Il test di potenza di picco USABC misura la capacità di scarica di 30 secondi di una cella a profondità di scarica (DOD) definite. La cella viene testata con incrementi del 10% di DOD dallo 0% al 90%, utilizzando una scarica di base seguita da un impulso ad alta corrente. A ogni livello di DOD, la resistenza viene calcolata in base alle variazioni di tensione e corrente durante l'impulso, quindi utilizzata insieme alla tensione minima consentita per stimare la potenza di picco.

Concetto fondamentale: la potenza di picco USABC viene ricavata modellando la tensione ai terminali della cella come una caduta IR rispetto a una tensione priva di IR. La corrente dell'impulso consentita è la corrente che riduce la tensione della cella fino al suo limite operativo minimo, e la potenza di picco è il prodotto di tale corrente per la tensione limite.

Come viene eseguito il test USABC

Testare a punti DOD definiti

Il test valuta la cella a 0%, 10%, 20% e fino al 90% di DOD.

In questo caso, la DOD viene utilizzata come coordinata del test: un aumento della DOD indica che è stata rimossa progressivamente una parte maggiore della capacità di scarica disponibile della cella.

Applicare una scarica di base

A ogni punto DOD, la cella viene scaricata con una corrente di base definita per 30 secondi.

Questo stabilisce la tensione e la condizione operativa della cella prima dell'impulso ad alta potenza.

Applicare l'impulso ad alta corrente

La corrente di base viene quindi sostituita da un impulso di scarica ad alta corrente della durata di 30 secondi.

La tensione e la corrente della cella vengono registrate durante l'impulso, in particolare a circa 1 secondo e 30 secondi dall'inizio dell'impulso.

Continuare fino al punto DOD successivo

Dopo l'impulso, la cella viene nuovamente scaricata alla corrente di base fino a quando la DOD non è aumentata di un ulteriore 10%.

Questa sequenza viene ripetuta fino a valutare l'intervallo DOD richiesto.

Limiti di tensione che vincolano il test

Mantenere la tensione minima consentita

La tensione della cella deve rimanere al di sopra della soglia di base applicabile durante il test.

La soglia è il valore maggiore tra:

• La tensione di cutoff specificata dal produttore.
• Due terzi della tensione a circuito aperto all'80% di DOD, come specificato dalla procedura di test.

Questo limite impedisce che la capacità di potenza calcolata si basi su un funzionamento al di fuori dell'intervallo di tensione utilizzabile della cella.

Perché il limite di tensione è importante

La potenza di picco non è semplicemente la potenza massima che la cella può produrre prima di danneggiarsi. È la potenza disponibile nel rispetto dei limiti di tensione e dei vincoli operativi definiti per la cella.

Il superamento di tali limiti può causare polarizzazione eccessiva, degrado o danni irreversibili ai componenti interni.

Come viene ricavata la resistenza interna

Misurare le variazioni di tensione e corrente

La resistenza dell'impulso viene calcolata in base alle variazioni di tensione e corrente tra i punti a 1 secondo e 30 secondi dell'impulso ad alta corrente:

[ R=\frac{\Delta U}{\Delta I} ]

dove:

• (R) è la resistenza interna calcolata.
• (\Delta U) è la variazione di tensione durante l'intervallo di impulso selezionato.
• (\Delta I) è la variazione di corrente nello stesso intervallo.

In forma estesa:

[ R=\frac{U_{1s}-U_{30s}}{I_{30s}-I_{1s}} ]

per una convenzionale convenzione dei segni della corrente di scarica. Se la corrente di scarica è rappresentata come negativa, i segni cambiano, ma la resistenza riportata viene normalmente espressa come valore positivo.

Che cosa rappresenta questa resistenza

Si tratta di una resistenza efficace dell'impulso, non necessariamente di una resistenza puramente ohmica misurata indipendentemente da tutti gli effetti elettrochimici.

Poiché il calcolo utilizza punti distanziati di 29 secondi, il risultato può includere contributi della resistenza ohmica, degli effetti di trasferimento di carica e di altri processi di polarizzazione che evolvono durante l'impulso.

Come viene ricavata la tensione priva di IR

Rimuovere la caduta resistiva modellata

Il test definisce la tensione priva di IR come:

[ U_{\mathrm{IRFree}}=U-IR ]

dove:

• (U_{\mathrm{IRFree}}) è la tensione stimata prima della caduta resistiva modellata.
• (U) è la tensione misurata ai terminali.
• (I) è la corrente pertinente.
• (R) è la resistenza dell'impulso calcolata.

Questo fornisce una rappresentazione semplificata della cella in stile Thevenin: una sorgente di tensione priva di IR in serie a una resistenza efficace.

Interpretare attentamente il risultato

La tensione priva di IR è una grandezza di modellazione calcolata. Non deve essere automaticamente interpretata come la reale tensione a circuito aperto della cella, perché la tensione misurata può contenere anche polarizzazione elettrochimica ed effetti dinamici di recupero.

Il suo scopo è supportare il calcolo della potenza di picco nelle condizioni di test selezionate.

Come viene ricavata la potenza di picco

Determinare la corrente dell'impulso consentita

Alla tensione operativa minima (U_{\min}), il modello semplificato della cella è:

[ U_{\min}=U_{\mathrm{IRFree}}-IR ]

Risolvendo rispetto alla corrente di scarica massima consentita si ottiene:

[ I_{\max}=\frac{U_{\mathrm{IRFree}}-U_{\min}}{R} ]

Questa è la corrente alla quale la tensione ai terminali modellata raggiunge il valore minimo consentito.

