L'incoerenza tra le celle riduce l'utilizzo energetico del pacco batterie perché la cella più debole o più vincolata raggiunge un limite di tensione di sicurezza prima che le altre celle abbiano utilizzato l'energia disponibile. In un pacco collegato in serie, la cella con la capacità più bassa, la polarizzazione più elevata, il SOC più alto durante la carica o la resistenza maggiore può terminare prematuramente l'intero processo di carica o scarica. Di conseguenza, il pacco fornisce meno energia utilizzabile rispetto alla somma delle energie che le singole celle potrebbero fornire quando vengono testate separatamente.
Conclusione principale: L'energia del pacco è limitata dalla cella che raggiunge per prima il proprio limite di tensione, non dalla cella media. Durante l'assemblaggio e il collaudo, è necessario valutare insieme capacità, resistenza, polarizzazione, SOC iniziale e comportamento OCV-SOC, quindi quantificare sia la somma delle energie delle singole celle sia l'energia effettivamente recuperabile dal pacco assemblato.
Perché l'incoerenza tra le celle spreca energia nel pacco
I pacchi in serie sono vincolati dalle celle estreme
In un pacco collegato in serie, la stessa corrente attraversa ogni cella, ma le celle non hanno necessariamente la stessa capacità o la stessa risposta di tensione.
Durante la scarica, la cella con la capacità o il SOC più basso raggiunge per prima il limite inferiore di tensione. Il sistema di gestione della batteria deve interrompere la scarica per proteggere quella cella, anche se le altre celle contengono ancora energia utilizzabile.
Durante la carica, la cella con il SOC più alto, la capacità più bassa o la polarizzazione più marcata raggiunge per prima il limite superiore di tensione. La carica si interrompe quindi per l'intera stringa in serie, lasciando le celle rimanenti al di sotto del loro SOC massimo pratico.
La resistenza e la polarizzazione creano limiti di tensione anticipati
La tensione ai terminali di una cella comprende non solo la tensione di equilibrio, ma anche le perdite di tensione associate alla resistenza interna e alla polarizzazione elettrochimica.
Sotto carico, una cella con resistenza più elevata subisce una maggiore caduta di tensione e può raggiungere prima il limite di scarica. Durante la carica, la stessa cella può mostrare un aumento di tensione maggiore e raggiungere prima il limite superiore.
Ciò significa che due celle con capacità nominale simile possono comunque fornire quantità diverse di energia utilizzabile con correnti di carica e scarica realistiche.
Il disallineamento della capacità lascia energia residua
Supponiamo che una cella abbia una capacità disponibile inferiore rispetto a quelle adiacenti. Essa raggiunge per prima la fine della scarica, costringendo il pacco a interrompere il processo mentre le celle con capacità maggiore conservano ancora carica.
L'energia inutilizzata non è necessariamente un difetto delle celle rimanenti. È energia alla quale il pacco non può accedere in sicurezza perché la cella più debole ha già raggiunto il proprio limite operativo.
L'incoerenza limita anche la potenza
Lo stesso comportamento della cella estrema influisce sulla potenza di picco, non solo sull'energia totale.
A SOC alto o basso, la relazione tra tensione e SOC diventa più ripida e la polarizzazione spesso aumenta. Una differenza relativamente piccola di SOC può quindi produrre una grande differenza nella potenza di carica o scarica consentita, con la cella più vincolata che determina il limite del pacco.
Come dovrebbe essere valutato l'utilizzo dell'energia
Misurare innanzitutto la capacità e l'energia delle singole celle
Prima dell'assemblaggio, testare ogni cella nelle stesse condizioni controllate e determinarne la capacità utilizzabile entro i limiti di tensione e corrente definiti.
L'energia dovrebbe essere valutata a partire dalla curva tensione-capacità, concettualmente come:
[ E_i=\int V_i(Q),dQ ]
dove (E_i) è l'energia utilizzabile della cella (i), (V_i) è la sua tensione misurata e (Q) è la capacità trasferita.
