Il test standard di densità di potenza a impulsi utilizza punti SOC controllati, brevi impulsi ad alta corrente e una misurazione precisa della tensione per determinare la capacità massima di scarica e carica della batteria. Una procedura tipica carica completamente la batteria agli ioni di litio utilizzando il controllo CC-CV, consente un periodo di riposo a temperatura controllata, quindi la sottopone a test a livelli SOC compresi dal 90% fino al 40%. A ogni livello, il tester applica un impulso di scarica di 10 secondi, un impulso di carica e una fase di scarica controllata, registrando corrente e tensione ai terminali ad alta velocità di campionamento.
Il test determina la potenza massima a impulsi e la resistenza interna CC in condizioni ripetibili di SOC e temperatura. La potenza di picco misurata deve quindi essere normalizzata in base alla massa o al volume della batteria per calcolare la densità di potenza, mentre i limiti di tensione e corrente definiscono l'intervallo operativo consentito.
Cosa misura il test
Potenza massima di scarica e carica
Durante ciascun impulso, la potenza elettrica istantanea della batteria viene calcolata come:
[ P(t) = U(t) \times I(t) ]
dove (U(t)) è la tensione ai terminali a circuito chiuso e (I(t)) è la corrente dell'impulso.
La procedura di riferimento valuta la potenza di picco utilizzando la tensione e la corrente misurate 0,1 secondi dopo l'inizio dell'impulso. Questa misurazione iniziale acquisisce una condizione operativa ad alta potenza riducendo al contempo l'influenza degli effetti termici ed elettrochimici più lenti.
Resistenza interna CC
La risposta all'impulso fornisce inoltre una stima della resistenza interna CC:
[ R_{\mathrm{DC}} = \frac{\Delta U}{\Delta I} ]
Una maggiore caduta di tensione per una determinata variazione di corrente indica una resistenza interna più elevata e una minore capacità di potenza.
Il valore della resistenza dipende dall'intervallo di misurazione. Una resistenza calcolata immediatamente dopo l'inizio dell'impulso sarà diversa da una calcolata dopo alcuni secondi; pertanto, il rapporto di prova deve specificare la convenzione temporale utilizzata.
Densità di potenza
La potenza di picco misurata viene convertita in densità di potenza dividendo per la base fisica selezionata:
[ \rho_P = \frac{P_{\mathrm{max}}}{m} ]
per la densità di potenza gravimetrica in W/kg, oppure:
[ \rho_P = \frac{P_{\mathrm{max}}}{V_{\mathrm{battery}}} ]
per la densità di potenza volumetrica in W/L.
Il rapporto deve indicare se il calcolo utilizza la massa e il volume della cella, del modulo o del pacco completo.
Come preparare la batteria
Controllare l'ambiente di test
Condurre il test a una temperatura ambiente controllata, in genere 20 ± 2 °C per la procedura descritta nel riferimento principale.
La temperatura deve essere misurata e registrata perché la resistenza e la capacità di potenza delle batterie agli ioni di litio variano significativamente in funzione della temperatura. La batteria deve essere stabilizzata termicamente prima dell'inizio del test.
Caricare completamente la batteria
Iniziare con una carica completa a corrente costante/tensione costante (CC-CV) utilizzando i limiti specificati dal produttore.
La carica deve proseguire fino al raggiungimento della condizione prescritta di terminazione della corrente. I valori applicabili di tensione, corrente e terminazione devono provenire dal produttore della batteria o dallo standard di prova applicabile.
Consentire un riposo iniziale
Dopo la carica, lasciare riposare la batteria per un'ora.
Questo periodo di riposo consente il rilassamento della tensione e stabilisce una condizione iniziale ripetibile prima della prima sequenza di impulsi.
Come eseguire la sequenza SOC
Selezionare i livelli SOC target
La procedura principale valuta la batteria a diversi livelli SOC, procedendo da circa 90% SOC fino a 40% SOC.
L'intervallo SOC esatto deve essere definito prima del test. Il SOC deve essere calcolato utilizzando un metodo coerente, normalmente basato sul conteggio coulombico calibrato con un'adeguata correzione per la capacità utilizzabile della batteria.
Applicare l'impulso di scarica
A ogni SOC target, applicare un impulso di scarica a corrente costante e alta velocità per 10 secondi.
Il riferimento principale indica una velocità di scarica rappresentativa di 6C. La corrente effettiva deve essere selezionata in base alle specifiche del test, ai limiti della batteria e alla capacità dell'apparecchiatura di prova.
Registrare:
- Corrente dell'impulso
- Tensione ai terminali
- Tempo
- Temperatura della batteria
- SOC
- Qualsiasi risposta di protezione o guasto
L'impulso deve essere interrotto se la batteria raggiunge il limite specificato di tensione minima, corrente, temperatura o sicurezza.
