Il degrado della capacità e l'aumento della resistenza interna misurano dimensioni diverse dello stato di salute della batteria: il test della capacità valuta quanta energia una batteria può ancora immagazzinare ed erogare, mentre il test della resistenza valuta l'efficacia con cui può fornire potenza sotto carico.
La perdita di capacità è principalmente un indicatore della ritenzione energetica; l'aumento della resistenza interna è principalmente un indicatore dell'erogazione di potenza. I sistemi di test di laboratorio delle batterie devono quindi utilizzare protocolli di test, condizioni operative e criteri di fine vita diversi per ciascuna metrica.
Cosa misura ciascun indicatore
Il degrado della capacità misura l'energia utilizzabile
La capacità è la quantità di carica che una cella può erogare in condizioni definite, generalmente espressa in ampere-ora o come percentuale della capacità nominale originale.
Un sistema di laboratorio carica completamente la cella utilizzando il profilo di carica raccomandato, quindi la scarica a una velocità controllata fino a una tensione di fine scarica definita. Il tester integra la corrente nel tempo per determinare la capacità pratica.
La capacità viene comunemente monitorata come:
Ritenzione della capacità (%) = capacità misurata / capacità iniziale x 100
Un parametro di riferimento comunemente utilizzato per il fine vita preliminare delle batterie per l'accumulo di energia e il backup è l'80% della capacità utilizzabile originale. Si tratta di un punto di riferimento pratico, non di una soglia universale per ogni chimica o applicazione.
L'aumento della resistenza interna misura la capacità di erogare potenza
La resistenza interna rappresenta l'opposizione al flusso di corrente all'interno della batteria. Quando la resistenza aumenta, la batteria subisce una maggiore caduta di tensione interna e perde più energia sotto forma di calore durante il funzionamento ad alta corrente.
Il sistema di test può stimare la resistenza applicando un impulso di corrente controllato dopo un periodo di riposo:
R = (V_rest - V_loaded) / I
Il risultato dipende dalla durata dell'impulso, dal livello di corrente, dalla temperatura, dallo State of Charge (SoC) e dal punto di misurazione. È quindi un indicatore delle prestazioni specifico delle condizioni di test, piuttosto che una proprietà materiale fissa.
Come differiscono i criteri di valutazione in laboratorio
Il test della capacità enfatizza la ripetibilità e il bilancio energetico
Le misurazioni della capacità richiedono condizioni stabili e attentamente controllate, perché il risultato dipende dal protocollo di carica, dalla velocità di scarica, dalla temperatura, dalla tensione di fine scarica e dai periodi di riposo.
Una valutazione tipica include:
- Una procedura prescritta di carica completa
- Una scarica a bassa velocità, come C/20
- Una temperatura fissa
- Una tensione di fine scarica definita
- L'integrazione accurata della corrente di scarica
- Misurazioni ripetute durante i cicli di invecchiamento o gli intervalli di stoccaggio
I criteri principali sono la ritenzione della capacità, l'energia erogata e la velocità con cui la capacità diminuisce nel tempo.
Il test della resistenza enfatizza la risposta dinamica
Le misurazioni della resistenza sono generalmente più rapide dei test completi della capacità, perché utilizzano un breve impulso ad alta corrente invece di una scarica completa.
Una valutazione tipica include:
- Un periodo di riposo controllato
- Un SoC specificato
- Un impulso di corrente definito, come 1C per 10 secondi
- La misurazione della tensione immediatamente prima e durante l'impulso
- Il calcolo della risposta di tensione divisa per la corrente applicata
- La ripetizione a temperature e intervalli di invecchiamento controllati
I criteri principali sono il valore della resistenza, l'aumento della resistenza rispetto al valore di riferimento e la capacità della cella di mantenere la tensione sotto il carico previsto.
Le condizioni di test rilevanti sono diverse
I test della capacità sono fortemente influenzati dalla velocità di scarica, dalla tensione di fine scarica e dalla temperatura, perché questi fattori determinano quanta energia immagazzinata può essere estratta in pratica.
I test della resistenza sono particolarmente sensibili alla corrente dell'impulso, alla durata dell'impulso, al SoC, alla temperatura e alla storia del riposo precedente della cella. Un risultato di resistenza privo delle relative condizioni di test è difficile da interpretare o confrontare.
Quale indicatore è importante per l'applicazione?
