Sviluppo di moduli batterie litio-ioni per avviamento - Enea

Il grafico qui sopra mostra che al di sotto di circa 15ºC i cicli vita saranno progressivamente
ridotti lavorando a temperature più basse. Anche operando a temperature superiori ai 50 ° C si
riduce il ciclo di vita, ma dai 70 º C in su la minaccia è la temperatura incontrollata.
Il sistema di gestione termica della batteria deve essere progettato per mantenere il valore dei
parametri di funzionamento delle celle nei rispettivi limiti in qualsiasi momento, per evitarne
l’usura prematura: quanto sopra dimostra che la funzione di protezione consiste
sostanzialmente nel controllo della tensione e temperatura di ogni cella.
4.4 Funzione di bilanciamento.
Ci sono molte cause di disequalizzazione delle celle [4], [5]. Uno dei fattori principali è
connesso con il principio generale che non tutte le celle sono create uguali, cioè,
sostanzialmente, le celle all’interno di un sistema batterie sono tutte diverse tra loro. Ciò
avviene a causa delle inevitabili tolleranze di produzione. Altri fattori sono la distribuzione di
temperatura all’interno del pacco ed il diverso invecchiamento delle celle. Il tutto si traduce in
variazioni nell’impedenza interna, che è il parametro secondo il quale le celle si comportano
durante i processi di carica e scarica. Durante la fase di carica, se nella serie c’è una cella
degradata, ovvero con capacità ridotta, c’è il pericolo che appena raggiunge la carica completa
essa sarà soggetta a sovraccarica per tutto il tempo impiegato dalle altre celle a raggiungere
anch’esse lo stato di carica completa. Il risultato è un possibile aumento di temperatura e
pressione che può danneggiare la cella. Durante la scarica, la cella più degradata sarà soggetta
ad una profondità di scarica maggiore e tenderà a fallire prima delle altre. I problemi causati
da queste differenze tra cella e cella aumentano quando le celle sono soggette a rapidi cicli di
carica e scarica con elevati gradienti di corrente, come quelli tipici delle applicazioni dei veicoli
elettrici ed ibridi. Un veicolo ibrido ovviamente ricade in questa categoria di applicazioni, in
quanto per far fronte ad elevate richieste di coppia assorbe elevatissime correnti, e nel
momento di un’intensa frenata (con recupero dell’energia cinetica), immette nelle batterie
grandi correnti: soprattutto quest’ultimo caso è problematico per le batterie perché la corrente
generata in fase di frenata può causare un rapido aumento di tensione fino a livelli
potenzialmente pericolosi per la cella. Infatti, per ogni tipo di batteria è importante che la
carica avvenga a tensione inferiore ad un valore di sicurezza che danneggerebbe
irreparabilmente l’accumulatore. Tenere sotto controllo la tensione complessiva del pacco
batteria non è sufficiente, perché a causa della dispersione dei parametri, celle nominalmente
uguali possono possedere caratteristiche leggermente diverse. Ad esempio una cella con una
capacità ridotta o una resistenza interna maggiore tende ad avere una variazione di tensione
maggiore rispetto alle altre durante i cicli di carica/scarica e quindi è più facilmente soggetta a
guasti per sovratensione.
Per le motivazioni espresse, durante i cicli di carica alcune celle potrebbero raggiungere prima
delle altre la tensione finale di carica. In questo caso è indispensabile impedire a queste celle di
continuare il processo di carica.
Quando una cella è danneggiata, deve essere sostituita l’intera batteria e le conseguenze sono
estremamente costose. La sostituzione della singola cella non risolverebbe il problema poiché
le caratteristiche di una cella “fresca” sarebbero abbastanza differenti da quelle delle celle
invecchiate e ciò aumenterebbe le possibilità di rottura.
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