Riposo dopo la scarica
Lasciare riposare la batteria per 40 secondi dopo l'impulso di scarica.
Questo intervallo fornisce un periodo di recupero definito prima dell'impulso di carica e aiuta a distinguere la risposta immediata all'impulso dal successivo comportamento di rilassamento.
Applicare l'impulso di carica
Applicare un impulso di carica a corrente costante per 10 secondi. Il riferimento principale indica una velocità di carica rappresentativa di 3C.
L'impulso di carica deve rimanere entro i limiti massimi di tensione, corrente e temperatura stabiliti dal produttore. La polarità di carica deve essere documentata chiaramente perché alcuni standard di prova utilizzano una convenzione dei segni in cui le correnti di scarica e carica hanno segni opposti.
Scaricare alla corrente di fase
Dopo l'impulso di carica, scaricare la batteria a 1C per 330 secondi.
Questa scarica controllata porta la batteria verso il punto SOC successivo. La variazione effettiva del SOC deve essere verificata a partire dai dati registrati corrente-tempo e non semplicemente presunta sulla base dei calcoli nominali della velocità C.
Riposo prima del punto SOC successivo
Dopo la scarica di 330 secondi, lasciare riposare la batteria per un'ora prima di iniziare la fase SOC successiva.
Ripetere la sequenza di impulsi fino a testare tutti i livelli SOC specificati.
Come determinare la potenza massima a impulsi
Utilizzare i limiti di tensione come vincoli
Una corrente di impulso è valida solo se la tensione ai terminali risultante rimane entro i limiti operativi consentiti.
Per la scarica, la corrente massima consentita è vincolata dalla tensione minima di scarica (U_{\min}). Per la carica, è vincolata dalla tensione massima di carica (U_{\max}).
Un calcolo semplificato è:
[ P_{\max}^{\mathrm{dis}} = U_{\min} \times I_{\max}^{\mathrm{dis}} ]
[ P_{\max}^{\mathrm{chr}} = U_{\max} \times I_{\max}^{\mathrm{chr}} ]
Questi valori rappresentano la potenza massima consentita degli impulsi di scarica e carica nelle condizioni di test definite.
Utilizzare correnti di impulso incrementali quando necessario
Alcune procedure, incluso l'approccio JEVS D713-2003 descritto nel riferimento supplementare, applicano una serie di impulsi di 10 secondi a velocità C incrementate progressivamente.
Una sequenza tipica può includere periodi di riposo a corrente zero e impulsi con intensità di carica e scarica crescenti, come 1C, 2C e 3C. La tensione ai terminali misurata al termine di ciascun impulso viene rappresentata in funzione della corrente per produrre una relazione tensione-corrente.
La corrente consentita viene quindi identificata estendendo o adattando tale relazione ai limiti di tensione specificati.
Misurare al punto temporale definito
Per la procedura principale, calcolare la potenza di picco riportata utilizzando la tensione a circuito chiuso e la corrente 0,1 secondi dopo l'inizio dell'impulso.
Per un'analisi in stile JEVS, utilizzare la tensione al termine dell'impulso definito di 10 secondi. Si tratta di convenzioni di misurazione diverse e non devono essere combinate nel confronto dei risultati.
Apparecchiature e dati di test richiesti
Utilizzare un ciclatore programmabile per batterie
Il test richiede un sistema programmabile per il test delle batterie in grado di:
- Carica CC-CV
- Scarica a impulsi ad alta corrente
- Carica a impulsi ad alta corrente
- Periodi di riposo temporizzati con precisione
- Sequenziamento basato sul SOC
- Campionamento rapido di tensione e corrente
- Monitoraggio della temperatura
- Arresto automatico in caso di superamento dei limiti di sicurezza
Il sistema deve essere dimensionato per la tensione, la corrente, la potenza e l'energia immagazzinata massime della batteria.
Campionare a una velocità sufficientemente elevata
La risposta iniziale della tensione si verifica rapidamente, quindi una registrazione lenta dei dati può non rilevare la caduta di tensione rilevante.
La frequenza di campionamento, il filtraggio, la sincronizzazione, la larghezza di banda dei sensori e la latenza di misurazione devono essere documentati. I canali di corrente e tensione devono essere allineati temporalmente durante il calcolo della potenza o della resistenza interna.
Monitorare la batteria completa
Per le batterie dei veicoli, il test può coinvolgere una cella, un modulo o un pacco completo. A livello di modulo e pacco, la procedura deve inoltre tenere conto di:
- Intervento del sistema di gestione della batteria
- Comportamento dei contattori
- Squilibrio tra le celle
- Funzionamento del sistema di raffreddamento
- Limiti di corrente del pacco
- Monitoraggio dell'isolamento
- Protezione da sovratensione e sottotensione
Un risultato a livello di pacco non è necessariamente prevedibile a partire dal risultato di una singola cella, perché la cella o il modulo più debole può determinare il limite di impulso utilizzabile.