Batterie per l'accumulo di energia e il backup
Per i sistemi UPS, il backup delle telecomunicazioni e applicazioni simili, il degrado della capacità è generalmente l'indicatore primario dello stato di salute.
Questi sistemi devono sostenere un carico per una durata richiesta. Una batteria con una resistenza accettabile ma una capacità insufficiente può comunque non soddisfare il requisito effettivo di autonomia del backup.
Il test della capacità dovrebbe quindi essere correlato alla durata di scarica richiesta, al profilo di carico, all'intervallo di temperatura e alla tensione di fine scarica.
Batterie di avviamento per autoveicoli
Per le batterie di avviamento, la resistenza interna e l'impedenza sono generalmente più informative.
La batteria deve erogare una corrente elevata per un breve periodo per avviare il motore. L'aumento della resistenza può causare una notevole caduta di tensione durante l'avviamento, anche quando la capacità misurata è diminuita solo moderatamente.
I test con impulsi brevi ad alta corrente e le misurazioni a bassa temperatura sono particolarmente rilevanti, perché le prestazioni di avviamento sono determinate dall'erogazione istantanea di potenza.
Applicazioni di trazione e ibride
Per i veicoli elettrici e i sistemi ibridi, entrambi gli indicatori sono necessari.
La capacità influisce sull'autonomia e sull'energia disponibile, mentre la resistenza influisce sulla potenza di accelerazione, sull'accettazione della frenata rigenerativa, sulla generazione di calore e sulla stabilità della tensione. Un singolo indicatore dello stato di salute non può rappresentare adeguatamente tutti questi requisiti.
Perché entrambi gli indicatori sono necessari per la valutazione dello SOH
Capacità e resistenza rivelano effetti di degrado diversi
L'invecchiamento della batteria produce comunemente sia una riduzione della capacità sia un aumento della resistenza interna, ma questi fenomeni non procedono necessariamente alla stessa velocità.
Una cella può conservare una capacità sostanziale mentre la sua resistenza è aumentata abbastanza da limitare la potenza di picco. Al contrario, può mantenere prestazioni di potenza accettabili mentre l'energia disponibile è scesa al di sotto del requisito dell'applicazione.
Lo State of Health (SOH) dovrebbe quindi essere definito in base alla funzione prevista della batteria, anziché essere dedotto da una sola misurazione.
La storia dell'invecchiamento modifica l'interpretazione
L'invecchiamento ciclico deriva da ripetute sollecitazioni di carica e scarica, mentre l'invecchiamento di calendario continua durante lo stoccaggio ed è accelerato da temperature elevate e da un SoC elevato.
I sistemi di laboratorio possono separare questi effetti testando le celle a temperature controllate, da circa -20°C a 60°C, e a livelli di SoC compresi tra 0% e 100%. Anche campioni multipli aiutano a distinguere il degrado sistematico dalla variazione tra celle.
La tendenza del degrado è importante
I ricercatori dovrebbero monitorare la pendenza e la forma di ciascun indicatore nel tempo, non solo il suo valore più recente.
La resistenza può aumentare rapidamente vicino al fine vita, mentre la capacità può mostrare un calo graduale seguito da una regione di invecchiamento più rapido. Identificare questo punto di flesso dell'invecchiamento aiuta a stabilire soglie prognostiche e a valutare l'idoneità a una seconda vita.
Come configurare un sistema di test di laboratorio
Utilizzare protocolli di capacità per le domande sulla ritenzione energetica
Configurare un protocollo di capacità quando la domanda è:
- Per quanto tempo la batteria può far funzionare un carico definito?
- Quanta energia rimane dopo lo stoccaggio o il ciclaggio?
- Una modifica del materiale migliora la resa energetica pratica?
- La capacità utilizzabile è scesa al di sotto della soglia di servizio dell'applicazione?
Il protocollo dovrebbe definire il metodo di carica, la velocità di scarica, la tensione di fine scarica, la temperatura, i periodi di riposo e il numero di ripetizioni.
Utilizzare protocolli a impulsi per le domande sull'erogazione di potenza
Configurare un test della resistenza o della potenza quando la domanda è:
- La batteria può erogare una corrente di picco richiesta?
- Quanta caduta di tensione si verifica sotto carico?
- La generazione di calore sta aumentando?
- La conduttività o le prestazioni ad alta velocità della cella sono peggiorate?
La corrente dell'impulso, la durata, il SoC, la temperatura e la condizione di riposo devono rimanere costanti quando si confrontano i risultati durante il ciclo di vita della batteria.
