Il numero di celle collegate in parallelo generalmente migliora la condivisione iniziale della corrente. All'aumentare del numero di celle collegate in parallelo, lo scambio reciproco di corrente rafforza l'effetto di bilanciamento spontaneo, riducendo le differenze iniziali tra le correnti dei rami durante la carica e la scarica. Tuttavia, un gruppo parallelo più grande non elimina lo squilibrio: differenze di capacità, resistenza interna, polarizzazione e SOC iniziale possono causare una divergenza della corrente più avanti nel ciclo, soprattutto verso la fine della carica.
Conclusione fondamentale: Aumentare il numero di celle in parallelo può ridurre lo squilibrio iniziale della corrente consentendo alle celle di equalizzarsi attraverso i collegamenti elettrici condivisi, ma le differenze accumulate di SOC e capacità possono comunque produrre uno squilibrio significativo nelle fasi finali. I sistemi di test delle batterie valutano questo effetto misurando la corrente di ciascun ramo e confrontando lo squilibrio del SOC tra diverse configurazioni in parallelo e diversi C-rate.
Come il numero di celle in parallelo influisce sullo squilibrio di corrente
Un numero maggiore di celle in parallelo rafforza l'equalizzazione passiva
Quando le celle sono collegate in parallelo, quelle con una tensione leggermente più elevata possono fornire corrente alle celle con tensione inferiore. Questo scambio reciproco di corrente produce un effetto di bilanciamento spontaneo prima e durante il normale funzionamento.
L'aumento del numero di celle collegate in parallelo generalmente rende questo effetto più evidente, contribuendo a ridurre le differenze iniziali nel contributo di corrente tra i rami.
La corrente è determinata dalle differenze elettriche
Una relazione semplificata per la corrente del ramo è:
[ I = \frac{U_O - U_{OCV} - U_p}{R} ]
dove (U_O) è la tensione operativa del pacco, (U_{OCV}) è la tensione a circuito aperto, (U_p) è la tensione di polarizzazione e (R) è la resistenza interna.
Le celle con una resistenza inferiore o una tensione effettiva più elevata tendono a trasportare una corrente maggiore. Pertanto, aggiungere semplicemente celle in parallelo non può compensare differenze marcate di resistenza, capacità, SOC o comportamento di polarizzazione.
Il comportamento all'inizio e alla fine del ciclo è diverso
All'inizio di un ciclo di carica o scarica, l'equalizzazione in parallelo può ridurre le differenze di corrente causate dalle variazioni iniziali di tensione o SOC.
Più avanti nel ciclo, differenze nella capacità accumulata e nella polarizzazione possono modificare il profilo della corrente. Questa alternanza della corrente significa che una cella o un ramo che inizialmente trasporta più corrente potrebbe non rimanere il contributore principale per l'intera durata del ciclo.
Perché lo squilibrio può persistere nei gruppi paralleli più grandi
Le differenze di capacità si accumulano nel tempo
Le celle con capacità diverse non accettano né forniscono la stessa quantità di carica alla stessa corrente. I cicli ripetuti aumentano quindi la divergenza del SOC, anche quando le tensioni iniziali sembrano molto simili.
Il collegamento in parallelo può ridistribuire la carica, ma non può far comportare in modo identico celle con capacità sostanzialmente diverse.
Il disallineamento della resistenza causa una condivisione non uniforme della corrente
Piccole differenze nella resistenza interna possono produrre differenze significative di corrente, in particolare a C-rate elevati. Il ramo con resistenza inferiore generalmente trasporta una porzione maggiore della corrente applicata.
Questo può creare un effetto di retroazione: il ramo maggiormente caricato è soggetto a un maggiore riscaldamento, a una maggiore polarizzazione e a un invecchiamento più rapido, elementi che possono modificare ulteriormente il suo contributo di corrente successivo.
Le regioni di tensione piatta nascondono le differenze di SOC
Per le chimiche con un plateau piatto della tensione a circuito aperto, come LiFePO₄, la tensione è un indicatore relativamente poco sensibile del SOC in gran parte dell'intervallo operativo.
In questa regione, la resistenza interna e la tensione di polarizzazione dominano la distribuzione della corrente. Due celle possono quindi mostrare una tensione simile pur contribuendo con correnti significativamente diverse.
Come i sistemi di test delle batterie valutano l'effetto
Testare diverse configurazioni in parallelo
Uno studio controllato dovrebbe confrontare diversi numeri di celle o rami collegati in parallelo, mantenendo il più possibile costanti le altre condizioni.
