Una batteria a più celle sbilanciata utilizza la cella più debole per determinare la capacità dell'intero sistema. Si tratta di un metodo poco efficace per determinare la capacità, poiché le singole celle invecchiano diversamente. Non è possibile garantire che tutte le celle abbiano la stessa capacità, neanche con una selezione scrupolosa. Esistono diverse soluzioni per risolvere questo problema.
Le batterie agli ioni di litio, come altri tipi di batterie, sono soggette a un processo di usura durante la carica e la scarica a causa di cambiamenti chimici. Nella batteria agli ioni di litio, l'anodo è costituito da una lamina di rame ricoperta di carbonio o da un composto di grafite. Il catodo consiste in un composto di litio. L'elettrolita tra gli elettrodi è un sale di litio dissolto. A seconda che l'elettrolita sia liquido o solido, si parla di batterie agli ioni di litio o ai polimeri di litio.
Le celle si differenziano principalmente per il materiale del catodo, che può essere costituito da cobalto, manganese, nichel-cobalto, nichel-cobalto-manganese, fosfato di ferro o titanato. I vari materiali del catodo determinano densità energetica, densità di corrente, tensioni nominali e possibili cicli di carica diversi.
Carica fluida
Il cosiddetto metodo di carica IU, utilizzato per queste celle, funziona con corrente costante (CC) e tensione costante (CV). In questa procedura, le batterie vengono inizialmente caricate con una corrente costante. In questo modo si limita la corrente di carica, impedendole di raggiungere un livello troppo elevato. La carica con corrente costante prosegue finché non si raggiunge la tensione di carica finale. Successivamente, la carica continua con la tensione costante, in modo da non superare la tensione di carica finale. La corrente di carica diminuisce all'aumentare della carica.
Analogamente alla durata, anche il tempo di carica dipende da una serie di fattori, con capacità di carica superiori, e soprattutto dalla temperatura. Tempi di carica e scarica brevi hanno un effetto negativo sul materiale degli elettrodi, pertanto la durata e il numero di cicli si riducono. Operazioni di carica e scarica fluide aumentano enormemente la durata di una cella agli ioni di litio.
Placcatura del litio
La carica di celle agli ioni di litio con elevate correnti di carica o basse temperature può determinare il dannoso effetto della placcatura del litio. Gli ioni di litio si depositano preferibilmente sulla superficie dell'anodo anziché intercalarsi tra gli strati di grafite. Questo effetto porta a significative perdite in termini di prestazioni, durata e sicurezza. In casi estremi, la placcatura del litio può anche causare un cortocircuito oppure un incendio, dato che il litio è facilmente infiammabile.
A seconda della qualità e della progettazione della batteria, i cicli di carica vanno comunemente da 500 a oltre 1.000. Una batteria viene considerata usurata quando rimane meno dell'80% della sua capacità originale.
Il problema
I cosiddetti cluster o pacchetti di batterie sono formati generalmente da diverse celle singole o blocchi di celle collegati in serie per aumentare la tensione nominale. A causa dell'invecchiamento, queste celle incorrono in fluttuazioni di capacità, resistenza interna e altri parametri. La cella più debole determina la quantità di carica e la quantità di corrente che potrebbe essere scaricata.
Nell'utilizzo pratico delle batterie a più celle collegate in serie, questo determina il fatto che le celle vengono caricate e scaricate diversamente in serie. Casi critici di scarica profonda o carica eccessiva avvengono nella rete o quando le singole celle si sovraccaricano e superano la tensione di carica finale. A seconda del tipo di batteria, potrebbero verificarsi danni irreversibili alle singole celle. Il risultato è che l'intero pacchetto di batterie perde capacità.
Sistemi di gestione batteria (BMS)
I BMS controllano e monitorano il processo di carica e scarica dei pacchetti di batterie a prestazioni elevate in applicazioni di elettronica di potenza autonome (E-Power) come i veicoli elettrici e ibridi, la robotica e applicazioni simili. Il compito principale di questi sistemi è garantire che ogni singola cella non vada al di sopra o scenda al di sotto di un limite dello stato di carica (SoC) predefinito per l'applicazione, durante le operazioni di carica e scarica. Il valore SoC è dato dalla restante capacità disponibile di una batteria in relazione al suo valore nominale. Il valore viene indicato sotto forma di percentuale dello stato di carica completa. Ad esempio: il 30% significa che la batteria ha ancora una carica residua del 30% in relazione alla carica completa. A seconda dell'applicazione, i limiti superiore e inferiore per il SoC sono 20%-100% (corrente massima) o 100% (corrente massima), 30%-70% (durata di servizio massima).
Un BMS monitora caratteristiche come la tensione della batteria, la temperatura delle celle, la capacità delle celle, lo stato di carica, l'assorbimento di corrente, il tempo operativo rimanente, il ciclo di carica e molto altro ancora. Queste unità di controllo sono essenziali poiché diverse celle della batteria devono essere disposte in cluster per raggiungere un'elevata capacità totale della batteria. Le soluzioni di bilanciamento hanno un ruolo sempre più importante in questi sistemi di gestione batteria.
Bilanciamento passivo della batteria
Un metodo ampiamente utilizzato e relativamente semplice dal punto di vista tecnico è il bilanciamento passivo. Praticamente, entra in funzione solo alla fine della carica, quando le celle di un pacchetto di batterie sono quasi completamente cariche. Per le celle che hanno già raggiunto la tensione di carica finale, il sistema di bilanciamento collega un resistore in parallelo, limitando così la tensione alla tensione di carica finale. Questa cella viene poi caricata solo leggermente o addirittura scaricata, mentre le celle nella connessione in serie, che non hanno ancora raggiunto la tensione di carica finale, continuano a ricevere la corrente di carica completa. La potenza del resistore parallelo deve essere adattata alla corrente di carica, poiché la corrente in eccesso determina il riscaldamento del resistore. Il vantaggio di questo metodo è che presenta costi ridotti ed è tecnicamente semplice da implementare. Lo svantaggio, invece, è che il processo di carica richiede molto tempo prima che la cella più debole raggiunga il valore SoC necessario. Inoltre, viene sprecata molta energia sotto forma di calore indesiderato. Questa perdita di calore ha anche un effetto negativo sulla durata di servizio delle celle della batteria e rappresenta un notevole pericolo di incendio.
