Progettazione e realizzazione di uno strumento per la caratterizzazione di celle al Litio.

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1

Università di Pisa

Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione

Informatica, Elettronica e Telecomunicazioni

Corso di studi in Ingegneria Elettronica

Tesi di laurea Magistrale

PROGETTAZIONE E REALIZZAZIONE DI

UNO STRUMENTO PER LA

CARATTERIZZAZIONE DI CELLE AL LITIO

Candidato:

Relatore:

Andrea Carloni Roberto Roncella

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Riassunto analitico

Attualmente la fascia di dispositivi a bassa-media potenza (ovvero compresa tra il watt e il kilowatt) è ancora dominata da oggetti che sfruttano un motore a combustione o un motore elettrico, che attraverso un cavo si collega alla rete di alimentazione. Detto ciò e premesso che lo sviluppo delle tecnologie delle celle al litio ne porti, nei prossimi decenni, a un incremento sostanziale della densità specifica di energia (energia per unità di peso), questo sistema di accumulo di energia portatile potrebbe diventare appetibile per gli oggetti sopra citati. Per questo motivo si rende necessaria la realizzazione di uno stru-mento che riesca nella maniera più accurata possibile a caratterizzare celle agli ioni di litio per applicazioni di bassa-media potenza.

È opportuno sottolineare che tale lavoro si colloca all’interno di un progetto di ricerca più ampio volto a sviluppare sistemi di caratterizzazione per celle elettrochimiche, non solo per applicazioni auto-motive, ma anche per appli-cazioni domestiche e hobbistiche (tagliaerba, biciclette elettriche, droni, etc.). La ricerca si è svolta in due fasi. La prima fase ha avuto come obiettivo quello di progettare e realizzare lo strumento di misura, sia dal punto di vista hard-ware sia dal punto di vista softhard-ware. Si è trattato di scegliere la strumentazione da laboratorio, che collegata ha portato alla realizzazione dello strumento. Successivamente è stato necessario costruire un’interfaccia hardware che per-mettesse lo scambio di informazioni tra i vari componenti dello strumento. Ed è stato realizzato un software in grado di automatizzare il test.

La seconda fase ha avuto lo scopo di verificare il corretto funzionamento del sistema di misura. Ciò è stato possibile grazie all’analisi della capacità mas-sima di venti celle agli ioni di litio (FePO4) generalmente utilizzate per

l’ac-cumulo di energia elettrica per scooter elettrici.

In conclusione, l’obiettivo di mantenere le misurazioni affidabili e accurate, nonostante l’utilizzo di componenti che hanno ridotto il costo complessivo dello strumento, è stato raggiunto.

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3

Glossario

Auto-scarica: l’energia che può essere estratta da una cella decresce nel tempo anche se nessuna corrente scorre attraverso i terminali. Tale decrescita, solitamente molto lenta, può essere indicata in modi diversi: comunemente viene espressa come una riduzione percentuale della carica per unità di tempo (per esempio %/mese), ma talvolta si indica anche come corrente di auto-scarica, ossia la corrente che dovrebbe scorrere tra gli elettrodi per ottenere la stessa velocità di scarica della cella.

Capacità nominale: indica la carica che può attraversare il terminale positivo di una cella carica prima che questa si scarichi completamente. Solitamente viene espressa in Ah o mAh.

rate: è l’unità di misura della corrente che scarica o carica la cella. Il C-rate si ricava normalizzando la corrente di cella rispetto alla sua capacità no-minale. Dire che la cella viene scaricata a 1C-rate significa che la corrente di scarica ha un’ampiezza tale da scaricarla completamente in un’ora.

Densità di energia specifica [Wh/Kg]: rappresenta l’energia nominale della cella/batteria per unità di massa.

Energia nominale [Wh]: L’energia in Wh che può essere estratta dalla cella/batteria per una determinata corrente, partendo dallo stato di carica com-pleto (100% di SoC) fino al raggiungimento della tensione di cut-off inferiore.

Numero di cicli: misura il numero di cicli di carica e scarica alla quale la cella è stata soggetta da quando è stata prodotta. Talvolta si utilizzando più indici per contare i cicli di carica/scarica completa e i cicli parziali (o micro-cicli).

Profondità di scarica (Depth of Discharge, DoD): è la percentuale di carica rimossa rispetto alla capacità nominale della cella. Una scarica superiore all’80% di DoD viene indicata come scarica profonda.

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4 Stato di carica (State of Charge, SoC): viene indicato in percentuale ed è il rapporto tra la capacità di carica attualmente immagazzinata nella cella e la sua capacità nominale.

Stato di salute (State of Health, SoH): indica la capacità effettiva della cella, normalizzata alla capacità nominale. In caso di invecchiamento, guasti o eser-cizio a temperatura elevata, la capacità effettiva della cella tende a ridursi, e così lo stato di salute.

Tensione ai terminali: la tensione misurata sugli elettrodi della cella.

Tensione di cut-off: rappresenta la minima tensione che può raggiungere la cella in fase di scarica o la massima tensione in fase di carica. Le tensioni di cut-off definiscono i limiti operativi in tensione della cella.

Tensione nominale: è la tensione che si misura ai terminali di una cella me-diamente carica, quando in essa non scorre corrente.

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Sommario

Riassunto analitico ... 2

Glossario ... 3

INTRODUZIONE ... 7

1 STATO DELL’ARTE ... 13

1.1 Strumenti per la caratterizzazione di celle/batterie agli ioni di Litio . 13 1.2 Tecniche per l’estrazione dei parametri del modello elettrico ... 15

1.2.1Pulse Current Test (PCT) ... 15

1.2.2Hybrid Pulse Power Characterization (HPPC) ... 19

1.2.3Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) ... 20

1.3 Conclusioni ... 24

2 PROGETTAZIONE DELLO STRUMENTO ... 25

2.1 Specifiche di progetto ... 25

2.1.1Specifiche hardware ... 26

2.1.2Specifiche software ... 27

2.1.3Costi ... 31

2.2Scelta dei componenti. ... 31

2.2.1Carico elettronico ... 32

2.2.2Alimentatore da banco ... 34

2.2.3Computer di bordo ... 35

2.2.4Scheda di acquisizione dati per computer ... 37

2.3Architettura del sistema ... 39

2.3.1Architettura di rete ... 41

2.3.2Architettura hardware ... 42

2.3.3Architettura Software ... 49

3VALIDAZIONE DELLO STRUMENTO ... 65

3.1 CA40 ... 66

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Sommario

6

3.2.1 Risultati Fase 1 ... 70

3.2.2 Risultati Fase 2 ... 72

3.3Estrapolazione dei parametri di cella ... 74

3.3.1 Identificazione della capacità di carica (Ccapacity) ... 75

3.3.2 Identificazione dei parametri associati alla caratteristica di tensione di cella (Rseries ,Vocv(Vsoc), RTransient_SCTransient_S e RTransient_LCTransient_L) ... 77

3.3.3 Risultati ottenuti ... 79

CONCLUSIONI ... 86

Bibliografia ... 89

Sitografia ... 91

Indice delle tabelle ... 93

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INTRODUZIONE

I sistemi di accumulo di energia elettrochimica hanno subito nel corso della storia un progressivo sviluppo.

Nel XX secolo le batterie più diffuse erano quelle al piombo-Acido (Pb-Acido), che potevano erogare una buona potenza, ma non disponevano di una densità specifica di energia elevata. Di conseguenza erano pesanti, ingom-branti e presentavano una scarsa autonomia.

A partire dal 1970 (circa) cambiano le richieste da parte del mercato, nel senso che viene incrementata la domanda di dispositivi elettronici portatili: cellu-lari, fotocamere, videocamere, giocattoli e computer portatili necessitavano di batterie capaci di fornire allo stesso tempo, da un lato, buone potenze, dall’altro, dimensioni e costi contenuti, requisiti che le batterie a Pb-Acido non riuscivano a soddisfare. Questo è uno dei motivi per cui si svilupparono nuove tecnologie, tra le quali maggiore spicco ebbero le batterie agli ioni di Litio.