La somma di queste energie individuali fornisce un riferimento:
[ E_{\text{individual,sum}}=\sum_i E_i ]
Questo riferimento non deve essere confuso con l'energia che il pacco assemblato può effettivamente fornire.
Confrontare la somma teorica con l'energia del pacco
Dopo aver collegato le celle, testare il pacco utilizzando le condizioni previste di carica, scarica, corrente e interruzione.
L'energia utilizzabile a livello di pacco è l'energia fornita prima che la prima cella raggiunga il limite di tensione consentito:
[ E_{\text{pack}}=\int V_{\text{pack}}(Q),dQ ]
Una metrica utile di utilizzo è:
[ \eta_E=\frac{E_{\text{pack}}}{\sum_i E_i} ]
Questo rapporto mostra quanta parte dell'energia individualmente disponibile è accessibile nella configurazione assemblata nelle condizioni di test selezionate.
Dovrebbe essere sempre riportato insieme alla corrente di test, alla temperatura, ai limiti di tensione, allo stato di bilanciamento e ai periodi di riposo, poiché l'utilizzo dell'energia dipende dalle condizioni operative.
Analizzare le relazioni OCV-SOC
Misurare la tensione a circuito aperto dopo un periodo di riposo sufficiente a punti di SOC definiti per ogni cella.
Il confronto tra le curve OCV-SOC delle celle rivela differenze in:
- SOC iniziale.
- Allineamento della tensione allo stesso SOC.
- Intervallo di SOC effettivamente utilizzabile.
- Pendenza della curva in prossimità delle condizioni di carica completa e scarica completa.
- Eventuali celle anomale o non adeguatamente abbinate.
Le celle con capacità simile ma comportamento OCV-SOC diverso possono comunque raggiungere i limiti di tensione del pacco in momenti differenti. I dati OCV completano quindi, anziché sostituire, i test di capacità.
Quantificare la resistenza e la polarizzazione
Misurare la resistenza in corrente continua utilizzando una procedura coerente con impulsi o variazioni graduali di corrente. Registrare, quando possibile, sia la risposta immediata della tensione sia la risposta più lenta di rilassamento o polarizzazione.
La valutazione dovrebbe identificare le celle che:
- Producono cadute di tensione insolitamente elevate durante la scarica.
- Producono aumenti di tensione insolitamente elevati durante la carica.
- Presentano una maggiore polarizzazione in prossimità di SOC alto o basso.
- Richiedono una corrente operativa inferiore per rimanere entro i limiti di tensione.
Queste misurazioni aiutano a spiegare perché l'utilizzo dell'energia cambia con la velocità di scarica e perché il solo abbinamento della capacità è insufficiente.
Come valutare le celle durante l'assemblaggio
Controllare la coerenza produttiva
La coerenza dovrebbe essere affrontata prima che le celle raggiungano la linea di assemblaggio.
Le variazioni introdotte durante la preparazione della sospensione, il rivestimento, la pressatura, l'essiccazione, la formazione o l'assemblaggio finale possono creare differenze di capacità, resistenza e polarizzazione. Il controllo del processo riduce in seguito il lavoro di abbinamento e migliora la validità dei test a livello di pacco.
Classificare le celle prima del raggruppamento
Come minimo, classificare le celle in base a:
- Capacità utilizzabile.
- Resistenza o impedenza in corrente continua.
- SOC e OCV iniziali.
- Profili di tensione di carica e scarica.
- Risposta alla polarizzazione.
- Comportamento di autoscarica, quando rilevante.
Un obiettivo tipico di laboratorio è mantenere la variazione di capacità entro una tolleranza ridotta, spesso intorno al 3%, sebbene il limite appropriato dipenda dalla chimica, dall'applicazione, dal progetto del pacco e dalla capacità del sistema di bilanciamento.
