La resistenza interna è un parametro chiave che determina la capacità di alimentazione, l'efficienza energetica e la generazione di calore delle batterie agli ioni di litio. È inoltre un importante indicatore dello stato di integrità (SoH) delle batterie che influisce su accelerazione, ricarica rapida e progettazione del sistema di raffreddamento dei veicoli elettrici (EV). Inoltre, per evitare usi impropri della batteria e migliorarne sicurezza e longevità, il sistema di gestione della batteria (BMS) deve stabilire un modello di resistenza interno per gestire con precisione la capacità di alimentazione. Pertanto, la ricerca sulla resistenza interna e sulla capacità di alimentazione svolge un ruolo importante nello sviluppo delle celle della batteria di prossima generazione e nell'ottimizzazione dei sistemi di batterie. Tuttavia, dal momento che è diventata una tendenza per i produttori adottare una resistenza interna CC estremamente bassa e ampliare i progetti a cella singola come mezzo per migliorare la densità di potenza dei veicoli elettrici, le apparecchiature generali riescono sempre più difficilmente a fornire la corrente di test necessaria di migliaia di ampere, lasciando di solito ai tecnici dei test una scelta limitata di apparecchiature costose.

Al giorno d'oggi, la tecnologia di misurazione della resistenza interna della batteria è principalmente suddivisa in due tipi: 1) La resistenza CC viene determinata principalmente utilizzando la corrente ad impulsi (fase) per misurare la differenza di potenziale, utilizzata per calcolare il valore della resistenza interna; 2) La resistenza CA è determinata con spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS) utilizzando la tecnologia dello spettro di disturbo. A causa delle complesse proprietà elettrochimiche della batteria, la resistenza CC non può essere confrontata direttamente con l'impedenza CA. Le due tecniche di misurazione sono complementari a causa della differenza negli intervalli di tempo delle analisi, e sono per lo più selezionate in base alle condizioni applicative.

In termini di progettazione di veicoli elettrici e sistemi di immagazzinamento di energia, la corrente a impulsi viene spesso utilizzata per testare la resistenza interna CC. Oltre alla breve durata del test, la ricerca ha dimostrato che l'ampiezza della corrente influisce anche sulla resistenza interna della batteria [1] e che il test dell'impulso a corrente elevata si avvicina maggiormente alle applicazioni di carico reale. I metodi standard internazionali per il test della corrente a impulsi sono il metodo del passo di corrente VDA [2] e il test HPPC (Hybrid Pulse Power Characterization) [3] [4], con larghezze di impulso comprese tra 100 mS e 30 S.

I cali di tensione sono influenzati da vari fenomeni legati alla resistenza interna, a seconda dei rispettivi tempi di misura: resistenza ohmica della caduta di tensione transitoria, capacità equivalente e resistenza del trasferimento di carica elettrica di interfaccia durante i primi secondi della caduta di tensione e resistenza di polarizzazione di risposta più lenta a causa della diffusione degli ioni (Figura 1). La resistenza totale viene calcolata dai risultati del test a impulsi. Va notato che una maggiore larghezza di impulso può modificare lo stato di carica (SOC) e causare ulteriori cadute di tensione che portano a deviazioni nella misurazione della resistenza interna. Al contrario, un'ampiezza dell'impulso troppo ridotta comporterà un aumento significativo dell'incertezza di misurazione. L'errore di misurazione può anche essere causato da errori di misurazione di corrente/tensione ed errori di controllo della temperatura.

(Figura 1) La relazione tra la variazione della tensione di test dell'impulso DA e il circuito equivalente della resistenza interna della batteria

Durante i test USABC HPPC, la resistenza interna e le caratteristiche di alimentazione della batteria vengono calcolate sottoponendo le celle della batteria a 10~30S di scarica massima dell'impulso e 10S di carica massima dell'impulso sotto diversi SOC con l'obiettivo di misurare la variazione del potenziale elettrico. In base a questo principio, se era necessario testare 10 volte la corrente di funzionamento a impulsi (10 C-rate) di una cella di batteria al litio da 60 Ah, occorreva acquistare un'apparecchiatura di carica e scarica da 600 A. Ora non più, perché ora Chroma fornisce una soluzione di test della corrente a impulsi al 200%!

La capacità di corrente a canale singolo di Chroma 17010H è di 300 A, amplificabile con Super Mode per emettere il 200% di corrente (600 A) in 30 secondi, particolarmente adatta ai test di prestazioni della corrente a impulsi. Il nuovo design si concentra sulle applicazioni a batteria e ottimizza la modalità di erogazione dell'alimentazione, riducendo l’ingombro del 50% e il prezzo del 30% (Figura 1).

La chiave dell'elevata capacità di corrente a impulsi progettata da Chroma è il controllo della temperatura del circuito di alimentazione. Innanzitutto, l'architettura di recupero dell'energia ad alta efficienza di conversione di 17010H riduce notevolmente il riscaldamento dei componenti durante la carica e la scarica. In secondo luogo, aumenta la corrente operativa ottimizzando l'integrazione del modulo di alimentazione e la selezione dei componenti. Infine, si applica il design del flusso di calore per controllare la temperatura. Per quanto riguarda la misurazione, una struttura distribuita del trasformatore di corrente ad alta precisione che garantisce l'accuratezza della corrente è integrata con un layout del circuito dell'area fredda e calda per ridurre la deriva termica, formando insieme un sistema di test della batteria integrato che raggiunge il 200% di corrente a impulsi in uscita.

(Figura 2) Il vantaggio della modalità di corrente a impulsi al 200%.

I principali vantaggi di Chroma 17010H:

1. L'elevata riproducibilità delle misurazioni aiuta a risparmiare molto tempo nella valutazione sulle tendenze e nell'analisi delle caratteristiche.
2. Le capacità di crossover nullo e di risposta rapida alla corrente forniscono risultati di test che corrispondono da vicino alle applicazioni reali.
3. Il design dell'intervallo di corrente multiplo migliora la precisione delle piccole correnti, con un intervallo di corrente minimo di 1:10 e intervalli adatti per test di prestazioni sia ad alta che a bassa velocità.
4. L'efficienza di riciclaggio dell'energia di scarica del 75% non solo consente di risparmiare sull’alimentazione operativa e ridurre il calore disperso dall'aria condizionata, ma riduce anche i requisiti di distribuzione dell'energia del laboratorio.
5. La funzione di protezione indipendente di livello 2 V. rafforza la sicurezza dei test ad alta corrente.

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References

• Noshin Omar, Assessment of rechargeable energy storage systems for plug-in hybrid electric vehicles Ph.D. thesis, Vrije Universiteit Brussel, Brussel, Belgium, (2012).
• VDA-initiative energy storage system for HEV, test specification for Li-ion battery systems for hybrid and electric vehicles; VDA: Frankfurt, Germany, 2007.
• Battery Test Manual for Electric Vehicles, U.S. Department of Energy Vehicle Technologies Program, Revision 3.1, 2020.
• Battery Test Manual for Plug In Hybrid Vehicle, U.S. Department of Energy Vehicle Technologies Program, Revision 3, 2014.
• Hans-Georg Schweiger, Comparison of Several Methods for Determining the Internal Resistance of Lithium Ion Cells, Berlin, Germany, (2010)
• Anup Barai, Scientific reports of A study of the influence of measurement timescale on internal resistance characterization methodologies for lithium-ion cells, (2017)