Sicurezza e prestazioni nelle batterie ad alta tensione

Batteria ad alto voltaggio personalizzata per una gru cingolata ibrida per il mercato edile. (Foto: Flash Battery)

La crescente quota di modelli elettrificati nel mercato dei veicoli industriali si estende ora anche a macchine più grandi e con maggiore potenza. La crescente domanda di potenza dei modelli di questo segmento è stata supportata da una serie di progressi tecnologici nel campo delle batterie al litio, in particolare quelle ad alto voltaggio.

Il cosa e il perché

Per quanto riguarda le applicazioni industriali e off-highway, le batterie a bassa tensione sono comunemente definite come unità fino a 102,4 V nominali. Questo, nonostante le normative definiscano le batterie a bassa tensione come 60 V. Le batterie ad alta tensione partono da 300 V e possono erogare oltre 800 V.

Flash Battery ha spiegato che il costo di una batteria a bassa tensione è inferiore a quello di una soluzione ad alta tensione perché i componenti dei modelli a bassa tensione sono facili da reperire e non necessitano di componenti potenziati richiesti per gestire correnti più elevate, come connettori dedicati o dispositivi di sicurezza.

Una soluzione a bassa tensione, tuttavia, non può essere adattata all'uso in un sistema ad alta potenza. Ciò è dovuto in gran parte alla potenza in uscita del motore elettrico, che influenza direttamente la scelta della tensione; nelle applicazioni industriali e off-highway, i motori con potenza superiore a 20 o 30 kW necessitano di una tensione più elevata per essere compatti e funzionare in modo efficiente.

Flash Battery ha affermato che alcuni OEM sono ancora scettici riguardo alle soluzioni ad alta tensione, spesso perché preoccupati per gli aspetti di sicurezza. Tuttavia, è importante sottolineare come le batterie ad alta tensione richiedano rigorose misure e protocolli di sicurezza per garantire sia la sicurezza degli operatori che l'affidabilità del sistema.

Il come

Corrispondenza tra tensione della batteria e potenza del motore (queste tabelle riportano parametri generici a titolo di esempio). (Illustrazioni: Flash Battery)

Flash Battery ha recentemente sviluppato una batteria da 396,8 V e 420 Ah (166,6 kWh) per una gru cingolata ibrida. Data l'elevata richiesta di potenza, la soluzione richiedeva quattro pacchi batteria in configurazione seriale, ma separati in due aree diverse del telaio. Il sistema includeva un sistema di controllo integrato che utilizzava un sistema di interblocco ad alta tensione isolato (HVIL) per soddisfare gli standard di sicurezza richiesti dalle applicazioni ad alta tensione. Il progetto ha richiesto uno studio meccanico per il posizionamento delle batterie all'interno del telaio del veicolo.

Il progetto si basa su tre pilastri fondamentali: chimica, assemblaggio intelligente ed elettronica di controllo proprietaria avanzata.

Pacchi batteria

Secondo Flash Battery, la chimica delle celle al litio ferrofosfato (LFP) è ora considerata la scelta migliore per le applicazioni industriali, sia per efficienza che per sicurezza. Inoltre, l'LFP ha una lunga durata – oltre 4.000 cicli di carica – ed è anche la chimica più stabile attualmente disponibile.

L'assemblaggio delle celle della batteria è un altro aspetto importante per la sicurezza. Di particolare interesse è la capacità delle celle e, di conseguenza, il numero di celle collegate in parallelo all'interno di un pacco batteria.

L'utilizzo di celle di batteria più piccole richiede inevitabilmente più connessioni in parallelo all'interno del pacco per raggiungere la capacità richiesta, ma aumentare il numero di connessioni aumenta il rischio di cortocircuito. I pacchi prodotti da Flash Battery utilizzano non più di quattro celle in parallelo: i test hanno dimostrato che questa soluzione offre la soluzione più sicura.

Appello dei componenti

Ci sono altri componenti che svolgono un ruolo fondamentale per la sicurezza in un pacco batteria ad alta tensione. Tra questi, i fusibili che interrompono la corrente in caso di sovraccarico o cortocircuito, insieme ai contattori che possono interrompere il circuito e limitare i danni ai componenti del sistema.

I componenti di sicurezza di un pacco batteria ad alta tensione di Flash Battery (Immagine: Flash Battery)

Inoltre, il sistema di interblocco ad alta tensione utilizza un circuito continuo a bassa tensione per monitorare il corretto collegamento di tutti i componenti ad alta tensione del veicolo. In caso di interruzione del segnale HVIL, la corrente ad alta tensione viene immediatamente interrotta.

Nei sistemi automatizzati, il sezionatore meccanico di sicurezza (MSD) è un dispositivo manuale che si attiva durante le operazioni di manutenzione per scollegare fisicamente il circuito. Funge anche da ulteriore livello di sicurezza in caso di emergenza.

Oltre a tutti questi elementi, un pacchetto di elettronica di controllo intelligente è essenziale per fornire un controllo completo e continuo del pacco batteria. Questo contribuisce a garantire prestazioni stabili durante tutto il ciclo di vita del pacco, caratterizzato da cicli di carica/scarica.

Un elemento chiave di tutto questo è il BMS, che monitora costantemente la temperatura e la tensione di ogni cella della batteria e avvia il protocollo richiesto in caso di problemi di sicurezza. L'importanza del BMS è tale che Flash Battery ha sviluppato il suo BMS proprietario, il Flash Balancing System.

Flash Battery gestisce anche il suo Flash Data Center, un sistema remoto che sfrutta la potenza di elaborazione del cloud, l'apprendimento automatico e l'intelligenza artificiale per raccogliere e analizzare dati in tempo reale dai prodotti Flash Battery in funzione in tutto il mondo. L'analisi di questi dati supporta la manutenzione predittiva per una maggiore longevità.

Il Flash Data Center è stato uno dei finalisti nella categoria Sistema di controllo/Soluzione di monitoraggio dell'anno al Power Progress Summit 2024.

Nota dell'editore: questo articolo è apparso per la prima volta nel numero di ottobre-dicembre 2024 di Power Progress International.