In questa tesi è stato studiato e progettato un accumulatore composto da celle ioni di litio che verrà impiegato per la realizzazione di una microgrid utilizzata in ambito urbano.
Dopo un attento studio degli accumulatori esistenti è stato scelto di utilizzare delle celle litio ferro fosfato poiché esse presentano i vantaggi caratteristici delle celle a ioni di litio, buone prestazioni energetiche a basso costo, e in più garantiscono una buona sicurezza intrinseca.
Come già specificato ampiamente anche le celle LFP necessitano di un sistema di gestione e controllo, Battery Management System, che implementi le funzioni di sicurezza necessarie all’utilizzo di tali celle. Per rendere il BMS un sistema intelligente sono state implementate due funzioni aggiuntive: la prima funzione stima lo stato di carica mentre la seconda effettua il bilanciamento della carica nelle celle che compongono il pacco batteria così da massimizzare la carica estraibile.
Infine, per rispettare le specifiche di progetto, ovvero la realizzazione di un pacco batteria a tensione nominale di 48 V, il BMS deve gestire il collegamento in serie di 16 celle LFP perché tale connessione garantisce la tensione nominale del pacco.
Per assicurare il corretto funzionamento del BMS è stato necessario lo studio e la caratterizzazione di una singola cella LFP. In particolare, è stato considerato il modello elettrochimico che descrive la cella a ioni di litio che può essere schematizzato tramite un circuito equivalente elettrico, dopo di che, è stato effettuato un primo test per la caratterizzazione della cella stessa. Tale test è un test a impulsi di corrente grazie al quale sono stati estratti i parametri del circuito equivalente.
Il primo parametro estratto dal PCT è la resistenza serie interna alla cella che risulta essere circa 1.8 mΩ ed è compatibile con i valori presenti in letteratura. Il secondo risultato del test PCT è la caratterizzazione dei gruppi RC del circuito equivalente che caratterizzano gli effetti di rilassamento della cella.
Un ulteriore studio effettuato è stato quello di estrapolare dal test la capacità reale della cella LFP utilizzata. Dallo studio è emerso che la massima carica immagazzinata nella cella è pari a 75 Ah valore che risulta essere maggiore di quello nominale.
L’ultimo studio realizzato grazie al test PCT è servito a descrivere l’andamento della tensione a vuoto della cella rispetto al SoC. La curva risultante prende il nome di curva OCV/SoC che unita al metodo Coulomb Counting è utilizzata dal BMS per il calcolo della stima del SoC. Il profilo ricavato da tale studio risulta coincidere con le curve OCV/SoC presenti in letteratura relative alle celle LFP; infatti si nota il tipico andamento di tale chimica: il classico plateau per specifiche percentuali di SoC e un’isteresi tra la curva di carica e quello di scarica.
Successivamente sono stati eseguiti due test che verificano la validità dei parametri contenuti. Il primo ricalca il test PCT che è stato realizzato per il calcolo dei parametri mentre il secondo è un test di scarica della cella effettuato con impulsi di corrente di ampiezza e durata diversa tra loro. I risultati ottenuti sono risultati incoraggianti in quanto l’errore quadratico medio tra i valori di tensione reale e quelli simulati dal modello risulta essere di circa 4.1 mV per il PCT e di 10.5 mV per il secondo test.
Un ulteriore test è stato effettuato per la stima delle resistenze parassite dovute alla resistenza di contatto e alla resistenza del ponticello. Tramite un impedenzimetro sono stati valutati questi valori ed è stato notato che, nel caso di contatto pulito e fissato tramite una buona coppia di serraggio, la resistenza di contatto è ampiamente inferiore rispetto alla resistenza interne alla cella. Infatti, il valore della resistenza di
111
contatto sommata a quella del ponticello risulta essere di 92.6 𝜇Ω da confrontare con i 6.17 𝑚Ω della resistenza interna.
Durante la caratterizzazione della cella LFP è stato testato l’andamento termico della cella durante il suo funzionamento. Si è potuto osservare che la cella scelta ha un comportamento buono rispetto alla scarica ad alte correnti infatti al termine di una scarica a 150 A la temperatura raggiunge il valore di 52 °C che è molto inferiore rispetto alla temperatura massima di esercizio indicata dal costruttore che è pari a 80 °C. Infine, un ultimo test è servito a studiare l’andamento della corrente di autoscarica della cella scelta. Dallo studio è emerso che la corrente di autoscarica dipende fortemente dalla temperatura e che tale relazione ha un andamento stile Arrhenius (𝐴𝑐𝑜𝑠𝑡∗ 𝑒(−
𝐸
𝑘𝑇 )). Da questo risultato si ricava che un gradiente
termico all’interno del pacco comporta una diversa corrente di autoscarica tra le celle che implica uno sbilanciamento di carica immagazzinata tra le stesse.
Successivamente si è provveduto a realizzare il pacco batteria dove sono stati creati i ponticelli e i
collegamenti opportuni per la creazione della stringa, l’utilizzo di una chiave dinamometrica ha garantito di minimizzare la resistenza di contatto. Dopo la realizzazione della stringa è stato collegato l’hardware di controllo e gli ulteriori componenti aggiuntivi, infine è stato caricato il firmware del BMS aggiornato con tutti i parametri calcolati durante la fase di caratterizzazione.