Attualmente, in letteratura troviamo diversi modelli di batterie a Litio (Litio-Ferro-Fosfato, Litio-Polimero, Litio-Titanato ecc.), le cui caratteristiche va-riano leggermente in base all’applicazione specifica per la quale vengono stu-diate.

Paragonando tali batterie a quelle precedenti, in particolare a quelle a Pb-Acido, alcuni dei vantaggi sono una maggiore densità specifica di energia, dei cicli di vita aumentati e una bassa auto-scarica. Tuttavia, le eccellenti ca-ratteristiche di questa tecnologia sono garantite solo se la batteria lavora cor-rettamente, cioè se vengono rispettati determinati intervalli operativi di ten-sione, di corrente e di temperatura in fase di utilizzo. Si rende dunque neces-sario l’affiancamento di un circuito elettronico di gestione, il B.M.S. (Battery Management System).

Il B.M.S. svolge le tre seguenti funzioni: garantisce la sicurezza del sistema; equalizza la carica tra le celle della batteria; stima lo stato di carica della bat-teria.

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INTRODUZIONE

8 Sul piano della sicurezza, il B.M.S. deve controllare che ogni cella che com-pone il pacco batteria, durante l’utilizzo, non oltrepassi gli intervalli operativi suddetti. In questa fase il BMS compara le grandezze fisiche direttamente prelevabili sulle singole celle con opportuni valori di soglia; verifica che i primi stiano all’interno dei secondi e, se del caso, riporta i valori all’interno dei range operativi. In tal modo vengono evitati due inconvenienti, che sono la fuga termica e l’invecchiamento rapido del pacco batterie1_.

Ad oggi tale tematica risulta essere chiusa in letteratura, dato che tutte le pro-blematiche ad essa relative sono state risolte.

A livello dell’equalizzazione della carica il BMS, con una certa cadenza tem-porale dipendente dalla chimica della batteria, riporta ogni cella del pacco batteria allo stesso stato di carica. Un pacco batterie sbilanciato non permette di utilizzare tutta la capacità nominale della batteria, poiché il BMS non ap-pena una cella arriva al livello di scarica (o di carica) completa interrompe il processo di scarica (o di carica) delle altre celle, anche se non sono scariche (cariche), per motivi di sicurezza2.

Dal punto di vista della ricerca questo tema è aperto.

Per quanto riguarda la terza funzione, il BMS fornisce all’operatore una stima più accurata possibile dello SoC della batteria, che rappresenta una sorta di indicatore dell’autonomia residua del sistema. La stima dello stato di carica non è direttamente determinabile misurando le grandezze macroscopiche della batteria (tensione, temperatura e corrente), ma può essere ricavata indi-rettamente tramite il riferimento ad altri parametri della batteria (vedi sotto). Allo stato attuale della ricerca in tale settore, la letteratura fornisce degli al-goritmi (algoritmo misto, filtri di Kalman, etc.) che riescono a stimare lo stato di carica basandosi su dei modelli, che cercano di riprodurre il comporta-mento della cella in tutte le possibili condizioni operative.

1_{C. Wu, J. Sun, C. Zhu, Y. Ge, Y. Zhao,“Research on Overcharge and Overdischarge Effect}

on Lithium-Ion Batteries”, in IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference (VPPC),

2015, pp. 1 – 6.

2_{G. Fantechi “Sistemi di gestione di batterie al Litio per la trazione elettrica”, Tesi di}

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INTRODUZIONE

9 I modelli sviluppati fino ad ora sono quelli elettrochimici, quelli matematici e quelli elettrici.

I primi analizzano il comportamento della cella a livello microscopico attra-verso delle equazioni descrittive delle reazioni chimiche di ossido-riduzione e dei fenomeni di diffusione degli ioni di litio. Tale modello non si adatta alla determinazione in tempo reale dello stato di carica in quanto è richiesta una conoscenza della tecnologia di cella a livello chimico approfondita di cui, ge-neralmente, non si dispone. Inoltre, la complessità delle equazioni e dei si-stemi da risolvere richiederebbero al BMS una capacità di calcolo troppo ele-vata rispetto alle sue potenzialità, nel senso che ci impiegherebbe troppo tempo a produrre la stima del SoC.

I secondi descrivono il comportamento della batteria tramite l’elaborazione di equazioni empiriche di difficile interpretazione.

I terzi riproducono il comportamento macroscopico della cella attraverso un circuito elettrico equivalente. Essi risultano essere meno accurati, ma più semplici e, quindi, maggiormente adattabili al calcolo dello stato di carica in tempo reale rispetto ai primi.

Ciò che si evince volgendo lo sguardo alla letteratura inerente ai modelli elet-trici è che il principale punto di partenza delle ricerche sui circuiti eletelet-trici equivalenti è il modello di Randles (Errore. L'autoriferimento non è valido p

er un segnalibro.)3.

3_{M. Chen and G. Rincon-Mora, “Accurate Electrical Battery Model Capable of Predicting}

Runtime and I-V Performance”, in IEEE Transactions on Energy Conversion 2006, vol. 21,

no. 2, pp. 504–511.

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INTRODUZIONE

10 I parametri definiti in base al modello elettrico scelto sono fortemente dipen-denti dal punto di lavoro, dalla temperatura e dall’invecchiamento della cella. Data la variabilità di queste condizioni non è possibile identificare a priori tali parametri, ad esempio effettuando dei test in laboratorio (detta misura off-line)4. Piuttosto, è necessario un calcolo contemporaneo all’utilizzo del pacco batteria (detta misura on-line)5.

Il presupposto della stima “on-line” dello SoC è il modello elettrico, che at-tualmente presenta degli aspetti irrisolti6.

Il miglioramento del modello può essere ottenuto sottoponendo la cella a dei test “off-line” (in laboratorio). Tramite questi test vengono riprodotte le con-dizioni operative della cella non ancora studiate esaustivamente, contempo-raneamente si verifica la risposta della cella. Infine, viene modificato il mo-dello aggiungendo uno o più parametri che descrivono il comportamento stu-diato

Il fatto di voler migliorare l’accuratezza dei modelli elettrici non si limita alle tecnologie attuali, ma può avere dei riflessi pro futuro. A supporto di tale af-fermazione basta guardare alle previsioni reperibili in letteratura che mo-strano il verificarsi di un incremento della densità specifica di energia delle celle a Litio, secondo l’andamento rappresentato in Figura 27_.

4_{Questo tipo di misurazione è usato per migliorare un modello elettrico.} 5_{Presuppone l’esistenza di un modello elettrico accurato.}

6_{M. Bahramipanah, D. Torregrossa, R. Cherkaoui, M. Paolone, Ecole Polytechnique,}

“Model of Lithium-based Batteries Accounting for Charge Redistribution, State-of-Health and Temperature Effects”, in IEEE Transactions on Transportation Electrification, vol. 3,

ed. 3, pp.5-6.

7_{Si fa riferimento a un workshop tenutosi a Malaga a dicembre 2015 “3Ccar Vision 2016}

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INTRODUZIONE

11 In particolare, si prevede che l’aumento in percentuale annua sarà compreso tra il 5 e l’8 per cento. Inoltre, nei prossimi decenni potrebbero realizzarsi dei salti tecnologici che porterebbero sul mercato celle a Litio-solfati (S) e Li-tio-Aria (Li-O2)

rendendo appetibile questo sistema di accumulo di energia portatile ad oggetti a bassa-media potenza (compresa tra il watt e il kilowatt; ad esempio utensili da lavoro, utensili da giardinaggio, piccoli scooter ecc.), che attualmente sono alimentati da motori a combustione o da motori elettrici collegati via cavo alla presa di rete.

Se queste sono gli usi previsti dei sistemi di accumulo anche la ricerca deve essere volta verso tale settore.

Ciò che si intende realizzare è, quindi, uno strumento che sia in grado di sot-toporre celle agli ioni di litio utilizzate per applicazioni nella fascia di potenza sopra citata, a dei cicli di scarica/carica volti a replicarne il modello d’uso nella maniera più fedele possibile.

La progettazione di questo strumento è oggetto di questo lavoro, pertanto nei capitoli che seguono viene descritta la ricerca svolta in tutte le sue fasi.