Calcolare la potenza al limite di tensione

La potenza di scarica di picco è quindi:

[ P_{\mathrm{peak}}=U_{\min}I_{\max} ]

Sostituendo l'espressione della corrente:

[ P_{\mathrm{peak}}

\frac{U_{\min}\left(U_{\mathrm{IRFree}}-U_{\min}\right)}{R} ]

La fonte di riferimento principale esprime questo valore utilizzando una convenzione negativa per la corrente di scarica:

[ P_{\mathrm{peak}}

\frac{-U_{\min}\left(U_{\mathrm{IRFree}}-U_{\min}\right)}{R} ]

Il segno negativo è una conseguenza contabile della definizione della corrente di scarica come negativa. La capacità di potenza viene normalmente indicata come valore positivo.

Perché la resistenza influisce fortemente sulla potenza

L'equazione mostra che, a parità di condizioni di tensione, la potenza di picco è approssimativamente inversamente proporzionale alla resistenza:

[ P_{\mathrm{peak}}\propto \frac{1}{R} ]

Una cella con resistenza inferiore può erogare più corrente prima di raggiungere (U_{\min}). Una cella con resistenza maggiore subisce una caduta di tensione più elevata durante lo stesso impulso e raggiunge quindi prima il limite di tensione.

Che cosa rappresenta il risultato del test

Produrre un profilo di potenza dipendente dalla DOD

Il test genera un valore di potenza di picco a ogni punto DOD.

Il risultato non è quindi una singola valutazione universale della cella. È una mappa della capacità di potenza in funzione della DOD e può essere ripetuto a temperature, condizioni di invecchiamento o correnti di test differenti.

Supportare la progettazione del pacco batterie

I risultati aiutano gli ingegneri a determinare quante celle sono necessarie in serie e in parallelo per soddisfare il requisito di potenza di un sistema, rimanendo entro i limiti di tensione e corrente.

I dati di resistenza e tensione a livello di cella sono particolarmente importanti perché le interconnessioni del pacco, le sbarre collettrici, le condizioni di raffreddamento, la resistenza dei contatti e lo sbilanciamento delle celle aggiungono ulteriori vincoli.

Supportare la verifica di ricerca e sviluppo

La ripetizione del test durante lo sviluppo o i test di durata ciclica può evidenziare variazioni in:

• Resistenza dell'impulso.
• Risposta di tensione.
• Potenza di picco disponibile.
• Prestazioni in funzione di DOD e temperatura.

L'aumento della resistenza generalmente riduce la capacità di potenza dell'impulso, sebbene le variazioni di potenza dipendano anche dal comportamento della tensione e della polarizzazione della cella.

Comprendere i compromessi

La resistenza non è l'unica variabile di prestazione

Sebbene una resistenza inferiore migliori generalmente la potenza dell'impulso, la potenza di picco dipende anche dalla tensione priva di IR e dalla tensione operativa minima.

Una cella con bassa resistenza ma con una tensione utilizzabile insufficiente potrebbe non superare le prestazioni di una cella a tensione più elevata in una determinata condizione operativa.

Il valore della resistenza dipende dalla definizione del test

La resistenza varia in funzione della temperatura, della DOD, della durata dell'impulso, del livello di corrente, della storia dei periodi di riposo e dei punti temporali selezionati per il calcolo.

Di conseguenza, un valore di resistenza ottenuto da questa procedura USABC non deve essere confrontato direttamente con un valore ottenuto da una durata dell'impulso o da un metodo di misurazione diverso senza tenere conto di tali differenze.

La potenza della cella non è la potenza del pacco

Un risultato di potenza di picco a livello di cella non equivale automaticamente alla potenza disponibile da un pacco batterie.

I limiti a livello di pacco possono derivare dalla dispersione di tensione tra le celle in serie, dallo sbilanciamento dei gruppi in parallelo, dai limiti termici, dalla resistenza dei collettori di corrente e delle sbarre, dai vincoli del sistema di gestione della batteria e dai limiti dell'inverter.

Evitare di considerare la potenza di picco come potenza continua

Il risultato USABC descrive una capacità di impulso di 30 secondi definita in condizioni specificate.

Non deve essere utilizzato come valore nominale di potenza continua, a meno che un'analisi termica ed elettrica separata non supporti tale conclusione.

Rispettare i limiti di tensione e corrente

Testare oltre i limiti di tensione o potenza specificati può accelerare il degrado o causare gravi danni agli elettrodi, al separatore, all'elettrolita, ai collettori di corrente o ad altri componenti della cella.

Le apparecchiature per il test delle batterie devono pertanto controllare con precisione corrente, tensione, temporizzazione, temperatura e interruzioni di sicurezza.

Fare la scelta giusta per il proprio obiettivo

L'interpretazione più utile dipende da ciò che si desidera supportare con il risultato.

• Se l'obiettivo principale è confrontare le celle: confrontare le celle solo quando DOD, temperatura, durata dell'impulso, convenzione della corrente, limiti di tensione e storia del test sono equivalenti.
• Se l'obiettivo principale è il dimensionamento del pacco: utilizzare i risultati di potenza e resistenza specifici per DOD insieme alla configurazione serie/parallelo, ai limiti termici, allo sbilanciamento e alla resistenza parassita a livello di pacco.
• Se l'obiettivo principale è l'analisi dell'invecchiamento: monitorare l'aumento della resistenza e il calo della potenza di picco a condizioni costanti di DOD e temperatura durante la vita ciclica.
• Se l'obiettivo principale è la convalida del test: verificare i tracciati di corrente e tensione, confermare i punti di campionamento a 1 secondo e 30 secondi e documentare la convenzione dei segni utilizzata nelle equazioni.

Una valutazione corretta della potenza di picco USABC combina test a impulsi rigorosi con definizioni chiare della resistenza, dei limiti di tensione e della convenzione dei segni.

Tabella riepilogativa:

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