La variazione della resistenza ohmica interna fa sì che i rami delle batterie in parallelo condividano la corrente di carica in modo non uniforme. Una cella con resistenza inferiore generalmente accetta più corrente all'inizio della carica, mentre una cella con resistenza superiore ne accetta meno. Con il progredire della carica, le differenze nello stato di carica, nella tensione a circuito aperto e nella polarizzazione modificano la ripartizione, creando spesso una forte divergenza di corrente verso la fine della carica. I tester per batterie di precisione sono utili perché misurano queste differenze prima dell'assemblaggio e convalidano la condivisione della corrente in condizioni operative realistiche.
Il punto chiave: le celle in parallelo condividono la tensione ai terminali, ma non necessariamente la corrente. La differenza di resistenza determina la ripartizione iniziale della corrente, mentre l'evoluzione dello SOC e della polarizzazione determina come tale ripartizione cambia nel tempo.
Perché i rami in parallelo non condividono la corrente in modo uniforme
La relazione di base della corrente
Per un ramo in un blocco di batterie in parallelo, la corrente è approssimativamente regolata da:
[ I=\frac{U_0-U_{\mathrm{OCV}}-U_p}{R} ]
Dove (U_0) è la tensione comune ai terminali, (U_{\mathrm{OCV}}) è la tensione a circuito aperto della cella, (U_p) è la tensione di polarizzazione e (R) è la resistenza interna.
Poiché questi valori differiscono tra le celle, una tensione ai terminali uguale non produce una corrente di ramo uguale.
Una resistenza inferiore attira più corrente iniziale
All'inizio della carica, le celle con una resistenza interna inferiore presentano una caduta di tensione resistiva minore a parità di corrente. Pertanto accettano una quota maggiore della corrente applicata.
Ciò fa aumentare più rapidamente il loro SOC e la loro OCV, mentre le celle con resistenza maggiore accumulano la carica più lentamente.
La condivisione della corrente cambia durante la carica
Lo squilibrio iniziale può correggersi parzialmente. Quando l'OCV della cella con resistenza inferiore aumenta, la differenza di tensione effettiva che spinge ulteriore corrente in quel ramo diminuisce.
Questo crea un certo grado di retroazione negativa, consentendo ai rami con resistenza maggiore di assumere una quota più elevata in seguito. Tuttavia, la correzione non è garantita né completa, perché resistenza, SOC, OCV e polarizzazione continuano a evolversi in modo diverso.
Perché il problema diventa più grave vicino alla carica completa
La polarizzazione diventa un fattore importante
Verso la fine della carica, la corrente di ramo è influenzata non solo dalla resistenza ohmica, ma anche dalla tensione di polarizzazione e dalle differenze di SOC accumulate.
Per le chimiche con un plateau OCV relativamente piatto, come il LiFePO₄, piccole differenze di resistenza e SOC possono produrre una significativa ridistribuzione della corrente, perché la sola OCV offre poche distinzioni tra le celle per gran parte dell'intervallo di carica.
Un ramo può essere sottoposto a sollecitazioni eccessive
Un ramo che continua ad accettare una corrente sproporzionatamente elevata può subire una maggiore dissipazione di potenza e un riscaldamento localizzato. Nel frattempo, un altro ramo può rimanere sottocarico perché la sua resistenza maggiore o la sua tensione apparente ai terminali più elevata limita la corrente.
Il risultato può essere un invecchiamento non uniforme, stress termico, una riduzione della capacità utilizzabile e un maggiore rischio di condizioni di sovraccarica o sottocarica a livello di cella.
La tensione ai terminali può essere fuorviante
Durante la carica attiva:
[ V_{\mathrm{terminal}}=V_{\mathrm{OCV}}+I R+\text{effetti di polarizzazione} ]
Una cella con resistenza elevata può mostrare una tensione ai terminali più alta anche quando il suo SOC effettivo è inferiore a quello di una cella vicina. Un sistema di bilanciamento che si basa solo sulla tensione istantanea ai terminali può quindi identificare la cella sbagliata da bilanciare.
Come aiutano le apparecchiature di test
Misurare la resistenza prima dell'assemblaggio
La caratterizzazione della resistenza ad alta precisione consente agli ingegneri di quantificare le distribuzioni della resistenza interna in corrente continua tra le celle prima che vengano collegate in parallelo.
Le celle possono quindi essere selezionate e abbinate in base a resistenza, capacità, SOC e altri parametri rilevanti, invece di essere assemblate esclusivamente sulla base della tensione nominale.
Caratterizzare il comportamento dinamico, non solo un singolo valore di resistenza
Una singola misurazione della resistenza potrebbe non rappresentare il comportamento in tutte le condizioni operative. I sistemi di test per batterie multicanale possono applicare profili controllati di carica, scarica e impulsi, misurando al contempo le risposte di tensione e corrente.
Ciò rivela il comportamento di ogni cella in funzione di:
- SOC
- Temperatura
- Corrente di carica o scarica
- Durata dell'impulso
- Tempo di riposo
- Stato di salute
Utilizzare i test a impulsi per quantificare la DCIR
Il test della resistenza interna in corrente continua misura la risposta di tensione a un gradino o impulso di corrente controllato. La conseguente caduta di tensione dinamica aiuta a identificare le celle che assorbiranno una corrente eccessiva o svilupperanno una tensione ai terminali eccessiva in un blocco parallelo.
I dati degli impulsi supportano inoltre l'analisi della capacità di potenza e aiutano a distinguere le celle che sembrano simili a riposo ma si comportano diversamente sotto carico.