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INTRODUZIONE

12 Nel primo capitolo viene fatta una ricognizione delle strumentazioni equiva-lenti al fine di sollevarne i motivi per cui non si adattano perfettamente alla caratterizzazione di celle agli ioni di Litio per applicazioni di bassa-media potenza. Inoltre, vengono evidenziati le principali procedure di test per l’estrazione dei parametri del modello elettrico.

Nel secondo capitolo si passa alla descrizione del sistema progettato analiz-zando la struttura hardware e quella software che lo compone.

Il terzo capitolo tratta la validazione dello strumento che avviene attraverso il confronto con una strumentazione equivalente e mostra la capacità dello stru-mento di estrarre i parametri relativi al modello elettrico di Randles.

L’ultima parte del lavoro da conto dei risultati ottenuti sia in termini di accu-ratezza che di costi e il possibile utilizzo di tale strumento all’interno di pro-getti di ricerca più lungimiranti.

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1 STATO DELL’ARTE

Un’analisi completa dello stato dell’arte impone di procedere verso due dire-zioni, che sono la descrizione della tipologia di strumenti presenti nel mercato per la caratterizzazione di celle agli ioni di Litio e l’esposizione delle possibili tecniche adottate per l’estrazione dei parametri che caratterizzano la cella. Per tale ragione questi due temi saranno l’oggetto dei prossimi paragrafi.

1.1 Strumenti per la caratterizzazione di celle/batterie agli ioni di

Litio

Attualmente le ricerche nel campo della caratterizzazione di celle/batterie agli ioni di litio reperibili in letteratura presentano varie tipologie di strumenta-zione classificabili in due gruppi in base all’oggetto del test.

Gli strumenti del primo gruppo eseguono il test su tutto il pacco batteria; men-tre quelli appartenenti al secondo gruppo lo svolgono su una singola cella del pacco batteria.

Tabella 1: Tabella che specifica i pro e contro delle tecnologie di strumenti attualmente disponibili nel mercato

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1 STATO DELL’ARTE

14 I primi, riportati nella terza colonna della Tabella 18, sono in grado di soppor-tare tensioni e correnti molto elevate, rispettivamente, dell’ordine di centinaia di volt e di migliaia di ampere; di conseguenza, si adattano a testare un pacco batteria completo che potrebbe richiedere/erogare, in base all’applicazione per la quale è stato progettato, tensioni e correnti molto elevate (ad esempio applicazioni per trazione su veicoli elettrici o ibridi, etc..).

Essi sono comunemente conosciuti come “ciclatori” in quanto impongono dei cicli di scarica/carica al pacco batteria, al fine di riprodurne il comportamento. Questa tipologia di test non richiede frequenze di campionamento troppo ele-vate.

Il maggior limite del sistema è il costo eccessivo rispetto agli strumenti simili in particolare quelli del secondo gruppo (>50000 Euro).

In questa categoria troviamo il ciclatore SBT6006009.

I secondi, come detto precedentemente, si adattano alla caratterizzazione delle singole celle e non del pacco batteria, in quanto sono in grado di sop-portare correnti e potenze nettamente inferiori rispetto ai primi (>10000Euro). Essi riescono a coprire tutte le possibili tensioni di cella delle varie chimiche a Litio.

Questa tipologia di strumenti si può ulteriormente scomporre in due sotto-gruppi in base all’accuratezza delle misure e alla capacità di assorbire/erogare potenze più o meno elevate. In particolare, gli strumenti appartenenti alla prima colonna della Tabella 1 sono capaci di eseguire dei test di caratterizza-zione avanzati, che richiedono un’elevata frequenza di campionamento, e di prelevare misure di tensione e di corrente con un’elevata accuratezza. Tutta-via, essi si adattano solo allo studio di celle con capacità ridotta (dell’ordine dei mAh) progettate per applicazioni che richiedono basse potenze (ordine

8_{La tabella è stata presa da “600-A Test System for Aging Analysis of Automotive Li-Ion Cells}

With High Resolution and Wide Bandwidth”,P. Weßkamp; P. Haußmann; J. Melbert in IEEE

Transactions on Instrumentation and Measurement, 2016, pp. 1651 – 1660.

9_{SBT600600 datasheet 600V -600A, in}

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1 STATO DELL’ARTE

15 del watt). Rientrano in questa categoria gli strumenti CadexC800010 e ZAHNER ZENNIUM / IM611

Invece, quelli della seconda colonna possono caratterizzare celle per applica-zioni di bassa-media potenza (ovvero che va dal watt al chilowatt) che richie-dono correnti di carica e scarica dell’ordine di centinaia di ampere, ma sof-frono di un livello di accuratezza molto peggiore rispetto alla categoria rap-presentata nella prima colonna riportata in Tabella 1. Alcuni modelli disponi-bili sul mercato sono MODEL 1701112 e CT0525013.

1.2 Tecniche per l’estrazione dei parametri del modello elettrico

L’estrazione dei parametri del modello elettrico viene fatta seguendo delle particolari tecniche. In letteratura si trovano principalmente tre procedure ese-guibili al fine di ricavare tali parametri che cercheremo di riportare qui di seguito.

1.2.1 Pulse Current Test (PCT)

Il pulse current test è una tecnica che studia il comportamento dinamico della cella/batteria al variare della temperatura, dello stato di carica e della corrente al fine di estrarne i parametri del modello elettrico.

Il test consiste nello scaricare e poi ricaricare la cella con degli impulsi di corrente separati da un tempo di rilassamento. La durata degli impulsi di cor-rente determina il valore di SoC con il quale estrarre i parametri secondo il modello elettrico di Randels, mentre il tempo di rilassamento deve essere

10_{Cadex C8000 Technical Specifications, in}

http://www.cadex.com/_content/C8000-Specifictions.pdf.

11_{Scientific Instrumentation for Photons and Electrochemistry, in}

http://zahner.de/pdf/cata-log.pdf.

12_{Battery Cell Charge & Discharge Test System Model 17011Series. in}

http://www.chro-mausa.com/pdf/17011-E.pdf.

13 _{CT05250 Cell Test System, in}

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1 STATO DELL’ARTE

16 sato in modo tale da permette alla cella di raggiungere l’equilibrio elettrochi-mico. Generalmente una procedura di test di questo tipo è strutturata in più fasi (vedi Figura 3), che sono:

1 la cella viene portata a uno stato di carica noto che può essere quello corrispondente alla carica completa (100% di SoC );

2 pausa di circa un’ora;

3 la cella viene scaricata con impulsi di corrente di ampiezza pari a 1C-rate separati da pause fino al raggiungimento dello stato di scarica completo (0% di SoC);

4 pausa di circa un’ora;

5 la cella viene ricaricata con impulsi di corrente di ampiezza pari a 1C-rate separati da pause fino al raggiungimento dello stato di carica com-pleto;

6 pausa di circa un’ora.

L’identificazione dei parametri Vocv(Vsoc), Rseries , RTransient_SCTransient_S e R Tran-sient_LCTransient_L riportati in Figura 1Errore. L'autoriferimento non è valido per un segnalibro. avviene studiando l’andamento della tensione di cella

du-rante ogni fase di rilassamento a cui essa viene sottoposta a seguito di un

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1 STATO DELL’ARTE

17 impulso di corrente. Successivamente, questi valori vengono opportunamente interpolati per mostrare la loro dipendenza dallo stato di carica.

L’andamento della tensione di cella durante la fase di rilassamento (vedi Fi-gura 4), è costituito da un salto di tensione proporzionale alla sua resistenza serie seguito da un andamento esponenziale. Quest’ultimo è dovuto ai feno-meni di redistribuzione della carica che avvengono all’interno dell’elettrolita della cella14.

Per quanto riguarda la determinazione della resistenza serie della cella, viene valutato il salto di tensione rispetto alla variazione di corrente che questa su-bisce nel passaggio alla fase di rilassamento, come indicato dall’espressione (1) e mostrato in Figura 4.