Combinare entrambi i protocolli per le decisioni di sviluppo
I team di ricerca e sviluppo delle batterie che valutano la lavorazione degli elettrodi, le modifiche strutturali o le formulazioni dei materiali attivi dovrebbero misurare sia la ritenzione della capacità sia l'aumento della resistenza.
I sistemi multicanale possono eseguire cicli controllati, test periodici di riferimento della capacità e impulsi di resistenza su molte celle. Ciò evidenzia i compromessi tra resa energetica, capacità ad alta velocità e durata.
Comprendere i compromessi
I test della capacità sono completi ma richiedono tempo
Una misurazione completa della capacità può richiedere una sequenza completa di carica e scarica, periodi di riposo e uno stretto controllo termico.
Ciò rende il test della capacità adatto alle misurazioni periodiche di riferimento, ma inefficiente come unico strumento diagnostico ad alta frequenza durante lunghi esperimenti di invecchiamento.
I test della resistenza sono rapidi ma dipendono dalle condizioni
Un impulso di resistenza può essere completato rapidamente, ma il risultato dipende fortemente dal SoC, dalla temperatura, dalla corrente, dalla durata dell'impulso e dallo stato di rilassamento.
I valori della resistenza dovrebbero essere confrontati solo quando le condizioni di test sono controllate o quando è disponibile un modello di correzione validato.
Nessuna delle due metriche è un predittore universale di guasto
Una soglia di capacità dell'80% può essere appropriata per alcune applicazioni di accumulo energetico, ma irrilevante per una batteria di avviamento la cui potenza di avviamento è già diventata insufficiente.
Analogamente, una soglia di resistenza deve essere collegata ai limiti di caduta di tensione, ai requisiti di corrente di picco, ai vincoli termici o a un altro limite prestazionale specifico dell'applicazione.
La capacità teorica non è il riferimento corretto per il laboratorio
La capacità pratica è inferiore alla capacità teorica del materiale attivo, perché le celle contengono collettori di corrente, separatori, leganti, involucri e altri componenti che non immagazzinano direttamente energia.
La valutazione dello stato di salute dovrebbe confrontare le misurazioni con la capacità pratica iniziale misurata della cella, utilizzando lo stesso protocollo validato, anziché con un massimo teorico.
Scegliere correttamente in base al proprio obiettivo
Scegliere l'indicatore e il protocollo che corrispondono al ciclo di lavoro effettivo della batteria e alle conseguenze del guasto.
- Se l'obiettivo principale è la durata dell'accumulo di energia: Dare priorità ai test standardizzati di ritenzione della capacità nelle condizioni previste di carico, temperatura e tensione di fine scarica.
- Se l'obiettivo principale è l'erogazione istantanea di potenza: Dare priorità ai test controllati della resistenza a impulsi o dell'impedenza al SoC e alla temperatura rilevanti.
- Se l'obiettivo principale è valutare le prestazioni di veicoli elettrici o ibridi: Monitorare sia la perdita di capacità sia l'aumento della resistenza, perché autonomia, accelerazione, ricarica rigenerativa e generazione di calore dipendono da dimensioni diverse dello stato di salute.
- Se l'obiettivo principale è la previsione della durata: Combinare test periodici di riferimento della capacità con misurazioni ripetute della resistenza e modellare entrambe le tendenze di degrado.
- Se l'obiettivo principale è lo sviluppo di materiali o processi: Utilizzare test su più celle per confrontare resa energetica, capacità alle diverse velocità, aumento della resistenza e ritenzione della capacità mediante protocolli identici.
La valutazione più affidabile dello stato di salute della batteria misura l'indicatore che corrisponde alla funzione richiesta e lo convalida nelle condizioni in cui si verificherebbe effettivamente il guasto.
Tabella riepilogativa:
| Indicatore | Misura | Metodo di test | Criteri principali | Ideale per |
|---|---|---|---|---|
| Degrado della capacità | Ritenzione energetica | Carica/scarica completa a bassa velocità, ad es. C/20 | Percentuale di ritenzione della capacità, energia erogata | Backup, accumulo di energia |
| Aumento della resistenza interna | Erogazione di potenza | Breve impulso ad alta corrente | Valore della resistenza, percentuale di aumento | Batterie di avviamento, applicazioni ad alta potenza |
Entrambi sono necessari per una valutazione completa dello SOH. I test della capacità sono completi ma lenti; i test della resistenza sono rapidi ma dipendono dalle condizioni.
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