Corrente di circolazione nelle stringhe di batterie in parallelo: perché si verifica e come l’architettura del BMS la previene | JKESS

Lo scenario di espansione che va storto

Consideriamo un esempio di espansione commerciale e industriale (C&I): una fabbrica installa un sistema batteria da 128 kWh nel 2024 e necessita di 256 kWh nel 2026, poiché il carico aumenta. L’ufficio acquisti propone l’acquisto di un altro sistema identico e il suo collegamento in parallelo. Tre mesi dopo, il team operativo rileva uno squilibrio persistente della corrente e un calo più rapido del SOC segnalato in una stringa. I numeri di modello coincidono, ma le batterie non condividono più la stessa storia operativa.

La corrente circolante è una possibile spiegazione, insieme alla ripartizione non uniforme del carico, alle differenze di temperatura, alla resistenza dei collegamenti, agli errori dei sensori o ai guasti delle celle. Stringhe nuove e stringhe invecchiate possono presentare capacità e resistenze interne diverse, pertanto i loro andamenti di tensione interna e di SOC divergono durante il funzionamento, anche se le letture iniziali di SOC sono identiche. Una tensione di sorgente più elevata può quindi indurre una corrente nella seconda stringa. Verificare le correnti di ramo con segno e i dati delle celle prima di individuare la causa.

Il trasferimento interno incontrollato genera perdite resistive e un ulteriore throughput della batteria. Può aumentare lo stress termico e ciclico, far raggiungere i limiti di tensione delle celle e innescare la protezione del sistema di gestione della batteria (BMS); correnti sufficientemente elevate possono attivare un fusibile o un interruttore. Alcuni problemi si manifestano nell’istante stesso della connessione, mentre altri diventano più evidenti nel corso di settimane di dati operativi. Questa guida spiega la fisica del fenomeno, tre contromisure ingegneristiche e il ruolo dell’hardware master e slave JKESS in una progettazione ingegnerizzata con stringhe in parallelo.

La fisica: perché si genera la corrente circolante

La corrente circolante non dimostra di per sé una scarsa qualità della batteria. Essa segue le leggi dei circuiti quando sorgenti in parallelo presentano tensioni interne diverse. Una prima stima utile, per due stringhe a carico esterno nullo, è:

I_circulating = ΔV / R_loop

Una volta collegati, i due string condividono una tensione comune sulla barra collettore, a eccezione delle cadute di tensione nei collegamenti. Lo squilibrio che determina la corrente circolante è tra le rispettive sorgenti equivalenti, non tra due tensioni diverse applicate allo stesso nodo ideale della barra collettore. Sotto carico esterno, la corrente in ciascun ramo comprende sia la ripartizione del carico sia l’effetto dello squilibrio di tensione. Questa stima resistiva non tiene conto dei transitori di collegamento, dell’induttanza né del rilassamento elettrochimico.

2V ÷ 0.05Ω = 40A

P_loss = I² × R_loop       = 40² × 0.05 = 80W

Riferimento ingegneristico: Weng et al., ricerca sull'inequilibrio di corrente in batterie collegate in parallelo non identiche , sviluppa un modello a circuito equivalente ed esamina come le differenze di capacità e resistenza influenzino corrente, SOC e invecchiamento. L'esempio numerico sopra è un calcolo circuitale illustrativo, non un risultato di prova su prodotto.

Protezione parallela senza protezione vs protezione indipendente per stringa

La protezione indipendente per ramo rende più semplice rilevare e isolare i guasti. Deve essere abbinata a sensori specifici per ogni stringa e a una risposta di controllo coordinata; i dispositivi di protezione da soli non eliminano la corrente circolante.

Se una stringa si disconnette, le stringhe rimanenti possono ricevere una corrente maggiore. Il sistema EMS/PCS deve ridurre la potenza o arrestare il funzionamento, se necessario, per prevenire un arresto a catena. La protezione indipendente non autorizza la manutenzione su impianto in tensione.

Le tre contromisure ingegneristiche

1. Dotare ogni stringa di interruttori e fusibili indipendenti

   Lo scopo della protezione dei rami è l'isolamento selettivo dei guasti. Specificare un interruttore e un fusibile con valutazione in corrente continua per ogni stringa, insieme a contattori comandati dal BMS o un opportuno meccanismo di scatto automatico. Una corrente di circolazione moderata può rimanere al di sotto della soglia di scatto per sovracorrente, pertanto un fusibile non costituisce un sostituto dell'isolamento controllato.

   Priorità di selezione: coordinare la portata in corrente continua, le curve tempo-corrente, la tensione nominale in corrente continua, la corrente di guasto disponibile, il potere di interruzione, la protezione dei conduttori e i picchi operativi ammessi. Valutare il contributo ai guasti proveniente da ogni stringa collegata. L'interruzione selettiva e il funzionamento continuato devono essere verificati a livello di sistema.