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14_{M. Bahramipanah, D. Torregrossa, R. Cherkaoui, M. Paolone, Ecole Polytechnique}

“Model of Lithium-based Batteries Accounting for Charge Redistribution, State-of-Health and Temperature Effects”, In IEEE Transactions on Transportation Electrification, Volume

3, edizione 3, pp.5-6. 𝑅 = 𝑉1− 𝑉2 𝐼 Rserie Rserie τ1,τ2 τ1,τ2

Figura 4: Risposta in tensione a seguito di un gradino di corrente V1

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1 STATO DELL’ARTE

18 Invece per le l’identificazione dei restanti parametri: Vocv(Vsoc),R Tran-sient_SCTransient_S e RTransient_LCTransient_L si valuta l’andamento esponenziale

della tensione di cella. Lo studio di questo andamento viene eseguito attra-verso un algoritmo di fitting che si basa sul metodo dei minimi quadrati. Que-sta tecnica di ottimizzazione (o regressione), permette di trovare una funzione, rappresentata da una curva ottima (o curva di regressione), che si avvicina il più possibile ad un insieme di dati. La curva di regressione che meglio si adatta a questo andamento è riportata in (2) e viene mostrata in Figura 5.

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Dove:

• a,b,c, sono i coefficienti da determinare;

• τ1,τ2 sono le costanti di tempo rispettivamente corta e

lunga da determinare; • Vocv(0) = a + b + c; • Vocv(∞) = a. 𝑉_𝑂𝐶𝑉(𝑡) = 𝑎 + 𝑏 ∙ 𝑒− 𝑡 𝜏1+ 𝑐 ∙ 𝑒− 𝑡 𝜏2

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1 STATO DELL’ARTE

19 Una volta terminato il c.d. fitting si passa a estrapolare il valore delle costanti di tempo, corta e lunga, contenuto rispettivamente in τ1,τ2, e il valore della

tensione a vuoto (definita come la tensione che la cella ha quando ha rag-giunto l’equilibrio elettrochimico OCV), identificata dal coefficiente “a”.

1.2.2 Hybrid Pulse Power Characterization (HPPC)

Analogamente alla tecnica PCT l’estrazione dei parametri del modello elet-trico avviene attraverso lo studio del comportamento dinamico della cella/bat-teria. Tuttavia, si differenzia da quest’ultima per il profilo di corrente con cui viene stimolata la cella.

Il test (vedi Figura 715) viene eseguito mediante la ripetizione delle seguenti fasi:

1 La cella viene stimolata con un profilo di corrente chiamato Pulse Power Characterization Profile (PPCP) mostrato in Figura 616, formato da: - un impulso di corrente di scarica (generalmente pari a 1C-rate); - da una breve fase di pausa (dell’ordine della decina di secondi); - da un impulso di corrente di carica (generalmente pari a 0.75C-rate).

15_{Z.E. Dahmane, A. Malek, M. Bouhali, M. Bounabi, K. Kaced, M. A. Cheikh, “A Proposed}

Pulses Current Method to Extract the Batteries Parameters”, 6th International Conference on Systems and Control (ICSC), 2017 pp. 555 – 560.

16_{Partnership for a new generation of vehicles (PNGV), “PNGV Battery Test Manual”,}

feb-braio 2001.

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1 STATO DELL’ARTE

20 2 La cella viene scaricata a corrente costante per un periodo necessario al raggiungimento del valore di SoC con cui andare a estrarre i parametri successivi.

3 La cella viene sottoposta a un periodo di rilassamento di circa un’ora.

L’estrazione dei parametri del modello elettrico avviene esattamente come per la tecnica PCT tranne per il fatto che i parametri associati alla carica e alla scarica della cella vengono estratti scaricandola in unica fase. Determinando quindi una riduzione consistente del tempo necessario all’esecuzione del test rispetto alla precedente tecnica.

1.2.3 Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS)

L’electrochemical impedance spectroscopy è una tecnica che permette l’estrapolazione dei parametri attraverso un’analisi in frequenza (si attua una linearizzazione del punto di lavoro della cella a un certo SoC).

Il processo consiste nell’applicare alla cella per un determinato punto di la-voro una corrente (o una tensione) sinusoidale con una certa ampiezza e una certa frequenza (come indicato in (3)).

𝐼(𝑡) = 𝐴𝑠𝑖𝑛(𝜔𝑡) (3)

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1 STATO DELL’ARTE

21

La risposta in tensione (o in corrente) della cella è una sinusoide alla stessa frequenza della sinusoide di stimolo, ma con una diversa ampiezza e determi-nato sfasamento (vedi (4)).

𝑉(𝑡) = 𝐵𝑠𝑖𝑛(𝜔𝑡 + 𝜑) (4)

Questi due dati, ricavati dalle due precedenti espressioni, occorrono per tro-vare l’impedenza, che, di fatto, è il rapporto tra il fasore della tensione e quello della corrente.

La procedura fin qui esposta viene ripetuta per un certo numero di frequenze. In questo modo si costruisce lo spettro di impedenze della cella, riportato sul piano di Nyquist vedi Figura 817).

17_{D. I. Stroe, M. Swierczynski, A. I. Stan, V. Knap, R. Teodorescu, S. J. Andreasen,}

“Diag-nosis of lithium-ion batteries state-of-health based on electrochemical impedance spectros-copy technique”, IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE) 2014, pp. 4576

– 4582.

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1 STATO DELL’ARTE

22 Lo spettro di impedenza è diviso in cinque18 sezioni differenti, che sono:

- Sezione 1: l’impedenza mostra un comportamento induttivo (Ls) per alte frequenze;

- Sezione 2: l’intercetta dello spettro d’impedenza con l’asse reale (Im(Z)=0) indica il valore della resistenza serie della cella (Rs); - Sezione 3: tale sezione è costituita da un piccolo semicerchio dovuto

alla presenza di uno strato formato da un elettrolita solido (SEI); - Sezione 4: il semicerchio più grande è associato ai processi di

trasfe-rimeto della carica all’intern della cella e ai due gruppi RC;

- Sezione 5: l’impedenza mostra un andamento lineare dovuto a feno-meni di diffusione della carica per basse frequenze.

Dallo spettro di impedenza è possibile determinare lo stato di carica e lo SoH e lo SoC andando ad osservare come questo subisce delle modifiche in base all’invecchiamento a cui è sottoposta la cella e al punto di lavoro della stessa. A parità di invecchiamento e a stato di carica variabile, il punto di intercetta, che indica la resistenza serie, resta invariato, al contrario, il semicerchio più grande diminuisce/aumenta all’aumentare/diminuire dello stato di carica della cella da cui deriva lo spettro di impedenza19_{vedi Figura 9}20_.

A parità di stato di carica e a stato di invecchiamento variabile, il semicerchio più grande rimane inalterato, al contrario, il punto di intercetta si sposta verso destra all’aumentare dell’invecchiamento della cella21 vedi Figura 1022.

18_{D. I. Stroe, M. Swierczynski, A. I. Stan, V. Knap, R. Teodorescu, S. J. Andreasen, Op cit.} 19_{D. I. Stroe, M. Swierczynski, A. I. Stan, V. Knap, R. Teodorescu, S. J. Andreasen, Op cit.} 20_{D. I. Stroe, M. Swierczynski, A. I. Stan, V. Knap, R. Teodorescu, S. J. Andreasen, Op cit.} 21_{D. I. Stroe, M. Swierczynski, A. I. Stan, V. Knap, R. Teodorescu, S. J. Andreasen, Op cit.} 22_{D. I. Stroe, M. Swierczynski, A. I. Stan, V. Knap, R. Teodorescu, S. J. Andreasen, Op cit.}

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1 STATO DELL’ARTE

23

Figura 9: In alto vengono confrontate tre celle allo stato di salute BOL(Begin Of Life); (in baso) vengono confrontate tre celle che hanno raggiunto lo stato di salute EOL (End Of Life); i due gruppi di figure indicano che a partità di SoH e al variare del SoCla Rs non cambia, ma cambia il semicerchio più grande..

Figura 10: mostra lo spostamento dello spettro d'impedenza verso destra dovuto all’aumento della Rs con l'invecchiamento della cella.

