Teoria della carica e scarica della batteria al litio

Teoria della carica e scarica della batteria al litio

1.1 Stato di carica (SOC)

Lo stato di carica può essere definito come lo stato dell'energia elettrica disponibile in una batteria, solitamente espresso in percentuale. Poiché l’energia elettrica disponibile varia a seconda della corrente di carica e scarica, della temperatura e del fenomeno dell’invecchiamento, anche la definizione di stato di carica è divisa in due tipi: Stato di carica assoluto (ASOC) e Stato di carica relativo (RSOC). L'intervallo dello stato di carica relativo è solitamente compreso tra 0% e 100%, mentre la batteria è al 100% quando è completamente carica e allo 0% quando è completamente scarica. Lo stato di carica assoluto è un valore di riferimento calcolato in base al valore di capacità fissa progettato al momento della produzione della batteria. Lo stato di carica assoluto di una batteria nuova completamente carica è del 100%; Anche se la batteria obsoleta è completamente carica, non può raggiungere il 100% in diverse condizioni di carica e scarica.

La figura seguente mostra la relazione tra tensione e capacità della batteria con diverse velocità di scarica. Maggiore è la velocità di scarica, minore è la capacità della batteria. Quando la temperatura è bassa, anche la capacità della batteria diminuirà.

                          Figura 1. Relazione tra tensione e capacità con velocità e temperature di scarica diverse

1.2 Tensione di carica massima

La tensione di carica più elevata è correlata alla composizione chimica e alle caratteristiche della batteria. La tensione di carica delle batterie al litio è solitamente di 4,2 V e 4,35 V e i valori di tensione possono variare a seconda dei materiali del catodo e dell'anodo.

1.3 Completamente carico

Quando la differenza tra la tensione della batteria e la tensione di carica massima è inferiore a 100 mV e la corrente di carica diminuisce a C/10, la batteria può essere considerata completamente carica. Le caratteristiche delle batterie variano e variano anche le condizioni per la ricarica completa.

La figura seguente mostra una tipica curva caratteristica di carica della batteria al litio. Quando la tensione della batteria è pari alla tensione di carica più alta e la corrente di carica scende a C/10, la batteria è considerata completamente carica.

                             Figura 2. Curva caratteristica di carica della batteria al litio

1.4 Tensione minima di scarica

La tensione di scarica minima può essere definita come la tensione di scarica di interruzione, solitamente la tensione allo 0% dello stato di carica. Questo valore di tensione non è un valore fisso, ma cambia in base al carico, alla temperatura, al grado di invecchiamento o ad altri fattori.

1,5 Scarica completa

Quando la tensione della batteria è inferiore o uguale alla tensione di scarica minima, si parla di scarica completa.

1.6 Velocità di scarica della carica (C-Rate)

La velocità di scarica della carica è una rappresentazione della corrente di scarica della carica rispetto alla capacità della batteria. Ad esempio, se si utilizza 1C per scaricarsi per un'ora, idealmente la batteria si scaricherà completamente. Differenti velocità di carica e scarica si tradurranno in differenti capacità disponibili. Solitamente, maggiore è la velocità di scarica della carica, minore è la capacità disponibile.

1.7 Ciclo di vita

Il numero di cicli è il numero di volte in cui una batteria è stata sottoposta a carica e scarica completa, che può essere stimato in base alla capacità di scarica effettiva e alla capacità di progetto. Ogni volta che la capacità di scarico accumulata equivale alla capacità di progetto, il numero di cicli è uno. Di solito, dopo 500 cicli di carica e scarica, la capacità di una batteria completamente carica diminuisce dal 10% al 20%.

                          Figura 3. Relazione tra tempi di ciclo e capacità della batteria

1.8 Autoscarica

L'autoscarica di tutte le batterie aumenterà con l'aumentare della temperatura. L'autoscarica non è sostanzialmente un difetto di fabbricazione, bensì una caratteristica della batteria stessa. Tuttavia, anche una manipolazione impropria durante il processo di produzione può portare ad un aumento dell'autoscarica. Di solito, per ogni aumento di 10°C della temperatura della batteria, il tasso di autoscaricamento raddoppia. Le batterie agli ioni di litio hanno una capacità di autoscarica mensile di circa l'1-2%, mentre varie batterie a base di nichel hanno una capacità di autoscarica mensile del 10-15%.

                             Figura 4. Prestazioni del tasso di autoscarica delle batterie al litio a diverse temperature