Come leggere la curva di scarica della batteria

Come leggere la curva di scarica della batteria

Le batterie sono sistemi elettrochimici e termodinamici complessi e molteplici fattori ne influenzano le prestazioni. Naturalmente, la chimica della batteria è il fattore più importante. Tuttavia, per capire quale tipo di batteria è più adatta per un'applicazione specifica, è necessario considerare anche fattori quali la velocità di scarica della carica, la temperatura operativa, le condizioni di conservazione e i dettagli della struttura fisica. Innanzitutto è necessario definire alcuni termini:

★ La tensione a circuito aperto (Voc) è la tensione tra i terminali della batteria quando la batteria non è caricata.

★ La tensione ai terminali (Vt) è la tensione tra i terminali della batteria quando il carico è applicato alla batteria; Solitamente inferiore a Voc.

La tensione di interruzione (Vco) è la tensione alla quale la batteria è completamente scarica, come specificato. Anche se di solito c'è carica residua della batteria, il funzionamento con una tensione inferiore a Vco potrebbe danneggiare la batteria.

★ La capacità misura gli amperora (AH) totali che una batteria può fornire quando è completamente carica, finché Vt non raggiunge Vco.

La velocità di carica e scarica (C-Rate) è la velocità con cui una batteria viene caricata o scaricata rispetto alla sua capacità nominale. Ad esempio, una velocità di 1°C caricherà o scaricherà completamente la batteria entro 1 ora. Con una velocità di scarica di 0,5°C, la batteria si scaricherà completamente entro 2 ore. L'utilizzo di un C-Rate più elevato solitamente riduce la capacità disponibile della batteria e potrebbe danneggiarla.

★ Lo stato di carica della batteria (SoC) quantifica la capacità residua della batteria come percentuale della capacità massima. Quando il SoC raggiunge lo zero e il Vt raggiunge il Vco, potrebbe esserci ancora carica residua nella batteria, ma senza danneggiare la batteria e influenzarne la capacità futura, la batteria non può essere ulteriormente scaricata.

★ La profondità di scarica (DoD) è un complemento del SoC, che misura la percentuale di capacità della batteria che è stata scaricata; DoD=100-SoC.

① La durata del ciclo è il numero di cicli disponibili prima che la batteria raggiunga la fine della vita utile.

La fine della durata della batteria (EoL) si riferisce all'incapacità della batteria di funzionare secondo le specifiche minime predeterminate. L’EoL può essere quantificato in vari modi:

① Il decadimento della capacità si basa sulla diminuzione percentuale della capacità della batteria rispetto alla capacità nominale in condizioni specificate.

② L'attenuazione della potenza si basa sulla potenza massima della batteria a una determinata percentuale rispetto alla potenza nominale in condizioni specificate.

③ Il rendimento energetico quantifica la quantità totale di energia che si prevede che una batteria elabori durante la sua vita utile, ad esempio 30 MWh, in base a condizioni operative specifiche.

★ Lo stato di salute (SoH) della batteria misura la percentuale di vita utile rimanente prima di raggiungere l'EoL.

Curva di polarizzazione

La curva di scarica della batteria si forma in base all'effetto di polarizzazione della batteria che si verifica durante il processo di scarica. La quantità di energia che una batteria può fornire in diverse condizioni operative, come il tasso di C e la temperatura operativa, è strettamente correlata all'area sotto la curva di scarica. Durante il processo di scarica, il Vt della batteria diminuirà. La diminuzione del Vt è legata a diversi fattori principali:

✔ Caduta IR - La diminuzione della tensione della batteria causata dalla corrente che passa attraverso la resistenza interna della batteria. Questo fattore aumenta linearmente a una velocità di scarico relativamente elevata, con una temperatura costante.

✔ Polarizzazione di attivazione - si riferisce a vari fattori di decelerazione legati alla cinetica delle reazioni elettrochimiche, come la funzione di lavoro che gli ioni devono superare alla giunzione tra elettrodi ed elettroliti.

✔ Polarizzazione della concentrazione - Questo fattore tiene conto della resistenza incontrata dagli ioni durante il trasferimento di massa (diffusione) da un elettrodo all'altro. Questo fattore prevale quando le batterie agli ioni di litio sono completamente scariche e la pendenza della curva diventa molto ripida.

La curva di polarizzazione (curva di scarica) della batteria mostra gli effetti cumulativi della diminuzione dell'IR, della polarizzazione di attivazione e della polarizzazione della concentrazione su Vt (potenziale della batteria). (Immagine: BioLogic)

Considerazioni sulla curva di scarica

Le batterie sono state progettate per un'ampia gamma di applicazioni e forniscono varie caratteristiche prestazionali. Ad esempio, esistono almeno sei sistemi chimici di base agli ioni di litio, ciascuno con il proprio set di funzionalità uniche. La curva di scarica viene solitamente tracciata con Vt sull'asse Y, mentre SoC (o DoD) è tracciato sull'asse X. A causa della correlazione tra le prestazioni della batteria e vari parametri come il tasso di C e la temperatura operativa, ciascun sistema chimico della batteria ha una serie di curve di scarica basate su combinazioni di parametri operativi specifici. Ad esempio, la figura seguente mette a confronto le prestazioni di scarica di due comuni sistemi chimici agli ioni di litio e di batterie al piombo-acido a temperatura ambiente e con una velocità di scarica di 0,2°C. La forma della curva di scarica è di grande importanza per i progettisti.