(24)

1 STATO DELL’ARTE

24 Va osservato che la forma dello spettro di impedenza è sempre la stessa. Ciò che cambia sono le dimensioni e la posizione all’interno del piano di Nyquist in entrambi gli assi.23

1.3 Conclusioni

Viste quali sono le possibilità offerte sia sul piano dei sistemi di caratterizza-zione di celle a Litio sia su quello delle tecniche per l’estracaratterizza-zione dei parametri dei modelli elettrici, si può concludere facendo alcune considerazioni utili a spiegare i motivi del presente progetto.

Con riguardo alla tipologia di strumento si è scelto un sistema classificabile all’interno di quelli della seconda colonna della Tabella 1, chiaramente, con delle caratteristiche diverse da quelli già esistenti. La scelta è dovuta a un processo di esclusione degli strumenti classificati nelle tre colonne riportati in Tabella 1 per il fatto che, rispettivamente, non soddisfano i requisiti di po-tenza sui quali si è deciso di lavorare (in base a quanto detto nella parte intro-duttiva), hanno un livello di accuratezza basso e hanno un costo spropositato. A livello del metodo utilizzato per l’estrazione dei parametri del modello di Randels per la determinazione del SoC e del SoH, la scelta è ricaduta sul PCT in quanto è il metodo più utilizzato in letteratura24.

23_{D. I. Stroe, M. Swierczynski, A. I. Stan, V. Knap, R. Teodorescu, S. J. Andreasen, Op cit.} 24_{D. Cittanti, A. Ferraris, A. Airale, S. Fiorot, S. Scavuzzo, M. Carello, “Modeling Li-ion}

batteries for automotive application: A trade-off between accuracy and complexity”, in

In-ternational Conference of Electrical and Electronic Technologies for Automotive 2017, pp. 1-8.

(25)

2 PROGETTAZIONE DELLO

STRUMENTO

Il capitolo è volto a fornire al lettore una descrizione precisa dello strumento per la caratterizzazione di celle agli ioni di litio, attraverso un percorso che racchiude in sé tutte le fasi di progettazione a partire dalle specifiche di pro-getto fino ad arrivare alla realizzazione fisica vera e propria.

2.1 Specifiche di progetto

Il progetto si basa sulla realizzazione di uno strumento a basso costo per la caratterizzazione di celle agli ioni di litio per applicazioni di bassa-media po-tenza. Lo strumento deve dare la possibilità all’operatore di mettere a punto una procedura di test, che si adatti il più possibile alla chimica della cella agli ioni di litio da caratterizzare (tensioni di soglia, correnti di caria o scarica etc.), di avviare il test e prelevare uno o più file di log in un formato facilmente elaborabile da più comuni strumenti di calcolo con l’obiettivo di determinare i parametri caratteristici, secondo il modello di Randles25, della cella sotto test. L’interazione tra operatore e strumento non è più diretta (tramite display e pannello di controllo dello strumento stesso), ma, come mostrato in Figura , viene mediata da un software.

Figura 11: Interazione operatore-struementazione

25_{M. Chen and G. Rincon-Mora, “Accurate Electrical Battery Model Capable of}

Predict-ing Runtime and I-V Performance”, in IEEE Transactions on Energy Conversion, giugno 2006, vol. 21, no. 2, pp. 504–511.

(26)

2 PROGETTAZIONE DELLO STRUMENTO

26

2.1.1 Specifiche hardware

Lo strumento per la caratterizzazione di celle deve essere uno strumento com-posto, ovvero uno strumento strutturato da una parte che si occupa di stimo-lare il dispositivo sotto test e da un’altra che si occupa di misurarne la risposta allo stimolo.

Il dispositivo deve essere in grado di caratterizzare singole celle agli ioni di litio, anche di tipologia differente, ma con le seguenti caratteristiche:

• Capacità nominale tra 10 Ah e 50 Ah.

• Tensioni di cut-off comprese tra 2V e 5V (in modo tale da com-prendere tutte le chimiche agli ioni di litio).

La parte di stimolo dello strumento deve poter attuare delle fasi di scarica e carica sulla cella da caratterizzare attraverso una determinata procedura im-postata dall’utente e deve dare:

• La possibilità di lavorare su due quadranti, in particolare nel I e IV rispettivamente per V>0, I>0 e V>0, I<0.

• La capacità di sopportare correnti di scarica della cella dell’odine dei 80 A.

• La capacità di sopportare correnti di carica della cella dell’ordine dei 50 A.

La parte di misura dello strumento deve dare la possibilità di prelevare sulla cella durante ogni fase del test: la tensione, la corrente e la temperatura, con un tempo di campionamento minimo pari a 0.5s.

(27)

27

2.1.2 Specifiche software

Il software svolge tre funzioni: si pone da intermediario tra l’operatore e la strumentazione da laboratorio, in tale senso non è più richiesta una cono-scenza specifica, da parte dell’utente, di ogni strumento da laboratorio utiliz-zato per il test di caratterizzazione; permette all’utente di personalizzare la procedura di test adattandola alle tensioni di soglia, alle correnti di carica e scarica specifiche della chimica della cella sottoposta al test; rendere il test completamente automatico.

La procedura di test messa a punto in questo progetto, fa riferimento a un lavoro di ricerca svolto dall’università di Pisa26_{e può essere scomposta in tre}

fasi (vedi Figura 12). La prima fase è volta alla definizione dei passi del test di caratterizzazione, l’utente infatti, può personalizzare il test scrivendo delle particolari istruzioni in un file di testo. Le istruzioni si suddividono in due categorie: i comandi e i commenti. L’ istruzione di comando è composta da sette campi:

26_{F. Baronti, G. Fantechi, E. Leonardi, R. Roncella, R. Saletti, “Effective modeling of}

tem-perature effects on lithium polymer cells.”, In IEEE Int. Electronics, Circuit, and System (ICECS) 17th_{Conf., 2010, pp.990-993;}

F. Baronti, W. Zamboni, N. Femia, R. Roncella, and R. Saletti,“Experimental analysis of

open-circuit voltage hysteresis in lithiumironphosphate batteries,” in IECON 39th Annual

Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. IEEE, Nov. 2013, pp. 6728–6733. Figura 12: flusso di esecuzione del test

FASE 1: Defini-zione della pro-cedura di test

Fase 2: Esecuzione del test

FASE 3: crea-zione dei file di log

(28)

28

TYPE LOG_EN SAMP_TIME TEST_LEN TEST_I TEST_V STOP_I LOG_EN

• TYPE

Il campo TYPE specifica il tipo di passo da eseguire e può assumere tre diversi valori:

- charge indica una fase di carica della cella. - discharge indica una fase di scarica della cella. - measure indica una fase di rilassamento della cella.

• LOG_EN

il campo LOG_EN può assumere due valori:

- 0 indica che non deve essere generato un file di log al termine del passo.

- 1 indica che non deve essere generato un file di log al termine del passo.

• SAMP_TIME

il campo SAMP_TIME specifica il tempo di campionamento del sistema, ovvero il tempo in secondi che intercorre tra una misura e la successiva. L’intervallo in secondi dei possibili va-lori di SAMP_TIME è [0.5, ꝏ).

• TEST_LEN

Il campo TEST_LEN specifica la durata del test in secondi, rappresenta quindi la condizione di stop temporale del passo di caratterizzazione. TEST_LEN può essere un numero posi-tivo o -1. Nel primo caso, se la condizione di stop sulla cor-rente (STOP_I) non è mai rispettata, il test ha durata finita pari al valore inserito. Nel secondo caso l’unica condizione di stop del passo di caratterizzazione è quella in corrente.

• TEST_I

Il campo TEST_I specifica il valore di corrente di carica o sca-rica della cella nella fase CC (Costant Current).

(29)

29 • TEST_V

Il campo TEST_V specifica il punto in tensione oltre la quale finisce la fase CC e inizia la fase CV (Costant Voltage). Gene-ralmente questo valore coincide con i punti di cut-off della cella.

• STOP_I

Il campo STOP_I specifica la condizione di stop in corrente del passo di caratterizzazione. Se il valore della corrente di cella scende sotto il valore indicato in STOP_I (in amper) il passo di caratterizzazione viene terminato.

I commenti, invece, iniziano con il carattere # seguito dal commento in forma testuale. Un esempio di file procedurale viene riportato in Figura 13.

.