I confronti utili includono:
- Diversi numeri di celle in parallelo
- Celle abbinate e volutamente disallineate
- Più C-rate di carica e scarica
- Diverse condizioni di SOC iniziale
- Cicli ripetuti per osservare la crescita dello squilibrio
Questo consente di distinguere il beneficio di equalizzazione immediata dovuto al numero di celle in parallelo dagli effetti a lungo termine delle differenze di capacità e invecchiamento.
Misurare la corrente in ogni ramo
Il sistema di test dovrebbe misurare separatamente la corrente che scorre attraverso ciascun ramo in parallelo, invece di basarsi solo sulla corrente totale del pacco.
I sensori di corrente ad alta precisione possono rilevare:
- Le differenze iniziali di corrente
- Le correnti circolanti transitorie
- La ridistribuzione della corrente durante il ciclo
- Il sovraccarico massimo del ramo
- La divergenza della corrente verso la fine della carica o della scarica
Il sistema dovrebbe inoltre registrare la tensione delle celle, la temperatura, la quantità di carica trasferita e il tempo di funzionamento, in modo da correlare il comportamento della corrente alle condizioni termiche ed elettrochimiche.
Calcolare gli indicatori di bilanciamento della corrente
I dati sulla corrente dei rami possono essere convertiti in metriche quantitative dello squilibrio. Tra gli esempi figurano la deviazione della corrente rispetto alla corrente media dei rami, la somma residua dei quadrati (S) e un indice del rapporto tra i rami come (R^2).
Questi indicatori consentono agli ingegneri di confrontare se un numero maggiore di celle in parallelo migliori realmente il bilanciamento in una condizione di test definita, invece di valutare le prestazioni basandosi solo sulla corrente a livello del pacco.
Monitorare direttamente o indirettamente lo squilibrio del SOC
Il sistema può calcolare lo squilibrio del SOC integrando nel tempo la corrente misurata di ciascun ramo e confrontando la quantità di carica o scarica risultante.
Il grado tipico di squilibrio del SOC può essere valutato in base alla differenza tra il SOC stimato più alto e quello più basso dei rami, oppure in base alla dispersione statistica tra tutti i rami. Il calcolo dovrebbe tenere conto della capacità misurata di ciascuna cella, poiché un'integrazione identica della corrente non implica un SOC identico quando le capacità sono diverse.
Testare la transizione dall'equilibrio iniziale allo squilibrio accumulato
Un test utile non si interrompe dopo il periodo iniziale di equalizzazione in parallelo. Esso segue il pacco attraverso cicli completi di carica e scarica per determinare quando la condivisione della corrente inizia a divergere.
Questo rivela se una configurazione fornisce solo un bilanciamento a breve termine oppure mantiene una distribuzione della corrente accettabile anche durante il funzionamento ripetuto.
Utilizzare i risultati dei test nella progettazione del pacco
Ottimizzare la topologia parallelo-serie
I risultati possono mostrare se l'aumento del numero di celle in parallelo fornisce una riduzione significativa dello squilibrio di corrente nell'intervallo operativo previsto.
L'assemblaggio prima in parallelo è generalmente vantaggioso perché le differenze di tensione rimangono confinate all'interno di gruppi paralleli localizzati, limitando le perdite dovute alla carica reciproca e consentendo l'autobilanciamento locale prima del collegamento in serie.
Definire i requisiti di capacità e abbinamento
I test identificano quanta variazione tra cella e cella un gruppo parallelo può tollerare prima che lo squilibrio di corrente diventi inaccettabile.
Queste informazioni supportano i criteri di abbinamento per:
- Capacità
- Resistenza interna
- Tensione iniziale o OCV
- Comportamento di polarizzazione
- Tasso di autoscarica
- Risposta alla temperatura
La selezione e l'abbinamento delle celle prima dell'assemblaggio restano importanti, perché il numero di celle in parallelo non sostituisce una qualità uniforme delle celle.
Stabilire margini di capacità adeguati
Un sistema di test delle batterie può confrontare la capacità utilizzabile del pacco con la capacità delle singole celle o dei rami.
Se un ramo raggiunge prematuramente un limite di tensione o temperatura, l'intero pacco può essere limitato anche quando gli altri rami dispongono ancora di capacità disponibile. I dati dei test aiutano quindi a determinare margini di progettazione adeguati e impediscono di dimensionare il pacco basandosi esclusivamente sulla capacità nominale delle celle.
Ottimizzare le strategie di equalizzazione del BMS
La divergenza misurata della corrente e del SOC può indicare se il BMS necessita di un bilanciamento attivo, di un bilanciamento passivo o di una migliore temporizzazione del controllo.