Al termine del lavoro di tesi sono stati effettuati ulteriori test di carica e scarica sull’intero pacco batteria. Il primo risultato ottenuto ha riguardato la capacità reale del pacco che risulta per tutte le prove essere superiore a 71 Ah. È importante notare che essa è influenzata fortemente dal valore di corrente, infatti per correnti basse la carica estratta o immagazzinata è maggiore rispetto a correnti elevate.
Un ulteriore studio è stato quello di analizzare la resistenza serie di ogni singola cella, in questa resistenza ricade la somma della resistenza interna alla cella più quella di contatto e quella di ponticello. Si è notato come tutte le celle possiedono una resistenza serie conforme a quelle stimate durante la caratterizzazione. L’ultimo studio effettuato dai test del pacco ha riguardato la presenza di gradienti termici all’interno del pacco dovuti al funzionamento della batteria. La differenza di temperatura tra le celle contenute nel pacco non è trascurabile in quanto le celle esterne si raffreddano più velocemente di quelle interne. Questo comporta, come già più volte specificato, che le celle saranno affette da una diversa corrente di
autoscarica, e quindi, tenderanno a sbilanciarsi tra loro. Inoltre, si è dimostrato che con questi gradienti termici, e quindi con lo sbilanciamento delle correnti di autoscarica da esso generato, il sistema di
equalizzazione presente nel BMS è sufficiente a bilanciare le celle, naturalmente se il bilanciamento avviene in maniera periodica e costante.
Infine, questi risultati dimostrano che il pacco batteria può svolgere le sue funzionalità in modo ottimale in qualunque applicazione che richiede tali specifiche di tensione ed energia non solo nel caso della microgrid del progetto SUMA. Prima di concludere è comunque utile osservare che grazie agli studi effettuati e ai dati ottenuti è possibile migliorare ulteriormente il sistema di accumulo grazie ad un aggiornamento della funzione stima del SoC e alla creazione di una funzione che stima lo stato di salute della batteria. Inoltre, dal progetto si nota che i costi per la realizzazione di tale pacco batteria, dopo una fase di ingegnerizzazione, sono accessibili anche per uso domestico. Da questo è possibile pensare che, in un prossimo futuro, le civili abitazioni potranno implementare a loro volta delle microgrid così da autoprodursi energia con indubbi benefici economici e ambientali.
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Indice Figure
Figura 1 Esempio di Microgrid ... 9
Figura 2 Esempio di Vehicle-to-Grid ... 10
Figura 3 Blocchi funzionali progetto SUMA ... 11
Figura 4 A sinistra il principio di funzionamento di un FES. A destra uno spaccato di un FES ... 12
Figura 5 Esempio di CAES non adiabatico ... 15
Figura 6 Esempio di CAES adiabatico ... 15
Figura 7 Schematizzazione di una VRB ... 17
Figura 8 Principio di funzionamento di una VRB ... 18
Figura 9 Spaccato di una ZEBRA ... 20
Figura 10 Schematizzazione di una cella a ioni di litio ... 23
Figura 11 Forme di una cella a ioni di litio. Partendo in alto a sinistra in senso orario: Cilindrica, rettangolare, bottone e flat. ... 24
Figura 12 Reazioni durante la scarica e la caria di una cella a ioni di litio ... 25
Figura 13 Rendering del dimostratore a LFP ... 30
Figura 14 Grafico OCV(SoC) di una cella NMC ... 34
Figura 15 Rilassamento di una cella LFP ... 35
Figura 16 Scarica a corrente costante di una LFP ... 35
Figura 17 Curva OCV(SoC) di una LFP ... 35
Figura 18 Circuito equivalente di una cella al litio ... 37
Figura 19 Schema logico di un algoritmo misto ... 38
Figura 20 Condizioni iniziali [26] ... 39
Figura 21 Condizioni delle celle dopo la carica del pacco batteria [26] ... 39
Figura 22 Condizioni al termine della scarica completa del pacco batteria [26] ... 40
Figura 23 Schema bilanciamento passivo con n celle e n resistori ... 41
Figura 24 Schema bilanciamento passivo con un solo resistore ... 41
Figura 25 Bilanciamento attivo con l'utilizzo del sistema switching capacitors ... 42
Figura 26 Bilanciamento attivo con metodo trasformatore primario e secondario ... 43
Figura 27 Bilanciamento attivo con il metodo convertitore DC-DC ... 43
Figura 28 Circuito funzionale LTC3300-1 per bilanciamento attivo [43] ... 44
Figura 29 A sinistra struttura di un BMS monolitico. A destra struttura di un BMS gerarchico. ... 46
Figura 30 Esempio di comandi possibili per TWIST ... 50