Figura 13: Esempio di un file procedurale

La seconda fase riguarda l’esecuzione del test vero e proprio. Una volta defi-nito il percorso del file procedurale e il percorso di destinazione dei file di log, il test viene avviato mostrando a video un’interfaccia grafica che ha come obbiettivo quello di fornire all’utente in tempo reale lo stato del test e alcune informazioni sullo stato della cella sotto test. L’interfaccia grafica deve con-tenere:

(30)

30 • Il numero del passo corrente.

• L’istruzione di comando del passo corrente.

• Le misure in tempo reale di tensione, corrente e temperatura sulla cella.

• La data e l’ora di inizio del passo corrente. • Il tempo rimanente alla fine del passo corrente. • Il numero di passi totali.

• Il numero di passi eseguiti.

La terza fase ha come obbiettivo quello di creare uno o più file di log testuali alla fine di ogni passo di caratterizzazione. I file di log sono suddivisi in due sezioni. La prima sezione contiene informazioni utili allo stato del test, quali:

• Il numero identificativo del passo corrente.

• La data e l’ora corrispondente all’ inizio del passo.

La seconda sezione invece contiene tutte le misure effettuate durante il passo corrente. Per ogni misura vengono riportati sul file i seguenti dati:

• L’ora all’istante di acquisizione.

• Il tempo dell’orologio di sistema all’istante di acquisizione. • La tensione di cella.

• La corrente di cella.

(31)

31 Un esempio sulla scrittura di un file di log è riportato in Figura 14.

Figura 14: Esempio di un file di log

Una volta creato il file di log, il software riprenderà la normale esecuzione del test (fase due) al passo successivo.

2.1.3 Costi

Un aspetto non trascurabile di progettazione dello strumento è il costo del sistema, che deve mantenersi sullo stesso ordine di grandezza di uno stru-mento equivalente di riferistru-mento. In particolare si tratta di un sistema di ca-ratterizzazione di celle agli ioni di litio per applicazioni di bassa potenza i cui costi si aggirano intorno ai 10000 Euro. Pertanto il costo dello strumento da progettare dovrà mantenersi sotto questa soglia.

2.2 Scelta dei componenti.

La scelta dei componenti, che opportunamente collegati costituiscono lo stru-mento per la caratterizzazione di celle agli ioni di litio, ha come obbiettivo il rispetto delle specifiche di progetto riportare al paragrafo 2.1, in particolar modo ogni dispositivo deve possedere un’interfaccia di comunicazione che ne permetta il controllo da remoto.

(32)

32

2.2.1 Carico elettronico

Il carico elettronico appartiene alla categoria degli strumenti di stimolo, viene utilizzato per scaricare, a corrente costante, la singola cella portandola a un livello di tensione ben preciso. Come riportato nel paragrafo 2.1.1, lo stru-mento deve poter assorbire una corrente di almeno 80A lungo tutto il range di tensione percorribile dalla cella sotto test. Questo impone un vincolo sulla massima potenza assorbita (PA) che, come indicato in (5), deve essere di

al-meno 400W.

𝑃_𝐴 = 𝑉_𝑀𝐴𝑋 ∙ 𝐼 = 5[𝑉] ∙ 80[𝐴] = 400 [𝑊] (5)

La scelta di questo strumento risulta la più ostica in quanto non è presente, sul mercato, un’ampia gamma di oggetti che si adattano perfettamente alle specifiche di potenza e di costo richieste. Detto questo, la valutazione è rica-duta su tre oggetti differenti (vedi Tabella 2) che si pongono all’interno della stessa fascia di costo, di potenze e di correnti: 8510 (BK Precision), 8610 (BK Precision), LD400P (Aim-TTi). Tutti gli strumenti presentati in Tabella 2Errore. L'origine riferimento non è stata trovata., godono dei requisiti richiesti dalle specifiche di progetto riportate al paragrafo 2.1.1 anche se, il carico elettronico LD400P dell’azienda Aim-TTi pur avendo una risoluzione e un’accuratezza leggermente inferiori agli altri due, presenta un costo totale che è circa la metà dei suoi rivali. Principalmente, per questo motivo, la scelta è ricaduta sull’ultimo dei tre, in quanto vi è la possibilità, risparmiando sul carico, di abbassare notevolmente il costo totale del sistema. Questo permette inoltre di far fronte alla scarsa accuratezza che può essere migliorata aggiun-gendo una scheda di acquisizione dati (vedi sotto) al sistema di caratterizza-zione, il cui costo sommato al costo del carico scelto, risulta essere inferiore a quello che si avrebbe avuto scegliendo uno degli altri due. Un altro dei mo-tivi che ha veicolato la scelta sul carico LD400P è la presenza di un’interfac-cia Ethernet che permette di svincolare il computer dall’installazione di driver specifici per il riconoscimento del sistema di misura, quando si utilizzano ad esempio interfacce di tipo USB, RS-232 etc. In questo modo si evitano tutte

(33)

33 quelle problematiche di compatibilità tra driver e sistema operativo che si po-trebbero presentare nel caso in cui il computer si basasse su un sistema ope-rativo diverso da quello Windows.

27_{BK PRECISION, “8600_Series_datasheet”, in}

http://www.bkprecision.com/products/dc-electronic-loads/8610-750-w-programmable-dc-electronic-load.html , Al 10 agosto 2017.

28_{BK PRECISION, “85xx_datasheet”, in}

http://www.bkprecision.com/products/dc-elec-tronic-loads/8510-600-w-programmable-dc-electronic-load.html , Al 10 agosto 2017.

29_{Aim & Thurlby Thandar Instruments, “LD400+LD400P_Instruction_Manual-Iss2”, In}

http://www.aimtti.com/resources/ld400-ld400p-instruction-manual-issue-2, Parte No. 48511 – 1730, pp. 5-8.

Azienda produt-trice

BK Precision27 _{BK Precision}28 _Aim-TTi29

Modello 8610 8510 LD400P

Costo 2043 € 2016 € 1133 €

Potenza max 750 W 600 W 600 W

Corrente max 120 A 120 A 80 A

Interfacce RS-232, USB, GPIB USB Ethernet,

RS-232, USB, GPIB Risoluzione in CC mode 1 mA 10 mA 10 mA Accuratezza in CC mode ±(0.05% + 0.1%FS) ±(0.02% + 0.1%FS) ±(0.2% + 30mA) Risoluzione in CV mode 1 mV 10 mV 10 mV Accuratezza in CV ±(0.025% + 0.05%FS) ±(0.05% + 0.025%FS) ±(0.2% + 2 digit)

(34)

34

2.2.2 Alimentatore da banco

L’alimentatore da banco appartiene generalmente alla categoria degli stru-menti di stimolo, viene utilizzato per ricaricare la singola cella portandola a un livello di tensione ben preciso. Come riportato nel paragrafo 2.1.1, lo stru-mento deve poter erogare una corrente di almeno 50A lungo tutto il range di tensione percorribile dalla cella sotto test, questo impone un vincolo sulla po-tenza erogabile (PE) che, come indicato in (6), deve essere di almeno 250 W.

𝑃_𝐸 = 𝑉_𝑀𝐴𝑋 ∙ 𝐼 = 5[𝑉] ∙ 50[𝐴] = 250 [𝑊] (6)

Da questo punto di vista il mercato offre una quantità di prodotti molto più elevata rispetto a quella che si ha scegliendo i carichi elettronici. Infatti sono stati trovati numerosi dispositivi in grado di erogare una corrente dell’ordine dei 50 A anche se quasi tutti sono sovradimensionati in potenza rispetto alle richieste di progetto.

In Tabella 3 sono stati selezionati tre alimentatori da banco: PSI-9040-60 T (EA Elektro Automatik), SP20VDC1000W (APM Technologies), QPX1200SP (Aim-TTi). Questi presentano delle caratteristiche molto simili tra loro, sia dal punto di vista dei costi, sia dal punto di vista delle interfacce di comunicazione disponibili, sia dal punto di vista delle risoluzioni e dell’ac-curatezza del sistema. Detto questo la scelta dell’alimentatore da banco è ri-caduta sul QPX1200SP dell’azienda Aim-TTi, semplicemente per il fatto che viene venduto dalla stessa azienda che produce il carico elettronico. Questa scelta che sembrerebbe banale, non lo è del tutto, in quanto i due sistemi ope-rano allo stesso modo sia per quanto riguarda la forma dei comandi inviati da remoto tramite computer, sia per quanto riguarda il funzionamento del si-stema stesso. Permettendo, in fase di studio e in fase di programmazione del firmware di sistema, di velocizzarne i tempi.