I risultati aiutano inoltre a definire le soglie di bilanciamento, i livelli di corrente e i cicli di lavoro senza specificare inutilmente hardware di bilanciamento che comporta costi, calore e perdite energetiche aggiuntivi.
Comprendere i compromessi
Un numero maggiore di celle in parallelo non garantisce un miglioramento proporzionale
Il beneficio del bilanciamento spontaneo può aumentare con il numero di celle in parallelo, ma il miglioramento dipende dall'uniformità delle celle e dalle condizioni operative.
Un gruppo più grande contenente celle non adeguatamente abbinate può comunque subire un grave squilibrio della corrente tra i rami, sovracorrenti localizzate e un invecchiamento non uniforme.
I C-rate più elevati evidenziano più chiaramente il disallineamento
A correnti più elevate, le differenze di resistenza e polarizzazione influenzano maggiormente la distribuzione della corrente.
Il test ad alto C-rate è quindi utile per identificare lo squilibrio nel caso peggiore, ma dovrebbe essere combinato con test a C-rate inferiori e test a cicli ripetuti, per evitare di confondere il comportamento di stress a breve termine con le prestazioni durante il normale funzionamento.
L'equalizzazione ha un costo proprio
La carica reciproca tra celle in parallelo può produrre perdite energetiche localizzate e calore.
Nelle stringhe collegate in serie, anche il bilanciamento intenzionale richiede compromessi: il bilanciamento passivo dissipa energia sotto forma di calore, mentre quello attivo richiede circuiti aggiuntivi. Un sovraccarico eccessivo utilizzato per equalizzare la capacità può accelerare l'usura delle celle e aumentare il rischio di surriscaldamento.
Le misurazioni a livello del pacco possono nascondere i problemi dei rami
La corrente totale e la tensione totale del pacco possono sembrare normali mentre i singoli rami trasportano correnti significativamente diverse.
La strumentazione a livello dei rami è quindi essenziale per diagnosticare lo squilibrio della corrente e convalidare l'effetto del numero di celle in parallelo.
Come applicare questi concetti al tuo progetto
Utilizza un sistema di test delle batterie per confrontare diversi numeri di celle in parallelo in condizioni identiche, misurare ogni ramo separatamente e valutare sia la condivisione immediata della corrente sia lo squilibrio dopo cicli ripetuti.
- Se il tuo obiettivo principale è ridurre lo squilibrio iniziale della corrente: Aumenta il numero di celle in parallelo quando possibile, ma prima abbina le celle in base a resistenza, capacità, tensione iniziale e comportamento di polarizzazione.
- Se il tuo obiettivo principale è prolungare la durata del pacco: Misura la corrente dei rami, la temperatura e la divergenza del SOC durante cicli ripetuti, invece di basarti sull'equalizzazione iniziale della tensione.
- Se il tuo obiettivo principale è selezionare la topologia: Testa diverse configurazioni in parallelo e diversi C-rate utilizzando metriche di deviazione della corrente e di squilibrio del SOC.
- Se il tuo obiettivo principale è la progettazione del BMS: Utilizza la crescita misurata dello squilibrio per impostare la corrente di bilanciamento, le soglie, il ciclo di lavoro e il margine di capacità necessario.
Il numero corretto di celle in parallelo è quello convalidato dai test a livello dei rami nelle reali condizioni operative del pacco, non quello scelto basandosi esclusivamente sulla capacità nominale.
Tabella riepilogativa:
| Fattore | Effetto di un numero maggiore di celle in parallelo | Valutazione mediante sistemi di test delle batterie |
|---|---|---|
| Condivisione iniziale della corrente | Migliora grazie al bilanciamento spontaneo | Misurare le correnti dei rami e calcolare la deviazione |
| Squilibrio nelle fasi finali del ciclo | Può persistere a causa delle differenze di capacità e resistenza | Monitorare la divergenza del SOC durante cicli ripetuti |
| Disallineamento della capacità | Non può essere completamente compensato; si accumula nel tempo | Integrare le correnti dei rami per stimare lo squilibrio del SOC |
| Disallineamento della resistenza | Condivisione non uniforme della corrente; la resistenza inferiore trasporta una corrente maggiore | Confrontare le correnti dei rami a diversi C-rate |
| Regioni di tensione piatta | La tensione nasconde le differenze di SOC; domina la resistenza | Utilizzare sensori di corrente e la stima del SOC |
| Implicazioni per la progettazione | Ottimizzare il numero di celle in parallelo utilizzando celle abbinate | Testare le configurazioni e definire i criteri di abbinamento |
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