Comprendere i compromessi
La potenza di picco non è la potenza continua
Una valutazione basata su un impulso di 10 secondi descrive le prestazioni di breve durata. Non stabilisce la potenza che la batteria può fornire continuamente senza surriscaldarsi o superare i limiti termici.
La capacità di potenza continua richiede un test separato con un'adeguata stabilizzazione termica e una durata appropriata.
Velocità C più elevate aumentano lo stress
Gli impulsi ad alta velocità producono una maggiore caduta di tensione, generazione di calore e stress elettrochimico.
I test ripetuti possono alterare le condizioni della batteria, soprattutto quando questa è esposta a velocità di carica elevate o opera vicino ai limiti di tensione e temperatura. Pertanto, è necessario registrare l'ordine dei test, il numero di cicli e il precondizionamento.
Il solo SOC non definisce le prestazioni
Lo stesso SOC può produrre risultati diversi a seconda della temperatura, dell'invecchiamento, della storia della corrente precedente, del tempo di riposo e del metodo di misurazione della capacità.
I confronti sono significativi solo quando queste condizioni sono controllate o riportate esplicitamente.
La densità di potenza dipende dal perimetro di misurazione
Un valore W/kg a livello di cella non deve essere confrontato direttamente con un valore W/kg a livello di pacco, a meno che il perimetro della massa non sia identico.
Il rapporto deve indicare se sono inclusi la struttura di imballaggio inattiva, l'hardware di raffreddamento, le sbarre collettrici, l'elettronica e la massa dell'involucro.
Gli standard utilizzano convenzioni diverse
La procedura principale utilizza una sequenza definita di scarica-carica-scarica e valuta la potenza a un punto temporale iniziale specificato dell'impulso. I test in stile JEVS possono utilizzare più impulsi incrementali e la tensione misurata al termine di ciascun impulso di 10 secondi.
Questi metodi possono produrre valori diversi di potenza e resistenza; pertanto, è necessario indicare sempre lo standard di riferimento e la tempistica del calcolo.
Scegliere la soluzione giusta per il proprio obiettivo
Utilizzare il metodo di test che corrisponde all'indicazione prestazionale che si desidera supportare.
- Se l'obiettivo principale è l'accelerazione del veicolo o la frenata rigenerativa: testare gli impulsi di scarica e carica a condizioni SOC e di temperatura pertinenti, utilizzando i limiti effettivi di tensione e corrente della batteria del veicolo.
- Se l'obiettivo principale è confrontare celle o moduli: mantenere identici per tutti i campioni la temperatura, la definizione del SOC, la tempistica degli impulsi, i periodi di riposo e i perimetri della massa.
- Se l'obiettivo principale è la resistenza interna CC: registrare tensione e corrente sincronizzate a un punto temporale chiaramente specificato e riportare l'intervallo di calcolo.
- Se l'obiettivo principale è un confronto formale tra standard: seguire una procedura standard completa senza combinare le regole di tempistica, sequenza degli impulsi o limiti di tensione con quelle di un altro metodo.
- Se l'obiettivo principale è la densità di potenza: riportare la potenza di picco insieme all'esatta base di massa o volume utilizzata per la normalizzazione.
Un risultato affidabile della densità di potenza a impulsi è definito tanto dalle condizioni di test e dalle convenzioni di calcolo quanto dalla potenza di picco effettiva della batteria.
Tabella riepilogativa:
| Fase | Descrizione | Parametri principali |
|---|---|---|
| 1. Ambiente | Controllare la temperatura a 20 ± 2 °C | Temperatura, tempo di stabilizzazione |
| 2. Carica | Carica CC-CV completa | Tensione, corrente, condizione di terminazione |
| 3. Riposo | Consentire un riposo di 1 ora | Tempo di riposo |
| 4. Sequenza SOC | Testare i livelli SOC dal 90% fino al 40% | Punti SOC, intervalli |
| 5. Impulso di scarica | 10 s a 6C (rappresentativo) | Corrente, tensione, tempo, temperatura |
| 6. Riposo | 40 s dopo la scarica | Tempo di riposo |
| 7. Impulso di carica | 10 s a 3C (rappresentativo) | Corrente, tensione, tempo, temperatura |
| 8. Fase di scarica | 1C per 330 secondi | Corrente, tempo |
| 9. Riposo | Riposo di 1 ora prima del SOC successivo | Tempo di riposo |
| 10. Analisi dei dati | Calcolare la potenza di picco e la resistenza a 0,1 s | Tensione, corrente, tempo, resistenza |
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