(35)

35

2.2.3 Computer di bordo

Il computer di bordo è la parte centrale, il “cervello” dello strumento, si in-terpone tra l’utente e la strumentazione da laboratorio ed è il componente che automatizza il test. La presenza di un sistema operativo facilita enormemente la fase di programmazione del firmware per il controllo del sistema, grazie ai

30_{EA Elektro Automatik “Datasheet_psi9000t”, In}

http://shop.elektroautoma-tik.de/shop/shop__DC%20Sources__1::4__en_GB , Al 10 agosto 2017.

31_{APM Technologies “Allseriesdatasheet”, In http://en.apmtech.cn/Product-248.html , Al}

4 febbraio 2017.

32 Aim & Thurlby Thandar Instruments, “QPX1200S & SP Instruction Manual - Issue 8 ”,

In https://www.aimtti.com/product-category/dc-power-supplies/aim-qpxseries, Parte No 48511-1530, pp. 3-6.

Azienda produttrice EA Elektro Automa-tik30 APM Technolo-gies31 Aim-TTi32 Modello PSI-9040-60 T SP20VDC1000W QPX1200SP Costo 1849 € 1399 € 1474 € Potenza max 1500 W 1000 W 1200 W Corrente max 60 A 50 A 50 A Interfacce RS-232,

USB, GPIB, LAN

RS-232,

USB, GPIB, LAN

RS-232,

USB, GPIB, LAN Risoluzione in CC

mode

10 mA 50 mA 10 mA

Accuratezza in CC mode

< 0.1% di Imax ±(0.1% + 50mA) ±(0.2% + 20mA)

Risoluzione in CV mode

10 mV 10 mV 1 mV

Accuratezza in CV < 0.2% di Vmax ±(0.05% + 15mV) ±(0.1% + 2mV)

(36)

36 numerosi supporti per la gestione di file, per la creazione di interfacce grafi-che, per la comunicazione tra processi e per la comunicazione tra dispositivi in remoto, caratteristiche che un sistema basato semplicemente su microcon-trollore non riuscirebbe a soddisfare.

In Tabella 4 sono riportati tre computer su scheda di tre aziende concorrenti: UP board (UP), Tinker Board (Asus), Raspebarry Pi 3 model B (Raspeberry

33_{UP “UP boards specifications”, In}

https://up-shop.org/up-boards/48-up-board-1gb-16-gb-emmc-memory.html, Al 10 agosto 2017.

34_{Asus “Tinker Board specifications”, In}

https://www.asus.com/us/Single-Board-Com-puter/Tinker-Board/, Al 10 agosto 2017.

35_{Raspeberry Pi, “Specifications Raspberry PI 3 model b”, In}

http://it.rs-online.com/web/p/kit-di-sviluppo-per-processori-e-microcontrollori/8968660/ , Al 10 ago-sto 2017.

Azienda produttrice UP33 Asus34 Raspberry Pi35

Modello UP board Tinker Board Model 3 B

Costo 89 € 89€ 32 €

CPU Intel Atom 1.92GHz Quad-core ARM

SOC 1.8GHz

Quad-core a 64bit ARM Cortex-A53 a 1,2GHz.

RAM 1GB 2GB 1GB

Interfacce USB, Ethernet, DSI,

HDMI, SD card, Wi-Fi USB, Ethernet, HDMI, SD card, Wi-Fi USB, Ethernet, RCA, HDMI, SD card, Wi-Fi, Blue-thoot

OS Windows, Ubuntu,

Debian, Android

Tinker OS, Android Windows, Ub-untu, Debian, Raspbian, ARM-GNU, Android

(37)

37 Pi). Nonostante la scheda Raspeberry Pi 3 abbia delle prestazioni legger-mente inferiori alle dirette avversarie, la scelta è ricaduta su quest’ultima in quanto gode rispetto alle altre due: di un maggiore supporto ai più diffusi sistemi operativi, di una più numerosa comunità di sviluppatori, di un più alto numero di forum. Accorgimenti che potrebbero essere molto utili in fase di progettazione, in quanto una comunità molto ampia di sviluppatori potrebbe essere un elemento chiave nella risoluzione di bug o comunque di problema-tiche che richiederebbero una conoscenza molto più approfondita della scheda. Inoltre la Raspeberry Pi 3 ha un costo pari a un terzo rispetto alle altre due.

Dal momento che i finanziamenti per lo sviluppo del sistema sono di tipo pubblico o semi-pubblico si è scelto di mettere a disposizione dell’utente, in maniera completamente gratuita: il firmware di gestione dello strumento, il suo un’ambiente di sviluppo e il sistema operativo. Per quanto detto sopra, il computer su scheda scelto, si adatta perfettamente allo scopo in quanto il si-stema operativo che meglio si adatta alle sue caratteristiche è un sisi-stema Li-nux-like chiamato Raspbian, sulla quale può essere utilizzato uno degli am-bienti di sviluppo software più famosi, quello Python. Entrambi sono del tutto gratuiti.

2.2.4 Scheda di acquisizione dati per computer

Figura 15: Picolog ADC-24

La scheda di acquisizione dati per computer è uno strumento appartenente alla categoria degli strumenti di misura collegabili, attraverso una periferica

(38)

38 USB, ad un computer. In questo modo l’utente, attraverso un software appli-cativo o una libreria di programmazione, può controllare l’unità, campionare le diverse grandezze fisiche d’interesse ad una frequenza di campionamento adeguata alla loro variazione, memorizzare e/o visualizzare i risultati in di-verse forme come per esempio su un file, a video o in un supporto di memoria. Generalmente possono avere una struttura anche molto complessa contente sensori, convertitori A-D e/o D-A e un’unità di elaborazione e controllo (C.P.U).

Il mercato offre una quantità innumerevole di prodotti di questo tipo, ma la quantità di oggetti che possiede dei driver compatibili con il sistema operativo Raspbian (che gira sul computer di bordo vedi paragrafo 0) e che, allo stesso tempo, dia la possibilità di programmarli tramite linguaggio C/C++, è molto limitato.

Conseguentemente a quanto detto sopra, la scelta è ricaduta sulla scheda di acquisizione per computer PicoLog ADC-24 che oltre ad avere dei driver compatibili con il sistema Raspbian e quindi con processori ARM, dispone di una libreria di programmazione che permette lo sviluppo di un firmware in linguaggio C per il controllo dell’unità. Di seguito vengono elencate alcune caratteristiche36 del dispositivo.

36_{Pico Tecnology “ADC-20 and ADC-24 User’s Guide (including Programmer’s Guide)”,}

In https://www.picotech.com/data-logger/adc-20-adc-24/adc-20-and-adc-24-manuals, Al 10 Agosto 2017, pp. 8-10.

Numero di convertitori ADC (configurabili)

8 differenziali /16 single.-ended.

Numero di pin GPIO 4

Risoluzione:

24 bit

(39)

39

2.3 Architettura del sistema

In Figura 16 viene rappresentato uno schema a blocchi volto a dare una de-scrizione generale dello strumento per la caratterizzazione di celle agli ioni di litio, all’interno del quale si possono distinguere due sezioni principali. La prima ha come obbiettivo quello di rappresentare la mediazione svolta dal software del sistema nell’interazione tra l’operatore e la strumentazione da laboratorio. In particolar modo, l’operatore precompila un file di testo, lo Step File, con opportune istruzioni descritte al paragrafo 2.1.2 e lancia l’esecu-zione del programma attraverso il computer di bordo. Una volta avviato, il software imposta la strumentazione da laboratorio secondo le informazioni contenute nello step file, aggiorna in tempo reale l’operatore sullo stato della cella e su quello del test mostrando a video un’interfaccia grafica GUI e salva, su un supporto di memoria per ogni passo del test, due file di log: uno con le misure acquisite dalla scheda di acquisizione dati; e l’altro con le misure ac-quisite dalla strumentazione di stimolo.

