ULTERIORI OSSERVAZIONI

5.5.1 Problemi dell’effetto della temperatura sull’autoscarica

Come già specificato il BMS utilizzato fornisce anche un task di bilanciamento che, sfruttando il bilanciamento passivo fornito dalla scheda MMU della TI, può scaricare le celle a SoC più alto per raggiungere una situazione di equalizzazione tra le celle.

Riproponendo il problema dei tempi di bilanciamento si considera il caso di sbilanciamento del 1% tra due celle. Considerando la capacità reale il tempo di bilanciamento che occorre risulta essere:

𝐶𝑟𝑒𝑎𝑙𝑒 ≅ 71 𝐴ℎ →𝑠𝑏𝑖𝑙𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 ∆ ≅ 0.7 𝑚𝐴ℎ 𝐼𝑏𝑎𝑙𝑎𝑛𝑐𝑒= 3.65 75 𝐴 = 48.6 𝑚𝐴 → 𝑡𝑏𝑎𝑙𝑎𝑛𝑐𝑒= ∆ 𝐼𝑏𝑎𝑙𝑎𝑛𝑐𝑒 ≅ 14.4 ℎ

Con una resistenza di bilanciamento di 75 Ω e considerando la condizione di cella carica 3.65 V

AUTOSCARICA

È utile osservare la capacità di questo metodo nel correggere lo sbilanciamento che nasce della dipendeza della corrente di autoscarica rispetto alla temperatura. Se si ipotizza una corrente di autoscarica tra le celle uguale a temperatura costante, dai dati estrapolati dal paragrafo precedente si può analizzare l’effetto termico sullo sbilanciamento.

Si suppone che il pacco batteria sia in costante utilizzo per una settimana e che il comportamento termico sia quello descritto nel paragrafo precedente. Dopo una settimana di utilizzo del pacco una cella ha avuto corrente di autoscarica pari a 0.559 mA mentre l’altra di 0.97 mA.

Al termine della settimana la cella a temperatura maggiore avrà perso, rispetto alla cella a temperatura minore, una carica pari a:

∆𝐼𝑠𝑑= (0.97 − 0.559)𝑚𝐴 = 0.411 𝑚𝐴 → 𝑄𝑙𝑜𝑠𝑡 = ∆𝐼𝑠𝑑∗ 7 ∗ 24 = 0.069 𝐴ℎ

Che comporta un tempo di bilanciamento di: 𝑡𝑏𝑎𝑙𝑎𝑛𝑐𝑒 =

𝑄𝑙𝑜𝑠𝑡

𝐼𝑏𝑎𝑙𝑎𝑛𝑐𝑒

≅ 1.41 ℎ

Da questa analisi risulta che in caso di corrente di autoscarica uguale tra le celle a temperatura costante il sistema di bilanciamento presente sulla scheda TI può essere utilizzato per bilanciare le celle.

Infatti, il tempo di bilanciamento è ragionevole.

5.5.2 Differenze tra le celle

Ogni cella che compone il pacco batteria è diversa rispetto alle sue sorelle. Dall’analisi dei dati si possono raccogliere informazioni riguardanti la differenza di capacità reale delle celle e della loro resistenza serie; Con resistenza serie si intende la somma delle resistenze interne alla cella più la resistenza di contatto e quella del ponticello, quindi tale differenza può anche essere causata da un errore umano durante il montaggio e non solo per la diversità di carattere tecnologico tra due celle.

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Figura 87 Profilo di scarica a 3 resistenze in parallelo

DIFFERENZA RESISTENZA

Per calcolare la resistenza serie di ciascuna cella si compie lo stesso procedimento utilizzato nel capitolo 3 durante la caratterizzazione.

Prendendo i valori temporali dove è presente un gradino di corrente si analizza la variazione di tensione rispetto alla variazione di corrente.

{ 𝐼(𝑇 −_{) = 0} 𝑉𝑐𝑒𝑙𝑙𝑎(𝑇−) = 𝑉′ →𝑜𝑛 { 𝐼(𝑇+_{) = 𝐼}′′ 𝑉𝑐𝑒𝑙𝑙𝑎(𝑇+) = 𝑉′′→ 𝑅𝑠𝑒𝑟𝑖𝑒 = 𝑉𝑐𝑒𝑙𝑙𝑎(𝑇+) − 𝑉𝑐𝑒𝑙𝑙𝑎(𝑇−) 𝐼(𝑇+_{) − 𝐼(𝑇}−₎

I risultati ottenuti sono i seguenti.