   Posizione di installazione: utilizzare lo schema unifilare approvato e il sistema di messa a terra per determinare quali conduttori necessitano protezione e isolamento. Non esiste una regola universale secondo cui l’interruttore debba essere posizionato sul conduttore positivo e il fusibile su quello negativo. Verificare la sequenza di pre-carica e di collegamento per l’equipaggiamento fornito; un circuito di pre-carica del collegamento in corrente continua (DC-link) non è automaticamente dimensionato per equalizzare stringhe di batterie non bilanciate.

2. Monitorare ogni stringa durante la fase di carica, scarica e stand-by

   Installare un canale indipendente di rilevamento della corrente bidirezionale su ogni stringa in parallelo e conservarne il segno. Un sistema dotato soltanto di un sensore di corrente totale non è in grado di identificare il trasferimento interno mascherato dalla somma algebrica. Ad esempio, con corrente di scarica positiva, +40 A in una stringa e −40 A in un’altra forniscono circa 0 A al collegamento esterno.

   Registra i valori correnti con le tensioni delle singole celle, la tensione del ramo, la temperatura, il SOC, lo stato dei contattori e la modalità di funzionamento. Configurare le soglie e i ritardi temporali in base alla precisione dei sensori, alla ripartizione attesa del carico, alle caratteristiche nominali dei rami e alla strategia di controllo approvata. Rispondere con allarmi, blocco del collegamento, limiti di potenza o isolamento, secondo quanto appropriato; impostare la potenza esterna su zero potrebbe non arrestare la corrente interna.

   Per un confronto tra due rami con correnti nella stessa direzione e superiori al limite minimo di misura, una metrica descrittiva di squilibrio è:

   Current imbalance (%) =100 × |I1 − I2| / max(|I1|, |I2|)

   Vicino alla condizione di standby, utilizzare gli amperes con segno e soglie assolute. Le percentuali diventano instabili vicino a zero. Direzioni opposte della corrente richiedono una valutazione separata, e rami con capacità diverse possono legittimamente trasportare correnti differenti; confrontare ciascun ramo con la sua allocazione attesa e con i suoi limiti.

3. Utilizzare una supervisione a livello master per limitare lo squilibrio di SOC e di tensione

   La discrepanza del SOC è uno dei fattori che contribuiscono alla corrente circolante, ma la risposta in tensione dipende anche dalla resistenza, dalla temperatura, dalle condizioni della cella e dalle operazioni recenti. I master delle stringhe e il supervisore di sistema devono scambiarsi misure e limiti convalidati tramite il protocollo CAN/RS485 approvato, quindi applicare i criteri di abbinamento di tensione e SOC prima di collegare un ramo.

   Durante il funzionamento, il controllo di supervisione può esaminare le deviazioni, ridurre la potenza del sistema, impedire il ricollegamento o isolare un ramo non idoneo. Una deviazione del SOC di 5 punti percentuali può essere un semplice esempio di soglia per l’analisi, purché accettata per il progetto; non rappresenta una soglia universale per il collegamento. Su un bus CC collegato direttamente in parallelo, il software del BMS non può impostare autonomamente la corrente continua di ciascuna stringa senza un’adeguata hardware di potenza, ad esempio uno stadio DC/DC dedicato a ogni stringa.

   JKESS descrive la gestione a catena di 4–16 unità slave per ogni unità master. Combinare l’hardware appropriato per la gestione dei moduli con un canale definito di protezione e rilevamento per ogni stringa in parallelo, e verificare le funzioni di supervisione incrociata tra stringhe per il firmware e il design del sistema selezionati. Il bilanciamento attivo a livello di cella supporta la coerenza all’interno dei moduli; non sostituisce il controllo della corrente tra stringhe.

Riferimento architetturale: Nota applicativa per stringhe in parallelo: considerazioni su protezione e topologia (PDF) questo riferimento tecnico esterno tratta il monitoraggio indipendente delle stringhe, l’isolamento automatico e i compromessi topologici; non costituisce una dimostrazione di una funzionalità del prodotto JKESS né un’affermazione di compatibilità.

Come l’architettura HV BESS JKESS gestisce le stringhe in parallelo

Una scatola master, unità BMU slave e un controller a livello di sistema svolgono ruoli diversi. La piattaforma master-plus-slave JKESS fornisce blocchi funzionali per la misurazione dei moduli, la comunicazione e la protezione. In un progetto con stringhe in parallelo è inoltre necessario definire il rilevamento, l’isolamento e il controllo di supervisione di ciascuna stringa completa.

La configurazione è fondamentale. La pagina prodotto principale pubblica due intervalli di celle in serie, pertanto questa guida non li considera intercambiabili. La capacità energetica dipende dalle celle selezionate e dalla configurazione elettrica, non semplicemente dal numero di involucri. Allineare la specifica d'acquisto all'esatta combinazione di hardware, firmware e disegno di sistema approvato.

