnici acquisiti e per la risoluzione di nuove problematiche. Per lo sviluppo di Gen 5, soluzione mirata all’equipaggiamento degli ESS, e offrire un BMS specifico per alta e bassa tensione, progettati entrambi per un’affidabilità a lungo termine, NE si è nuovamente avvalsa dell’esperienza ADI.
La soluzione proposta da ADI
Dopo la revisione e i test, Nuvation ha selezionato il monitor di celle ad alta precisione LTC6811 di ADI con l’obiettivo di integrarlo nel suo BMS.
L’LTC6811® è un monitor per batterie multi-cella in grado di misurare fino a 12 celle di batteria collegate in serie con un errore di misura totale inferiore a 1,2 mV. Il range di misura della cella, da 0 V a 5 V, rende l’LTC6811 adatto alla maggior parte delle batterie chimiche. Tutte le 12 celle possono essere misurate in 290 µs, mentre per un’elevata riduzione del rumore è possibile selezionare velocità di acquisizione dati più basse. L’LTC6811 può essere alimentato direttamente dallo stack di batterie o da un’alimentazione isolata e consente un collegamento multiplo con più dispositivi in serie per un monitoraggio simultaneo delle celle di lunghe stringhe di batterie ad alta tensione. L’LTC6811 include il bilanciamento passivo per ogni cella, con controllo del duty cycle PWM individuale. Ciascun LTC6811 dispone di un’interfaccia isoSPI per le comunicazioni ad alta velocità, immuni da RF e a lunga distanza
Lavorando insieme, le tecnologie NE e ADI possono monitorare e gestire con maggiore accuratezza tensioni sia alte che basse (da 60 V a 1500 V) come anche batterie al litio a densità energetica più elevata. Gli algoritmi NE di bilanciamento delle celle e dello stato di carica (SOC) aiutano a massimizzare la capacità utilizzabile delle batterie e a ridurre i tempi di inattività del sistema. I sensori del monitor di celle BMS di ADI hanno consentito di sviluppare una soluzione di gestione delle batterie ad alta flessibilità che può essere programmata per supportare sia gli intervalli di tensione e temperatura che i profili di carica/scarica di molti tipi di batterie. I sensori hanno consentito di soddisfare il requisito di reperire batterie con diverse chimiche e capacità da un pool più ampio di fornitori. Occorre considerare che le batterie primarie al litio hanno un costo più elevato rispetto ad altre chimiche, ma sono la tipologia ottimale per l’accumulo di energia poiché hanno una capacità di ricarica più rapida. Le batterie secondarie a basso consumo che vengono aggiunte per ridondanza, consentono un tempo di ciclo maggiore e, sebbene utilizzino chimiche più economiche, potrebbero richiedere tempi di ricarica più lunghi.
Range completo di tensioni e temperature
Diversi profili e chimiche
Integrazione
Supporto
BILANCIAMENTO PASSIVO VS. CONTINUO DELLE CELLE
Il tempo che un ESS trascorre in fase di inattività durante la carica della batteria può risultare costoso per l’operatore del sistema. Per un ESS produttivo è quindi essenziale ridurre i tempi di inattività ed evitare danni durante i cicli di carica e scarica. Vi sono due metodi per bilanciare la carica delle celle: il bilanciamento passivo e continuo.
Bilanciamento continuo
Il bilanciamento passivo delle celle utilizza i dati di variazione della tensione acquisiti all’inizio del ciclo di carica. La quantità di squilibrio nelle batterie potrebbe comportare un periodo di funzionamento ridotto per l’ESS, poiché il bilanciamento delle celle porta tutte le celle a una carica completa. Il BMS monitora la tensione e la temperatura delle celle e fornisce dati cruciali al sistema di conversione di potenza (PCS) il quale converte l’AC in DC e viceversa. Il BMS aiuta a garantire che non si danneggino le batterie durante il ciclo di carica e scarica e avvia misure di sicurezza preventive quando necessario.
Il bilanciamento continuo delle celle utilizza il BMS G5 di NE e la tecnologia di misura di precisione di ADI. Lo squilibrio delle celle viene periodicamente stimato quando la cella che si carica più rapidamente raggiunge il 100% di stato. Il BMS bilancia le celle rimanenti durante il funzionamento del sistema e questo consente all’ESS di riprendere rapidamente il pieno funzionamento. Secondo NE in molti scenari, l’innovativo approccio al bilanciamento continuo delle celle è in grado di fornire oltre il 99% di uptime dell’ESS.1
Un mercato emergente: la seconda vita delle batterie
Il New Policies Scenario dell’IEA prevede che il numero di auto elettriche su strada supererà i 125 milioni entro il 2030.2 Dopo 8-10 anni in un EV, i pacchi batteria mantengono il 70-80% della capacità di carica originale. Questa capacità può essere sfruttata per un ulteriore decennio nelle applicazioni ESS stazionarie.
I monitor di precisione delle celle di ADI aiutano a creare fiducia tra acquirenti e venditori di batterie per EV. Essi forniscono dati precisi sulla tensione e sulla corrente delle celle per determinare lo stato di carica della batteria durante il suo ciclo di vita e nel momento in cui la batteria viene rimossa dall’EV per essere immessa nel mercato della seconda vita.
Global EV Outlook 2023: Recuperare il ritardo con le ambizioni climatiche.” IEA.2
“Il BMS di un EV è progettato specificamente per l’uso in un EV. Sebbene appropriato a tale uso, è possibile ottenere prestazioni e scala migliori con un BMS progettato per l’accumulo di energia stazionario“, ha affermato Michael Worry, CEO di Nuvation Energy. “I nostri clienti scelgono il BMS di Nuvation Energy per applicazioni di seconda vita in ESS stazionario perché è progettato specificamente per ESS, consentendo prestazioni e scala migliorate“.
Esistono incentivi economici e ambientali per alimentare un mercato delle batterie di seconda vita; questa è una componente fondamentale della strategia di ecosistema condivisa di NE e ADI. Le organizzazioni che gestiscono grandi volumi di batterie usate possono creare nuove fonti di reddito in cui le batterie possono essere riutilizzate per immagazzinare l’energia in eccesso generata da vento e sole. Il costo totale di proprietà si riduce poiché il valore di una batteria nel corso della sua vita (che ricopre circa il 30% del costo di un EV) viene amplificato. L’estensione della durata di una batteria riduce anche l’impatto sulle estrazioni delle materie prime e può limitare il numero di batterie destinate allo smaltimento.
Batteria EV containerizzata Second Life ESS
“Continuiamo a lavorare a stretto contatto con Nuvation Energy e a presentarli ai nostri partner dell’ecosistema“, ha affermato Nitin Sharma, Direttore generale, Sustainable Energy, ADI. Michael Worry, CEO di Nuvation Energy, conclude: “Consideriamo Analog Devices un partner nel nostro percorso per risolvere le sfide critiche delle piattaforme e dei sistemi di nuova generazione, sviluppare il mercato dell’energy storage e aiutarci a creare grandi soluzioni ESS per i nostri clienti“.
Il BMS NE è capace di predisporre le installazioni ESS per futuri ampliamenti, poiché possono essere aggiunte batterie più recenti con profili di gestione e chimiche di nuova concezione.