Bilanciamento attivo della batteria
I sistemi di bilanciamento attivo sono molto più complessi ma più efficaci. Sono utilizzati per il trasferimento della carica tra le celle: l'energia delle celle con maggiore carica viene trasferita alle celle con carica minore. In linea di principio, il controllo della carica è costituito da diversi regolatori di commutazione ottimizzati appositamente per l'applicazione che operano per cella e trasferiscono attivamente l'energia. Questo processo può già avvenire durante il processo di carica. Tuttavia, come nel bilanciamento passivo, in genere inizia solo verso la fine della carica. Nei sistemi di bilanciamento bidirezionali, questo scambio di carica avviene sia durante il processo di carica che di scarica. I sistemi di bilanciamento bidirezionali sono pertanto ancora più efficaci.
Uno dei principali vantaggi del bilanciamento attivo è l'efficienza notevolmente superiore, poiché l'energia in eccesso viene convertita in calore sono in misura ridotta. Il bilanciamento attivo è attualmente utilizzato per uscite di grandi dimensioni (E-Power) in settori come la mobilità elettrica (EV = veicolo elettrico, BEV = veicolo elettrico a batteria, HEV = veicolo elettrico ibrido e PHEV = veicolo elettrico ibrido plug-in).
Il maggiore sforzo di commutazione per il sistema di controllo determina naturalmente maggiori costi iniziali. In cambio, tuttavia, questo sistema di controllo per la gestione della batteria offre vantaggi tangibili. Attraverso un controllo della carica superiore con un software intelligente e adattivo, questa ridistribuzione della carica da celle forti a celle deboli, anche tra diversi circuiti in serie, può estendere notevolmente la durata di servizio di un pacchetto di batterie a prestazioni elevate.
Circuito principale di un sistema di bilanciamento attivo con bobine, due fasi. (Fonte: Wikipedia)
Protezione
In applicazioni E-Power come i veicoli elettrici, i pacchetti di batterie rappresentano generalmente il principale fattore di costo. Il cliente richiede massime prestazioni, un processo di carica più veloce possibile, una durata di servizio lunga e affidabilità assoluta. Requisiti che semplicemente non sono compatibili.
Le batterie a base di litio hanno una densità di potenza molto più alta delle robuste batterie al piombo. Tuttavia, sono molto sensibili alle sovratensioni e alle sottotensioni. Ciò richiede monitoraggio e protezione per prevenire in modo affidabile guasti prematuri, surriscaldamento o addirittura il cortocircuito di singole celle. Questi supporti devono funzionare senza problemi per molti anni. Devono resistere al freddo dell'inverno e al caldo dell'estate, nonché a urti e vibrazioni.
Devono consentire il passaggio di correnti di carica e scarica massime con perdite minime. Inoltre, è indispensabile la resistenza ciclica per attivazione/disattivazione e accelerazione.
Metodo di carica IU con corrente costante (CC) e tensione costante (CV)
Fusibili personalizzati
I peggiori nemici dei pacchetti di batterie, tuttavia, sono la sovratemperatura, i cortocircuiti e le sovracorrenti a impulsi. A seconda della progettazione e dello scopo del pacchetto di batterie a prestazioni elevate, l'attenzione deve essere rivolta alla protezione contro la sovracorrente e/o maggiormente alla temperatura. Tuttavia, nella maggior parte dei casi, diversi potenziali problemi si presentano contemporaneamente. In pratica, questo significa che per la protezione sono necessarie delle soluzioni personalizzate. Una possibilità, già implementata, è data da fusibili combinati a prova di impulsi per la protezione da sovracorrente e sovratemperatura. In questo caso si utilizza la tecnologia chip per garantire la necessaria resistenza meccanica.
Massima densità di potenza con massimi livelli di sicurezza e longevità: questo approccio si applica non solo alle singole celle, ma a tutta l'unità di alimentazione.
Economia
Ovviamente, è sempre possibile utilizzare la tecnologia di batterie più recente e fornire sempre la capacità di prestazioni più elevata possibile. Tuttavia, questo è sempre associato a costi elevati e manca completamente l'esperienza a lungo termine. Per questo motivo, il settore tende a basarsi su tecnologie consolidate che si sono dimostrate valide milioni di volte in applicazioni standard (ad esempio, i notebook). In una fase successiva, vengono ottimizzati i processi di produzione, vengono fissati i limiti del flusso in entrata e in uscita e vengono sviluppati meccanismi per la massima scalabilità. Il processo di carica e scarica intelligente avrà un'importanza enorme in futuro. Il bilanciamento ottimizzato combina prestazioni ottimizzate e massima aspettativa di vita.
Partner esperto
SCHURTER ora offre un'ampia gamma di fusibili secondo lo standard AEC-Q200 per diverse applicazioni (gestione batterie, climatizzazione, elettronica per motori diesel/a benzina e molto altro). In tutto il mondo vengono utilizzati milioni di fusibili per proteggere da sovracorrente e sovratemperatura e dalla combinazione di entrambe. La stretta interazione con organizzazioni internazionali del settore automotive e il settore stesso fanno di SCHURTER un partner competente per tutte le questioni relative alla protezione dell'elettronica nell'ingegneria automobilistica.
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