6.8 Verifica del modello
Come detto in precedenza i dati a disposizione per valutare la bontà del modello sviluppato sono limita-ti, per cui si riporta una comparazione riguardante una semplice scarica a rate (nominale) e temperatura (20◦C) costante relativa alla prima famiglia Litio implementata.
I due andamenti in figura6.10evidenziano come il modello rappresenti fedelmente il comportamento della cella fino ad un valore del SOC assoluto pari a 0 1. Infatti in questo caso l’errore percentua-le risulti essere sempre inferiore all’ 1%, in particolare i valori massimi e minimi ricavati sono pari, rispettivamente, allo 0.85% e allo 0.03%.
Figura 6.10: Confronto tensione modello con andamento sperimentale
Il brusco incremento dell’errore di stima del modello in condizione di scarica pressochè completa della cella è determinato dalla scarsa quantità di dati a disposizione presenti7.
Questa limitazione non va ad incidere negativamente sull’affidabilità del modello in quanto, per motivi di sicurezza e di ottimizzazione tecnico-economica, i SdA solitamente lavorano in un intervallo limitato di SOC che è ben distante dai valori raggiunti nel test.
Si desidera comunque sottolineare come il modello, seppur in un test non particolarmente provante, sia in grado di simulare il comportamento non lineare tipicamente presente per valori particolarmente elevati del SOC.
Tuttavia, a causa delle limitate possibilità di confronto e verifica, non è possibile trarre delle considera-zioni finali definitive.
Capitolo 7
Comparazione delle famiglie Litio
implementate
In questo capitolo verranno eseguiti diversi test in modo da poter effettuare una comparazione tra le risposte fornite dalle tre famiglie Litio implementate. Questa desamina risulta indispensabile in quanto non si prevedono futuri punti di svolta riguardanti i processi elettrochimici tipici degli accumulatori in questione, ma sarà l’utilizzo di nuove composizioni chimiche, in grado di integrarsi ed interagire in maniera ottimale, a determinare gli avanzamenti tecnologici e prestazionali per la categoria.
In particolare le tipologie Litio modellate sono le seguenti:
• La famiglia NMC è caratterizzata da un catodo costituito da Nichel, Manganese e Cobalto. At-traverso uno specifico bilanciamento dei due componenti principali, ovvero Ni e Mn, è possibile indirizzare le prestazioni dell’accumulo verso applicazioni di potenza o di energia in modo mu-tuamente esclusivo. Infatti il primo materiale attivo consente di ottenere un’alta energia specifica a scapito di una minore stabilità, mentre il secondo, riducendo l’energia specifica, consente di diminuire la resistenza interna, permettendo quindi la circolazione di correnti elevate [23]. Il mo-dello implementato, viste le elevate correnti di scarica e carica consentite, è progettato per servizi di potenza (in particolare per veicoli elettrici);
• La famiglia LFP è caratterizzata da un catodo a base di ferro-fosfato, il quale determina una ridotta resistenza interna ed una maggior stabilità della tensione e della temperatura interna. Per queste ragioni questa tecnologia viene utilizzata in applicazioni di potenza, mentre presenta alcuni deficit in termini di energia specifica [23]. In questo caso, le correnti sopportate risultano essere di gran lunga superiori alla famiglia precedente;
• Infine si è modellata una generica famiglia Li-Polimero, la quale presenta le stesse disponibili-tà, in termini di materiali catodici, della famiglia Li-ione (infatti le LiPo sono una sottofamiglia). L’unica differenza è data dalla presenza di un materiale polimerico nell’elettrolita, il quale assume uno stato fisico simile al gel, garantendo quindi una maggiore sicurezza (no componenti liquide da controllare) e la possibilità di modellare la geometria della cella secondo le esigenze richie-ste. Sia per questa ragione, sia per i costi particolarmente alti, questa famiglia viene utilizzata principalmente nelle applicazioni elettroniche portatili, tuttavia le sue caratteristiche la rendono particolarmente adatta ad applicazioni ad alta energia, in quanto l’elettrolita risulta essere più sen-sibile alle alte correnti [24]. Infatti il rate di carica/scarica è particolarmente limitato rispetto le tipologie precedenti.
In accordo con le prove implementate nel modello, sono stati effettuati dei test generici e specifici, in modo da caratterizzare le peculiarità delle famiglie e di verificare la propensione (o la non propensione) a particolari cicli di lavoro. Inoltre, tutti i test sono stati eseguiti sia in presenza sia in assenza del BMS, in quanto la sua presenza, indispensabile nelle applicazioni reali, può influenzare pesantemente la rispo-sta del sistema a sollecitazioni esterne.
