Per descrivere il funzionamento delle batterie la Litio, ci sono più tipi di circuiti equivalenti che si possono utilizzare. In questo paragrafo si vogliono indicare altre tipologie di circuiti equivalenti per modellizzare batteria al Litio da applicare a veicoli elettrici. Si vuole presentare una variante al modello DP, Fig. 2.9. Come si può notare il ramo derivazione è stato riportato a monte dei parametri serie; questo non induce troppi errori in quanto, una batteria al Litio, perde meno dello 0,3% della sua carica utile al giorno. In questo circuito si è voluto esplicitare chiaramente lo stato di carica tramite il condensatore CSOC che viene caricato da una quota parte della corrente It, mentre la restante parte fluisce nella resistenza Rp.
Fig. 2.9 – Variazione al modello DP
Si vuole presentare ora un altro modello circuitale che viene utilizzato per descrivere il comportamento delle batterie al Litio per uso veicolare, il modello PNGV. Esso è stato presentato dal consorzio PNGV (Partners of New Generation of Vehicles), il quale è formato da agenzie federali statunitensi e le principali corporazioni automobilistiche (USCAR, DaimplerChrysler, Ford Motor Company, General Motors Corporation). Questo tipo di modello ha come struttura base il modello di Thevenin, con l’aggiunta di un ulteriore condensatore Cp, Fig. 2.10, che vuole rappresentare il cambiamento della tensione Voc quando la batteria è connessa ad un carico. In altre parole la tensione di circuito Voc, prima del collegamento con il carico, è pari alla tensione ai morsetti della
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batteria VL. La Voc non sarà più la solita funzione polinomiale, ma in questa rappresentazione circuitale è una tensione costante. Mentre la variazione della tensione viene rappresentata tramite il condensatore Cp. Per questo motivo il circuito può essere rappresentato con una sua semplificazione, adatta a rappresentare solamente la risposta dinamica della batteria, Fig. 2.11. Dove la tensione ai morsetti della batteria non è la piena tensione, ma è la sola quota parte che varia.
Fig. 2.10 – Modello PNGV
Fig. 2.11 – Modello PNGV semplificato
Infine si vuole descrivere un ulteriore modello, un po’ differente dagli ultimi modelli citati perché non ha come struttura circuitale base il modello di Thevenin, si sta parlando del modello RC. Esso è stato creato dalla SAFT Battery Company, e come si può notare nella Fig. 2.12, è formato da due condensatori Cc, Cb e da tre resistori Rt, Re, Rc. La capacità Cc, è
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molto piccola e rappresenta gli effetti superficiali della batteria, infatti prende il nome di surface capacitor. La capacità Cb invece, è molto elevata, e rappresenta la capacità della batteria di immagazzinare cariche elettriche; prende il nome di bulk capacitor. Per quanto riguarda le resistenze: la Re rappresenta la resistenza interna della batteria, la Rt la resistenza dei terminali della batteria, mentre la resistenza Rc, chiamata capacitor resistor, è la resistenza che modellizza il comportamento reale del surface capacitor.
Fig. 2.12 – Modello RC
Queste sono altre possibili modellizzazioni circuitali di batterie al Litio, come si è potuto notare, in queste varianti circuitali non si è considerata l’isteresi interna della batteria, ma come si potrà notare in seguito, è molto usuale considerare una curva di isteresi piatta, e pari ad una curva trovata come media, punto per punto della curva di carica e di scarica. Nel capitolo successivo si procederà ad illustrare un banco prova per effettuare test sulle batterie al Litio, così da procedere con le sperimentazioni che permetteranno di ricavare tutti i parametri costituenti i circuiti equivalenti.
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3.Banco prova per test su batterie al Litio
3.1 Introduzione
In questo capitolo, si vuole parlare di come si è proceduto ad allestire e realizzare un banco per testare batterie al Litio. Le prove che si andranno ad eseguire serviranno a ricavare i parametri del circuito equivalente e gli andamenti della tensione interna della batteria. Successivamente si vorrà anche testare come dalla tensione di circuito aperto sia possibile ricavare lo stato di carica della batteria, applicando questo studio alla gestione di ricarica dei veicoli elettrici. Per far ciò bisogna elencare inizialmente la strumentazione necessaria per effettuare le prove e gli accorgimenti da tenere in considerazione. La grandezza fondamentale nel test di batterie al Litio è lo stato di carica. Se questa grandezza non è nota a chi sta testando la batteria, non è possibile estrarre gli andamenti della tensione interna della batteria, e nemmeno estrarre i parametri costituenti il circuito equivalente. Per conoscere lo stato di carica della batteria, e necessario conoscere la corrente che in quel test si sta fornendo alla batteria, se in carica, oppure che si sta estraendo dalla batteria, se in scarica. Come si è già potuto notare nei paragrafi precedenti, la tensione interna di una batteria, parte da un valore massimo e decresce fino ad un valore minimo. Per poter ottenere la variazione di tensione corretta della batteria, è necessario che la corrente durante la carica e la scarica sia perfettamente costante. Per questo motivo nel paragrafo successivo si dovrà illustrare come si è proceduto nel realizzare un carico elettronico, in grado estrarre dalla batteria una corrente costante al variare della tensione interna della batteria. In più si dovranno realizzare le protezioni di tensione massima e minima necessari per non superare le soglie di tensione massima e minima applicabile alla batteria. Per quanto riguardano le protezioni in corrente, esse non vengono realizzate in quanto si faranno test esclusivamente a corrente impressa e di conseguenza essa sarà nota e completamente sotto controllo. Prima di descrivere la realizzazione ed il funzionamento dei circuiti elettronici costituenti il carico e le protezioni, si vogliono elencare le strumentazioni di misura che verranno utilizzate durante i test alla batteria.
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