Figura 31 TWIST [46] ... 50
Figura 32 Profilo di corrente test a impulsi ... 52
Figura 33 Tensioni risultanti dal test PCT effettuato sulle celle C21 e C22 ... 53
Figura 34 Circuito equivalente cella a ioni di litio ... 53
Figura 35 Ingrandimento della risposta al singolo impulso ... 54
Figura 36 Risultato delle Rserie di C21 e C22 ... 55
Figura 37 Circuito equivalente semplificato ... 56
Figura 38 Risultato di un fitting. ... 57
Figura 39 Correzione dei gruppi RC ... 57
Figura 40 Parametri R1 e C1 cella C21 e C22 ... 59
Figura 41 Parametri R2 e C2 cella C21 e C22 ... 60
118
Figura 43 Risposta in frequenza dell'impedenza misurata da GAMRY ... 63
Figura 44 Setup misura dell'impedenza ... 64
Figura 45 Setup 16 celle collegate in parallelo a tensione costante di 3.65 V ... 65
Figura 46 Corrente di autoscarica 16 celle in parallelo ... 66
Figura 47 Autoscarica test a rampa camera termica ... 67
Figura 48 A sinistra risultati primo test a gradini a destra risultati secondo test ... 67
Figura 49 Fitting dei valori di autoscarica in funzione della temperatura ... 68
Figura 50 Confronto valori reali rispetto a quelli teorici ... 69
Figura 51 Circuito equivalente termico ... 70
Figura 52 Circuito equivalente termico preso in esame ... 70
Figura 53 Simulazione del surriscaldamento ... 71
Figura 54 Setup e immagine termica della cella ... 71
Figura 55 Comportamento della temperatura della cella. ... 72
Figura 56 Modello Simulink che simula il circuito equivalente ... 74
Figura 57 Confronto test PCT ... 74
Figura 58 Correzione R1 ... 75
Figura 59 Confronto test PCT con correzione parametri... 76
Figura 60 Profilo corrente/tempo del primo test ... 77
Figura 61 Risultati ottenuti dal primo test: a sinistra senza correzione a destra con correzione ... 77
Figura 62 NTC... 80
Figura 63 Batteria dotata del sensore di temperatura ... 80
Figura 64 Rendering pacco batteria ... 81
Figura 65 Contatti di alluminio ... 82
Figura 66 Rendering del tappo ... 83
Figura 67 Pacco batteria ... 83
Figura 68 Schema circuitale MUX ... 84
Figura 69 Circuito di lettura della tensione di cella ... 85
Figura 70 Circuito degli ingressi ausiliari ... 86
Figura 71 Immagine relativa della MMU di TI ... 87
Figura 72 Schema a blocchi realtivo della PMU ... 88
Figura 73 Immagine della PMU ... 89
Figura 74 Sensore di corrente ... 89
Figura 75 Schema di principio del contattore ... 90
Figura 76 Stati del task [26] ... 92
Figura 77 Schema logico del task MAIN [74] ... 96
Figura 78 Esempio di un setup sperimentale utilizzato durante i test ... 97
Figura 79 Test scarica a 20 A ... 99
Figura 80 Profilo di tensione e corrente ... 101
Figura 81 Equalizzazione delle 16 celle ... 102
Figura 82 Setup utilizzato per la scarica a 73 A (coperchio chiuso) ... 103
Figura 83 Profili termici delle celle ... 103
Figura 84 Profilo termico simulato per la fase di carica a 40 A ... 104
Figura 85 Comparazione tra la cella più fredda e quella più calda ... 105
Figura 86 Profilo di scarica a 3 resistenze in parallelo ... 107
Figura 87 Calcolo della resistenza serie di ogni singola cella ... 107
119
120
Indice Tabelle
Tabella 1 Confronto di alcuni FES commerciali ... 14
Tabella 2 Specifiche tecniche della batteria al flusso di vanadio ... 19
Tabella 3 Specifiche tecniche della batteria ZEBRA ... 22
Tabella 4 Specifiche delle celle a ioni di litio ... 27
Tabella 5 Specifiche tecniche della cella Winston LFP060AHA ... 28
Tabella 6 Parametri degli accumulatori presi a confronto ... 29
Tabella 7 Caratteristiche del pacco batteria utilizzato come dimostratore SUMA ... 29
Tabella 8 Caratteristiche dei diversi algoritmi per il calcolo del SoC ... 38
Tabella 9 Differenze tra i metodi di bilanciamento passivo ... 41
Tabella 10 Caratteristiche TWIST ... 49
Tabella 11 Capacità celle C21 e C22 ... 61
Tabella 12 Riassunto dei parametri estratti ... 62
Tabella 13 Impedenze GAMRY ... 63
Tabella 14 Corrente di autoscarica in funzione della temperatura ... 69
Tabella 15 Valori parametri C22 PCT in scarica ... 73
Tabella 16 Parametri corretti ... 76
Tabella 17 Specifiche del pacco batteria ... 79
Tabella 18 Configurazioni MUX ... 85
Tabella 19 Composizione e specifiche del pacco batteria ... 98
Tabella 20 Tabelle degli allarmi e dei warning ... 98
Tabella 21 Parametri della curva OCV-SoC inserite nella LUT ... 98
Tabella 22 Test ... 99
Tabella 23 Test numero 5 ... 100
Tabella 24 Test a 73 A ... 100