In che modo la consistenza delle celle al litio influisce sulla batteria?

La quantità di acqua che una botte di legno può contenere è determinata dal suo doga più corta. Questo è noto come "principio della botte".

Se confrontiamo un pacco batteria agli ioni di litio con una botte che contiene acqua, allora le singole celle al litio che compongono il pacco batteria sono le doghe di legno. Le prestazioni della singola cella peggiore determinano le prestazioni complessive dell'intero pacco batteria.

Nell'assemblaggio di pacchi batteria agli ioni di litio (PACK), l'omogeneità delle celle è di fondamentale importanza. Un pacco con scarsa omogeneità delle celle vedrà le sue prestazioni, tra cui capacità, durata del ciclo e caratteristiche di carica/scarica, influenzate negativamente. All'aumentare del numero di cicli di carica/scarica, questo impatto cresce. Ma quanto è significativo l'effetto di questo "principio della botte"?

Il pacco batteria agli ioni di litio (PACK) segue il "principio della botte"

Una ragione significativa di ciò è la gestione e il controllo da parte del Battery Management System (BMS). Il BMS di un pacco batteria al litio include la protezione contro la sovraccarica e lo scaricamento eccessivo delle singole celle. Ciò garantisce che le celle agli ioni di litio operino entro un intervallo di tensione sicuro e affidabile durante la carica e la scarica, prevenendo il degrado delle prestazioni, la riduzione della durata o anche i rischi per la sicurezza causati da sovraccarico o scaricamento eccessivo.

Impatto dell'omogeneità durante la scarica del pacco batteria

Prendiamo come esempio una cella al litio ternario (NMC/NCA). La sua tensione di interruzione di scarica a cella singola è tipicamente di 2,5 V e il BMS di solito imposta la protezione da scaricamento eccessivo a cella singola a 2,8 V. La logica di protezione del BMS è tale che quando la tensione di qualsiasi cella nel pacco raggiunge i 2,8 V, viene attivata la protezione da scaricamento eccessivo. I MOSFET o i relè di scarica si aprono e l'intero pacco smette di scaricare.

Consideriamo un pacco batteria al litio ternario 10-serie, 1-parallelo (10S1P). Supponiamo che tra le 10 celle, la cella con la capacità più bassa sia di 2000 mAh, mentre le altre 9 celle abbiano tutte una capacità di 2500 mAh. Quando il pacco si scarica, tutte e 10 le celle si scaricano simultaneamente. La tensione della cella diminuisce al diminuire della sua capacità. Quando la cella da 2000 mAh a capacità inferiore è completamente scarica, la sua tensione raggiungerà i 2,8 V. In questo momento, le altre 9 celle (2500 mAh) hanno ancora capacità residua, con tensioni superiori a 3,0 V. Tuttavia, poiché il BMS ha rilevato che la tensione di una stringa di celle ha raggiunto i 2,8 V, attiva la protezione da scaricamento eccessivo del pacco e interrompe la scarica per l'intero pacco. Di conseguenza, la capacità di scarica utilizzabile dell'intero pacco è limitata a 2000 mAh.

L'impatto dell'omogeneità durante la carica è simile allo scenario di scarica.

Una cella al litio ternario è completamente carica a 4,2 V. Il BMS imposta tipicamente la protezione da sovraccarico a cella singola a 4,25 V. Quando le celle si caricano, la loro tensione aumenta con l'aumentare della capacità. Quando la cella da 2000 mAh a capacità inferiore diventa completamente carica e la sua tensione raggiunge i 4,25 V, le altre 9 celle non sono ancora completamente cariche (probabilmente inferiori a 4,1 V). Tuttavia, il BMS rileva una stringa di celle che supera i 4,25 V e attiva la protezione da sovraccarico del pacco, interrompendo la carica per l'intero pacco. Ciò si traduce nel fatto che il pacco accetta solo una carica di 2000 mAh.

Questo è il modo in cui si manifesta l'"effetto botte": la cella con la capacità più bassa determina sia la capacità di carica che di scarica dell'intero pacco batteria.

L'influenza dell'omogeneità sulla durata del ciclo e sulle caratteristiche di carica/scarica del pacco segue anche il "principio della botte". Le prestazioni complessive del pacco sono determinate dalla singola cella con la durata del ciclo e le caratteristiche di carica/scarica peggiori.

Come si può controllare l'omogeneità del pacco batteria?

L'omogeneità del pacco batteria coinvolge parametri come la tensione a circuito aperto, la capacità e la resistenza interna. A un livello più profondo, include anche fattori come il valore K (tasso di autoscarica), la durata del ciclo e le caratteristiche della curva di carica/scarica.

Prima dell'assemblaggio del PACK, le celle vengono sottoposte a smistamento e abbinamento. I criteri di abbinamento comuni sono:

• Deviazione della capacità: controllata entro l'1%

• Differenza di tensione: entro 3 mV

• Differenza di resistenza interna (IR): entro 2 mΩ

Per quanto riguarda fattori come il valore K, la durata del ciclo e le caratteristiche di carica/scarica, l'omogeneità deve essere controllata alla fonte di produzione delle celle. Ciò include:

• Utilizzo di sistemi di materiali identici per le celle all'interno dello stesso lotto di produzione.

• Controllo del tasso di difetti nella produzione di massa.

• Standardizzazione e automazione del processo di produzione di massa per le celle.

In sintesi:

Controllando rigorosamente l'omogeneità delle celle all'interno di un pacco batteria al litio, possiamo ottimizzare le prestazioni del pacco al suo pieno potenziale, anche sotto l'influenza dominante del "Principio della botte".