Checklist pre-espansione: 8 elementi da verificare prima di collegare in parallelo una nuova stringa

1. Verificare la corrispondenza elettrica. Confermare che la chimica approvata e il numero di celle in serie siano identici, che le finestre di tensione siano compatibili e che la polarità sia corretta. Misurare le tensioni a circuito aperto (OCV) delle stringhe a riposo e utilizzare il limite di collegamento approvato dal produttore; ≤2 V non è universalmente sicuro in un circuito a bassa resistenza.
2. Esaminare le celle e il loro stato. Confrontare modello, registri del lotto, capacità, resistenza interna, età, stato di salute (SOH) e dispersione delle tensioni delle celle. Un'etichetta prodotto identica o una lettura iniziale dello stato di carica (SOC) non garantiscono la compatibilità.
3. Confermare la protezione indipendente per ogni ramo. Verificare l'interruttore, il fusibile, il percorso di isolamento controllato, la coordinazione della corrente di guasto e la configurazione approvata di pre-carica/collegamento per ciascuna stringa.
4. Convalidare il rilevamento della corrente. Confermare il rilevamento bidirezionale indipendente per ogni stringa, comprese polarità del sensore, offset a zero, accuratezza, registrazione dati e capacità di misurazione in standby.
5. Verificare la strategia di supervisione. Confermare i limiti di accettazione per lo stato di carica (SOC) e la tensione, le autorizzazioni di collegamento, i limiti di corrente, le risposte alla perdita di comunicazione e la riduzione di potenza dopo la disconnessione di una stringa.
6. Verificare le condizioni termiche. Confrontare le temperature delle celle e dell’ambiente e ispezionare le prestazioni del flusso d’aria o del raffreddamento a liquido. Una differenza di temperatura ≤3 °C può rappresentare un obiettivo specifico del progetto, non una soglia universale di accettazione/rifiuto; utilizzare i criteri termici approvati.
7. Eseguire i controlli di isolamento specificati. Il personale qualificato deve applicare la procedura di isolamento approvata per l’equipaggiamento, la tensione di prova e la resistenza di accettazione. Un criterio come ≥1 MΩ a 1.000 VCC si applica esclusivamente quando esplicitamente specificato; non eseguire alcun test di isolamento ad alta tensione su componenti elettronici connessi, a meno che la procedura non lo consenta.
8. Pianificare la messa in servizio e il monitoraggio successivo. Impostare gli allarmi prima della connessione, verificare la sequenza di messa in tensione approvata e registrare la corrente del ramo, lo stato di carica (SOC), le tensioni delle celle e le temperature durante un periodo iniziale di osservazione di 72 ore. Continuare il monitoraggio delle tendenze successivamente.

5 errori comuni durante il parallelo di stringhe di batterie

1. 1. Parallelo diretto di stringhe con SOC diversi

   Una stringa nuova completamente carica e una stringa esistente all’80% di SOC possono scambiare una corrente consistente al momento della connessione. Abbinare tensione e SOC seguendo la procedura approvata e verificare anche i limiti delle singole celle oltre alla tensione del pacco. Non utilizzare il contattore principale per equalizzare uno squilibrio non approvato.

2. 2. Protezione dell’intero gruppo con un solo interruttore

   Un interruttore condiviso non consente l’isolamento selettivo di ciascun ramo. Specificare interruttori e fusibili coordinati per ogni stringa, unitamente a un meccanismo di disconnessione controllato. Correnti interne moderate potrebbero non raggiungere mai la soglia di intervento di una fusibile.

3. 3. Monitoraggio della sola corrente totale della batteria

   Il valore totale può apparire normale mentre una stringa si scarica in un’altra. Fornire misurazioni bidirezionali per ogni stringa ed esaminare la direzione della corrente, il suo modulo assoluto e la ripartizione attesa del carico in ogni modalità operativa.

4. 4. Ignorare le differenze di temperatura

   Un raffreddamento non uniforme modifica la resistenza, la capacità disponibile e il comportamento del SOC. Ispezionare le temperature misurate delle celle e le tendenze termiche, non soltanto la temperatura ambiente. Mantenere l’installazione entro i limiti di uniformità termica approvati; 3 °C non è una regola universalmente accettata.

5. 5. Saltare i primi 72 ore di analisi delle tendenze

   Un breve test di avvio potrebbe non rivelare comportamenti che emergono a un diverso SOC, carico o temperatura. Esaminare le correnti firmate dei rami e gli allarmi associati durante un periodo iniziale di osservazione di 72 ore, quindi proseguire con il monitoraggio a lungo termine. Né la prima connessione né 72 ore senza allarmi dimostrano la compatibilità per tutta la vita utile.

Domande frequenti