Misurare le correnti dei singoli rami
Durante i test a livello di modulo, la misurazione indipendente della corrente per ciascun ramo in parallelo mostra se la corrente viene effettivamente condivisa come previsto.
Ciò è essenziale perché la corrente a livello di pacco può apparire normale mentre un ramo trasporta una corrente eccessiva e un altro contribuisce in misura insufficiente.
Verificare il comportamento in condizioni realistiche
Le piattaforme di test possono riprodurre le condizioni operative dei veicoli elettrici o dei sistemi di accumulo energetico, comprese la carica a corrente variabile, i periodi di riposo, gli impulsi e le condizioni termiche.
Ciò consente agli ingegneri di convalidare:
- Stabilità della condivisione della corrente
- Riscaldamento localizzato
- Divergenza a fine carica
- Prestazioni del sistema di bilanciamento
- Criteri di abbinamento delle celle
- Margini elettrici e termici a livello di pacco
Correggere l'errore di tensione legato alla resistenza
I sistemi di test avanzati possono combinare misurazioni di corrente, tensione, temperatura e resistenza per separare la vera OCV dalla caduta istantanea (IR) e dagli effetti di polarizzazione.
In alternativa, i protocolli di test possono includere periodi di riposo sufficientemente lunghi affinché le tensioni delle celle si avvicinino alla loro vera OCV prima di prendere decisioni sul SOC o sul bilanciamento.
Comprendere i compromessi
L'abbinamento della resistenza migliora la coerenza, ma non risolve tutto
Un abbinamento rigoroso della resistenza riduce lo squilibrio iniziale della corrente, ma non può eliminare le differenze di capacità, SOC, comportamento OCV-SOC, temperatura o storico di invecchiamento.
Un processo di abbinamento efficace dovrebbe quindi considerare un insieme più ampio di parametri, anziché basarsi esclusivamente sulla DCIR.
La resistenza dipende dalle condizioni
La resistenza misurata varia in funzione di temperatura, SOC, corrente di misurazione, durata dell'impulso e metodo di test. Due celle possono avere una resistenza simile in una condizione di test, ma divergere sostanzialmente in un'altra.
Le specifiche della resistenza sono significative solo quando la procedura di misurazione è controllata e chiaramente definita.
Il bilanciamento non può compensare indefinitamente una selezione inadeguata delle celle
Un sistema di bilanciamento può correggere alcune differenze di SOC, ma non può eliminare completamente lo stress termico ed elettrico causato da uno squilibrio persistente della corrente.
La classificazione delle celle e la convalida a livello di ramo dovrebbero essere effettuate prima di affidarsi all'elettronica di bilanciamento.
Una maggiore strumentazione aumenta la complessità dei test
Le misurazioni individuali di corrente, tensione, temperatura e resistenza migliorano la diagnosi, ma aggiungono requisiti di hardware, calibrazione, gestione dei dati e sincronizzazione.
La strumentazione dovrebbe essere selezionata in base alla decisione che deve supportare: selezione delle celle, sviluppo del modello, convalida della sicurezza o controllo qualità della produzione.
Scegliere la soluzione giusta per il proprio obiettivo
I test dovrebbero collegare le misurazioni a livello di cella con il comportamento effettivo dei rami in parallelo, invece di trattare la resistenza interna come una specifica isolata.
- Se l'obiettivo principale è l'abbinamento delle celle: misurare DCIR, capacità, comportamento SOC-OCV e risposta alla temperatura in condizioni controllate prima dell'assemblaggio in parallelo.
- Se l'obiettivo principale è la convalida della condivisione della corrente: utilizzare correnti di ramo misurate indipendentemente durante la carica controllata per identificare lo squilibrio dinamico e la divergenza a fine carica.
- Se l'obiettivo principale è l'accuratezza del bilanciamento: combinare le misurazioni OCV durante i periodi di riposo o l'analisi della tensione compensata per la resistenza con il monitoraggio delle singole celle.
- Se l'obiettivo principale è l'affidabilità del pacco: convalidare le celle abbinate in condizioni rappresentative di carica per veicoli elettrici o sistemi di accumulo energetico, comprese le condizioni di impulso e termiche.
- Se l'obiettivo principale è la qualità della produzione: definire metodi di test della resistenza e delle prestazioni ripetibili, in modo che le celle possano essere classificate in modo coerente tra diversi lotti di produzione.
Un'attenta caratterizzazione della resistenza e i test a livello di ramo trasformano lo squilibrio della corrente da un meccanismo imprevisto di guasto del pacco in una variabile di progettazione misurabile e gestibile.
Tabella riepilogativa:
| Fattore | Effetto sulla distribuzione della corrente | Come aiutano i test |
|---|---|---|
| Differenza iniziale di resistenza | Le celle con R bassa assorbono più corrente; quelle con R alta ne assorbono meno. | Misurare la DCIR prima dell'assemblaggio per abbinare le celle. |
| Evoluzione di SOC/OCV | L'OCV delle celle con R bassa aumenta più rapidamente, bilanciando parzialmente la corrente in seguito. | Monitorare le correnti dei rami durante i cicli. |
| Polarizzazione (vicino alla fine della carica) | Forte divergenza dovuta al plateau OCV piatto e agli effetti di polarizzazione. | Utilizzare test a impulsi per caratterizzare la polarizzazione e la DCIR. |
| Temperatura e invecchiamento | Modificano la DCIR, peggiorando lo squilibrio nel tempo. | Convalidare in condizioni realistiche di temperatura e invecchiamento. |
| Accuratezza del bilanciamento | La tensione ai terminali può trarre in inganno il bilanciamento; è necessaria la vera OCV. | Utilizzare l'OCV durante i periodi di riposo o la tensione compensata per la resistenza. |
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