Una curva di scarica piatta può semplificare la progettazione di alcune applicazioni, poiché la tensione della batteria rimane relativamente stabile durante l'intero ciclo di scarica. D’altro canto, la curva di pendenza può semplificare la stima della carica residua, poiché la tensione della batteria è strettamente correlata alla carica residua nella batteria. Tuttavia, per le batterie agli ioni di litio con curve di scarica piatte, la stima della carica residua richiede metodi più complessi, come il conteggio di Coulomb, che misura la corrente di scarica della batteria e integra la corrente nel tempo per stimare la carica residua.

Inoltre, le batterie con curve di scarica inclinate verso il basso subiscono una diminuzione della potenza durante l'intero ciclo di scarica. Potrebbe essere necessaria una batteria di "dimensioni eccessive" per supportare applicazioni ad alta potenza alla fine del ciclo di scarica. Di solito è necessario utilizzare un regolatore di tensione boost per alimentare dispositivi e sistemi sensibili che utilizzano batterie con curve di scarica ripide.

Quella che segue è la curva di scarica di una batteria agli ioni di litio, che mostra che se la batteria viene scaricata ad una velocità molto elevata (o viceversa, a una velocità bassa), la capacità effettiva diminuirà (o aumenterà). Questo è chiamato spostamento di capacità ed è comune nella maggior parte dei sistemi chimici delle batterie.

La tensione e la capacità delle batterie agli ioni di litio diminuiscono con l'aumento del tasso C. (Immagine: Richtek)

La temperatura di lavoro è un parametro importante che influisce sulle prestazioni della batteria. A temperature molto basse, le batterie con elettroliti a base d'acqua potrebbero congelare, limitando il limite inferiore del loro intervallo di temperatura operativa. Le batterie agli ioni di litio possono subire la deposizione di litio sull'elettrodo negativo a basse temperature, riducendo in modo permanente la capacità. A temperature elevate, le sostanze chimiche potrebbero decomporsi e la batteria potrebbe smettere di funzionare. Tra congelamento e danni chimici, le prestazioni della batteria in genere variano in modo significativo con i cambiamenti di temperatura.

La figura seguente mostra l'impatto delle diverse temperature sulle prestazioni delle batterie agli ioni di litio. A temperature molto basse, le prestazioni potrebbero diminuire in modo significativo. Tuttavia, la curva di scarica della batteria è solo un aspetto delle prestazioni della batteria. Ad esempio, maggiore è la deviazione tra la temperatura operativa delle batterie agli ioni di litio e la temperatura ambiente (sia ad alte che a basse temperature), minore è il ciclo di vita. Per applicazioni specifiche, un'analisi completa di tutti i fattori che influenzano l'applicabilità dei vari sistemi chimici delle batterie va oltre lo scopo della curva di scarica della batteria di questo articolo. Un esempio di altri metodi per analizzare le prestazioni di diverse batterie è il diagramma di Lagone.

La tensione e la capacità della batteria dipendono dalla temperatura. (Immagine: Richtek)

Trame di Lagone

Il diagramma Lagoon mette a confronto la potenza specifica e l'energia specifica di diverse tecnologie di stoccaggio dell'energia. Ad esempio, quando si considerano le batterie dei veicoli elettrici, l’energia specifica è correlata all’autonomia, mentre la potenza specifica corrisponde alle prestazioni di accelerazione.

Un diagramma di Ragone che confronta il rapporto tra energia specifica e potenza specifica di varie tecnologie. (Immagine: Researchgate)

Il diagramma Lagoon si basa sulla densità di energia di massa e sulla densità di potenza e non include alcuna informazione relativa ai parametri di volume. Sebbene il metallurgista David V. Lagone abbia sviluppato questi grafici per confrontare le prestazioni dei vari prodotti chimici delle batterie, il grafico di Lagone è adatto anche per confrontare qualsiasi insieme di dispositivi di stoccaggio e di energia, come motori, turbine a gas e celle a combustibile.

Il rapporto tra l'energia specifica sull'asse Y e la potenza specifica sull'asse X è il numero di ore di funzionamento del dispositivo alla potenza nominale. La dimensione del dispositivo non influisce su questo rapporto, poiché i dispositivi più grandi avranno una potenza e una capacità energetica proporzionalmente più elevate. La curva isocrona che rappresenta il tempo di funzionamento costante sul diagramma Lagoon è una linea retta.

Riepilogo

È importante comprendere la curva di scarica di una batteria e i vari parametri che compongono la famiglia di curve di scarica legate alla chimica specifica della batteria. A causa dei complessi sistemi elettrochimici e termodinamici, anche le curve di scarica delle batterie sono complesse, ma sono solo un modo per comprendere i compromessi prestazionali tra le varie strutture e chimiche delle batterie.