Per quanto riguarda le caratteristiche elettriche delle batterie simulate, si è scelto di virare su due stra-de che costituiscono i due moduli utilizzati, uno per applicazioni di mobilità elettrica, e l’altro per
7.1. PROVE CARATTERISTICHE
l’esecuzione di servizi di rete. Nel primo caso si è preso come riferimento un modulo utilizzato in un’applicazione veicolare reale, caratterizzata da una tensione e capacità nominale pari a 50 V e 100 A h [25]. Viceversa, per l’applicazione di rete, ci si è riferiti ad un modulo usato da Mitsubishi Heavy In-dustries1, caratterizzato da una tensione ed una capacità nominale rispettivamente di 15.6 V e 105 A h. Ovviamente, nelle reali applicazioni, i rispettivi moduli verranno connessi in serie e/o parallelo al fine di raggiungere i requisiti elettrici richiesti, tuttavia, viste le ipotesi implementative del modello, l’analisi di un singolo modulo consente comunque di effettuare la comparazione delle diverse famiglie Litio. Ora verrà fatta un’analisi delle tre famiglie mediante dei test generici effettuati senza l’ausilio del BMS, in quanto si desidera solamente verificarne le peculiarità. Nelle sezioni successive, invece, verranno mostrati ed analizzati i test specifici eseguiti nei due casi in fase di studio.
7.1 Prove caratteristiche
Le prove di caratterizzazione eseguite fanno riferimento al modulo relativo alle applicazioni veicolari, mentre i test eseguiti sono i seguenti:
• scarica ad impulsi di corrente pari a 100 A, riportata nelle figure7.1e7.2; • ciclo completo di scarica/carica a 100 A, evidenziato dalle figure7.3e7.4;
• le figure7.5e7.6riportano le grandezze caratteristiche dell’accumulatore a seguito dell’applica-zione di una serie di gradini di corrente.
(a) Andamento tensione (b) Andamento SOC
Figura 7.1: Andamenti relativi al test2
(a) Andamento potenza dissipata (b) Andamento temperatura interna
Figura 7.2: Andamenti relativi al test2
Ciò che si può notare riguarda, innanzitutto, come i valori di tensione iniziale e finale (a parità di SOC) siano differenti, in particolare il range di variazione delle famiglie LiPo e NMC (rispettivamente 18 % e 26 %), rispetto al valore nominale, sia più marcato rispetto la famiglia LFP (circa 16.4 %2). Infatti, quest’ultima, denota una maggiore stabilità della tensione al variare del SOC. Un altro dettaglio, facil-mente visibile in questa figura, riguarda la maggiore influenza del rate-effect e del recovery-effect per
1[26]
CAPITOLO 7. COMPARAZIONE DELLE FAMIGLIE LITIO IMPLEMENTATE
le tipologie ad elettrolita liquido, dimostrato dal maggior “incremento” di tensione presente durante i periodi di riposo. Per quanto riguarda lo stato di carica, non si nota reali differenze.
Altre informazioni possono essere estrapolate dalla figura7.2(b), la quale evidenzia, ricordando le ipote-si secondo le quali il modello termico è stato sviluppato3, come la famiglia NMC raggiunga temperature interne superiori. I fattori che influenzano gli andamenti di figura7.2(a)sono diversi, e spaziano dal valore dell’impedenza interna della singola cella alla configurazione e al numero di celle necessarie per ottenere i parametri elettrici richiesti dal modulo.
(a) Andamento tensione (b) Andamento SOC
Figura 7.3: Andamenti relativi al test3
(a) Andamento potenza dissipata (b) Andamento temperatura interna
Figura 7.4: Andamenti relativi al test3
A conferma di quanto detto in precedenza, le figure7.3e7.4evidenziano una maggior stabilità della tensione e della temperatura interna della famiglia LFP rispetto alle due concorrenti.
Le figure 7.5e7.6riportano gli andamenti delle varie grandezze a seguito dell’applicazione di sva-riati gradini di corrente. Le considerazioni che possono essere fatte rimangono le medesime dei casi precedenti.
(a) Andamento tensione (b) Andamento SOC
Figura 7.5: Andamenti relativi al test4
Da questa prima analisi generica vengono a confermarsi le caratteristiche tipiche della chimica catodica descritte ad inizio capitolo. Inoltre, benchè le ragioni che si “nascondono” dietro agli andamenti della