Le celle dovrebbero essere raggruppate utilizzando più parametri anziché una singola classificazione per capacità. Una cella con capacità accettabile ma resistenza insolitamente elevata può comunque diventare il collo di bottiglia del pacco.
Abbinare le celle a SOC e temperatura definiti
Le misurazioni di OCV e resistenza sono significative solo quando le condizioni di test sono controllate.
Utilizzare la stessa temperatura, durata del riposo, intervallo di SOC, velocità di corrente e procedura di misurazione per tutte le celle candidate. In caso contrario, l'apparente incoerenza potrebbe riflettere le condizioni di test anziché l'effettiva variazione tra le celle.
Registrare i dati di riferimento per la diagnosi successiva
Conservare i dati delle singole celle prima dell'assemblaggio, comprese curve di tensione, capacità, resistenza ed energia.
Dopo aver assemblato il pacco, confrontare il comportamento a livello di cella con questi dati di riferimento. Ciò consente di distinguere lo sbilanciamento correlato all'assemblaggio dalla variazione preesistente tra le celle o dall'invecchiamento successivo.
Come l'equalizzazione influisce sull'utilizzo dell'energia
Il primo obiettivo è utilizzare completamente la cella con la capacità più bassa
L'equalizzazione non dovrebbe essere giudicata solo in base a quanto sono vicine le tensioni delle celle.
Per massimizzare l'utilizzo della capacità del pacco, la cella con la capacità più bassa deve essere utilizzata per l'intero intervallo operativo sicuro senza essere sovraccaricata o sottoposta a scarica eccessiva. Se questa cella non viene utilizzata completamente, il pacco perde capacità anche se le altre celle sono ben bilanciate.
Il secondo obiettivo è ottenere un SOC elevato nelle celle rimanenti
Al termine della carica, le altre celle dovrebbero raggiungere il SOC più alto possibile in sicurezza, consentito dalla cella limitante.
Ciò aumenta l'energia totale immagazzinata nel pacco e riduce l'energia residua intrappolata nelle celle con capacità maggiore. L'obiettivo non è quindi soltanto ottenere una tensione uguale in un determinato istante, ma massimizzare l'energia immagazzinata in sicurezza nell'intera stringa.
Scegliere il bilanciamento in base all'obiettivo energetico
Il bilanciamento passivo dissipa l'energia in eccesso sotto forma di calore. È semplice, ma l'energia dissipata non è disponibile per il pacco.
Il bilanciamento attivo o non dissipativo trasferisce energia dalle celle o dai gruppi a tensione più elevata verso quelli a tensione più bassa. Può migliorare l'utilizzo dell'energia, ma aggiunge costi, complessità di controllo, perdite di conversione e ulteriori modalità di guasto.
Le prestazioni del bilanciamento dovrebbero essere valutate misurando la convergenza della tensione, l'energia trasferita, il tempo di bilanciamento, il disallineamento residuo del SOC e l'energia risultante del pacco, non soltanto la differenza di tensione.
Comprendere i compromessi
Un abbinamento più preciso migliora le prestazioni ma aumenta i costi di selezione
Un abbinamento più rigoroso generalmente migliora l'energia utilizzabile, la potenza di picco, la durata dei cicli e la prevedibilità del pacco.
Tuttavia, riduce la resa produttiva e aumenta i tempi di test. La tolleranza corretta dovrebbe essere determinata in base ai limiti di tensione dell'applicazione, alla richiesta di corrente, al progetto termico, al sistema di bilanciamento e ai requisiti di affidabilità.
Il solo abbinamento della capacità non è sufficiente
Le celle possono avere una capacità nominale simile ma resistenza, polarizzazione, autoscarica o curve OCV-SOC diverse.
Al contrario, piccole differenze di capacità possono essere accettabili se la resistenza e il comportamento della tensione sono strettamente abbinati e il sistema di bilanciamento è efficace. L'utilizzo dell'energia richiede una valutazione multidimensionale della coerenza.