Figura 88 Calcolo della resistenza serie di ogni singola cella

Da cui si osserva che la resistenza serie media è pari a 2.3 mΩ che è in linea con quanto calcolato nella caratterizzazione della singola cella.

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In tutto questo, si osserva come la cella C14 abbia una resistenza più alta rispetto a tutte le altre celle. Questo può essere dovuto a causa della differenza tra le altre celle oppure anche per colpa delle resistenze di contatto.

Figura 89 Verifica della cella C14 avente R_serie più elevata

Dalla Figura 89 si dimostra come la cella C14 abbia una resistenza serie più alta rispetto alle celle C5,C6,C7 e C8 (C5 cella che stacca in carica C6,C7 e C8 celle con la più bassa R_serie). Infatti all’inizio della scarica, dove l’effetto resistivo è quello principale, si nota come la cella C14, che ha una tensione di partenza più o meno coincidente con le altre, abbia nel suo profilo un gradino di tensione più grande rispetto a quello delle altre celle.

Al termine della scarica, invece, si osserva come la cella C14 sia più carica delle altre. Questi due effetti sono dovuti a causa della resistenza serie più alta.

Se si analizza gli altri test effettuati, o la stessa parte terminale del test di scarica preso in esame, si nota come il comportamento della resistenza serie della cella C14 è lo stesso e come la resistenza serie di tutte le altre celle sia del medesimo ordine e andamento per tutti i test effettuati.

DIFFERENZA DI CAPACITA’

Dai test effettuati, sia in carica che in scarica, è inoltre possibile osservare anche le differenze di capacità tra le celle.

Da tali test si evince che la cella C5, durante tutti i test in scarica, è quella che arriva alla condizione di sotto tensione per prima rispetto a tutte le altre celle.

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Nella Figura 90 è stato riportato l’andamento delle tensioni di cella che violano la condizione di alarm della tensione, sia in carica che in scarica.

All’inizio della fase di scarica si può notare come la cella C5 abbia una tensione OCV più alta delle altre celle che implica una condizione di SoC più alto. Questo, unito al fatto che la cella C5 è la prima che stacca durante la fase di scarica, si deduce che la cella C5 sia la cella con minore capacità reale rispetto a tutte le celle contenute nel pacco batteria.

Infine, è opportuno precisare che la capacità di ogni cella contenuta nel pacco, compreso la cella C5, è in linea con i valori estratti durante la caratterizzazione.

5.5.3 Sviluppi futuri

I risultati ottenuti dai test effettuati sul pacco batteria rendono il lavoro di tesi completo e funzionante per le necessità del progetto SUMA. Prima di concludere questo elaborato è comunque utile osservare che grazie ai dati raccolti è possibile aggiornare la funzione stima del SoC e creare una funzione stima dello Stato di Salute del pacco (SoH) così da rendere il pacco batteria ancora più performante.

• Task stima del SoC:

Per quanto riguarda la stima del SoC, dati i valori estrapolati del circuito equivalente è possibile creare un algoritmo Model-Based che effettui questa stima (Figura 20).

Dai test effettuati, come già accennato, si ricava che la risposta di tale circuito rispetto alle sollecitazioni risulta buona; questo comporterà un reale beneficio per la stima del SoC. • Task stima del SoH:

Come spiegato ampiamente nel capitolo 2 lo stato di salute di una batteria non è definito in maniera univoca ma in tutti i casi l’invecchiamento della cella è quello che rappresenta questo valore. Come detto l’invecchiamento comporta due tipi di degradazione delle prestazioni.

Perdita di spunto di potenza:

È causata dall’aumento della resistenza serie. Dai dati raccolti è possibile implementare un task che monitora la resistenza serie di tutte le celle. Quando esse raggiungono una certa soglia il BMS può prevedere un warning così che un tecnico possa sostituire la cella invecchiata; è opportuno indicare che l’aumento della resistenza serie sia dovuto ad un possibile allentamento dei contatti.

Infine, è utile specificare che un aumento della resistenza serie può portare ad un aumento della temperatura di esercizio della cella questo implica una possibile maggiore corrente di autoscarica e quindi un maggiore sbilanciamento.

Perdita della capacità reale:

Tramite il sensore di corrente e grazie al circuito elettrico equivalente è possibile implementare la stima della carica massima della cella che sarà utilizzata sia nella stima del SoC sia nella stima del SoH. Se la carica massima estraibile raggiunge una soglia minima fissata è possibile implementare una funzione nel BMS che comunichi lo stato di degradazione della cella a capacità minore.

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