L'energia del pacco non è una somma fissa delle proprietà delle celle
La somma delle energie delle singole celle è un utile riferimento superiore, ma non rappresenta l'energia garantita del pacco.
La velocità di corrente, la temperatura, le soglie di interruzione, il funzionamento del bilanciamento, l'invecchiamento e il protocollo di misurazione influenzano tutti il risultato. Una specifica significativa deve indicare le condizioni nelle quali è stata misurata l'energia del pacco.
Non continuare la scarica oltre il limite della cella debole
Se la scarica continua dopo che la cella più debole ha raggiunto il proprio limite inferiore, tale cella può essere portata verso l'inversione di tensione.
Ciò può causare generazione di gas, rigonfiamento, perdite, degrado accelerato o guasti catastrofici. Durante il test del pacco è necessario monitorare le tensioni delle singole celle anziché affidarsi soltanto alla tensione totale del pacco.
Come applicare questi concetti al proprio progetto
Valutare l'utilizzo dell'energia come processo graduale, dalla selezione delle singole celle fino al test del pacco assemblato:
- Se l'obiettivo principale è massimizzare l'energia utilizzabile: Abbinare capacità, curve OCV-SOC, resistenza e polarizzazione; quindi confrontare l'energia effettiva del pacco con la somma delle energie delle singole celle.
- Se l'obiettivo principale è il funzionamento sicuro di un pacco in serie: Identificare la cella che raggiunge per prima il limite superiore o inferiore di tensione e utilizzarla per definire l'intervallo operativo sicuro del pacco.
- Se l'obiettivo principale è la qualità dell'assemblaggio: Controllare la preparazione della sospensione, la pressatura, la formazione e l'assemblaggio, quindi eseguire la classificazione della capacità e della coerenza prima dell'assemblaggio in condizioni identiche.
- Se l'obiettivo principale è la progettazione del bilanciamento: Valutare il disallineamento residuo del SOC, il tempo di bilanciamento, la convergenza della tensione, l'energia trasferita o dissipata e il conseguente aumento dell'utilizzo dell'energia del pacco.
- Se l'obiettivo principale sono le prestazioni ad alta potenza: Includere test della resistenza agli impulsi e della polarizzazione alle condizioni di SOC e temperatura pertinenti, poiché la cella peggiore può limitare la potenza molto prima che la capacità nominale sia esaurita.
- Se l'obiettivo principale è una lunga durata dei cicli: Rifiutare o raggruppare separatamente le celle con resistenza, autoscarica, capacità o comportamento della tensione anomali, anziché basarsi esclusivamente sull'abbinamento della capacità iniziale.
Un'energia affidabile del pacco inizia dalla misurazione e dalla gestione della coerenza delle celle prima che queste vengano collegate.
Tabella riepilogativa:
| Fattore | Impatto sull'utilizzo dell'energia | Metodo di valutazione |
|---|---|---|
| Disallineamento della capacità | La cella più debole termina prima la scarica, lasciando energia nelle altre | Misurare la capacità delle singole celle; calcolare il rapporto tra somma ed energia del pacco |
| Resistenza e polarizzazione | Una resistenza maggiore fa sì che il limite di tensione venga raggiunto prima | Test della resistenza in corrente continua e della polarizzazione sotto carico |
| Variazioni della curva OCV-SOC | Una diversa risposta della tensione allo stesso SOC influisce sulla tempistica dell'interruzione | Confrontare le curve OCV-SOC a punti SOC definiti |
| Differenze del SOC iniziale | Le celle iniziano a diversi livelli di carica, causando interruzioni anticipate | Misurare OCV e SOC iniziali |
| Temperatura e velocità di corrente | Modificano i limiti di tensione e la polarizzazione, influenzando l'energia utilizzabile | Testare nelle condizioni operative previste |
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