Tempo di conversione per ca-nale (min):

60ms.

Gain error: 0.1% (±1250mV).

(40)

40 La seconda, con il computer al centro e la strumentazione da laboratorio alle estremità, ha come obbiettivo quello di rappresentare la struttura fisica dello strumento. La strumentazione da laboratorio a sua volta si articola in strumen-tazione di stimolo e strumenstrumen-tazione di misura. La strumenstrumen-tazione di stimolo, costituita dall’Alimentatore da banco e dal Carico elettronico, carica o sca-rica la cella sotto test a una certa corrente e per un certo tempo definiti dall’operatore tramite lo Step file. Entrambi, dispongono di un apparato per la misura di correnti e tensioni, che in primo luogo vengono visualizzate a video con lo scopo di dare all’operatore delle informazioni in tempo reale sullo stato della cella, ma che in secondo luogo non posso essere utilizzate per la caratterizzazione di quest’ultima per la scarsa accuratezza della misura. Disponendo di un’interfaccia Ethernet, gli strumenti di stimolo sono connessi al computer attraverso una rete locale LAN (Local Area Network) dove co-mandi e dati vengono scambiati attraverso delle interfacce socket. La stru-mentazione da misura, costituita dalla Scheda di acquisizione dati, misura la

Figura 16: Schema generale dello strumento.

Step file

SOFTWARE HARDWARE OPERATORE

SOFTWARE Interfaccia GUI

File log Scheda di acquisizione

File log Strumenti di stimolo COMPUTER Alimentatore da banco Carico elet-tronico Scheda di ac-quisizione LAN USB Cella sotto test

(41)

41 risposta allo stimolo della cella sotto test prelevandone accuratamente ten-sione, corrente e temperatura a una frequenza impostata dall’operatore. Me-diante una periferica USB, la scheda viene collegata al computer dando così la possibilità all’operatore, per mezzo di una libreria in linguaggio C e di op-portuni driver, di definire la procedura di acquisizione dei dati analogici e della loro trasmissione.

2.3.1 Architettura di rete

Figura 17: architettura di rete

In Figura 17 viene rappresentato un sistema distribuito i cui nodi, connessi a una rete di comunicazione LAN (Local Area Network), sono topologicamente disposti secondo una struttura a stella dove Il nodo centrale, costituito dall’hub di rete, svolge il ruolo di smistatore dei messaggi provenienti dai nodi di periferia formati: dal computer, dall’alimentatore da banco e dal ca-rico elettronico. La trasmissione e la ricezione dei comandi e dei dati, tra i processi in esecuzione sul computer e la strumentazione di stimolo, avviene attraverso delle interfacce di comunicazione Socket identificate univoca-mente da un indirizzo IP e da un numero di porta.

Raspberry Pi 3 192.168.1.11 QPX1200SP Indirizzo IP: 192.168.1.101 Porta: 9221 LD400P Indirizzo IP: 192.168.1.100 Porta: 9221 Hub di rete

(42)

42

2.3.2 Architettura hardware

In Figura 18 viene rappresentato uno schema a blocchi volto a dare una de-scrizione di come la strumentazione da laboratorio viene collegata per for-mare lo strumento per la caratterizzazione di celle agli ioni di litio.

L’Alimentatore da banco e il carico elettronico, che costituiscono la strumen-tazione di stimolo, sono collegati in parallelo e contattano la cella sotto test attraverso due catene quella di azione (o di potenza) e quella di misura (o di sense) adottando cosi una tipologia di misura a quattro terminali. In questo modo l’effetto sulla misura della tensione di cella che hanno le cadute di ten-sione dovute alle resistenze di contatto e alle resistenze parassite dei cavi, che non sono del tutto trascurabili in quanto sulla linea di potenza passano correnti dell’ordine di 40A, può essere eliminato.

Nonostante la strumentazione di stimolo sia in grado di prelevare misure sulla cella, viene inserita la scheda di acquisizione dati (PicoLog) con l’obbiettivo di incrementare il livello di accuratezza del sistema, che altrimenti risulte-rebbe insufficiente. Quest’ultima preleva: la misura sulla corrente di cella at-traverso uno shunt di corrente (pari a 1mΩ) posizionato nella linea di potenza tra il terminale negativo della cella e quello della strumentazione di stimolo; la misura di tensione direttamente sui terminali della cella. Il fatto che, sia la

(43)

43 strumentazione di stimolo sia la PicoLog contattano direttamente i terminali di cella per il prelievo della misura in tensione, elimina l’effetto della caduta introdotta dallo shunt sulla misura.

Il controllo della strumentazione di stimolo e della scheda di acquisizione dati PicoLog è affidato al computer di bordo (Raspberry Pi 3) che nel primo caso gestisce gli strumenti tramite la rete locale (LAN) indicata al paragrafo 2.3.1 e nel secondo caso tramite una periferica e un protocollo di comunicazione USB.

I due relè, inseriti nel percorso di potenza tra i terminali positivi di cella e dei due strumenti di stimolo, vengono attivati in maniera mutuamente esclusiva (ad esempio durante l’esecuzione di una fase di carica viene attivato solo il relè relativo alla linea di potenza che collega la cella all’alimentatore da banco, viceversa durante l’esecuzione di una fase di scarica viene attivato solo il relè relativo alla linea di potenza che collega la cella al carico elettronico). La loro funzione è quella di eliminare l’effetto che hanno le correnti di perdita degli strumenti, quando non vengono utilizzati, sulla misura di tensione, di corrente e sullo stato di carica della cella e quella di garantire la sicurezza del sistema andando a scollegare la cella sotto test dalla strumentazione di sti-molo, nel caso in cui venga riscontrata dal software di gestione un’anomalia hardware e/o software. Il controllo dei due relè è eseguito dalla PicoLog at-traverso due pin della porta digitale.

Data la diversa natura elettrica dei vari strumenti da laboratorio, dei relè, dello shunt, della cella agli ioni di litio (come per esempio differenti tensioni di alimentazione, diverse tensioni operative etc.) si rende necessario l’utilizzo di un’interfaccia hardware che permetta di collegare assieme tutta la strumenta-zione sopra citata, compatibilmente alla loro natura elettrica. A tal fine è stato sviluppato in laboratorio un prototipo (vedi Figura 19) di scheda a circuito stampato (PCB) allo scopo di:

• adattare i livelli di tensione, prelevati direttamente sulla cella, sullo shunt e sul sensore di temperatura, alla dinamica d’ingresso degli ADC (Analog to Digital Converter) della Picolog;

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44 • collegare i terminali di sense della strumentazione di stimolo e due canali analogici della PicoLog ai terminali, positivo e negativo, della cella.

• controllare l’attivazione e/o la disattivazione dei relè in base al livello alto o basso di due pin della porta digitale della PicoLog.

Lo schema elettrico dell’interfaccia hardware è strutturato su due livelli di gerarchia differenti. Il livello gerarchico più alto tratta il front-end (vedi Fi-gura 20) dell’interfaccia, ovvero, come questa si connette con il mondo esterno composto: dall’alimentatore da banco, dal carico elettronico, dai relè, dalla PicoLog, dalla cella agli ioni di litio, dall’alimentatore supplementare e dal sensore di temperatura. L’obbiettivo viene raggiunto attraverso l’oppor-tuno uso di connettori. In particolar modo la presenza, del connettore DB25 e

Sense esterni (Carico-Alimentatore) Terminali di cella Shunt di corrente Sensore di temperatura Alimentazione supplementare (12V) Connettore DB25 (PicoLog) Relè

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45 delle morsettiere a due o tre prese, consente il collegamento della PicoLog ai restanti dispositivi. Una volta collegata tutta la componentistica al PCB è ne-cessario rendere compatibili: i segnali elettrici provenienti dal sensore di tem-peratura, dallo shunt e dalla cella agli ioni di litio con la dinamica d’ingresso dei canali analogici della PicoLog (pari a ±1250 mV); i livelli di tensione corrispondenti a livelli logici

(alto,basso) dei pin digitali della PicoLog con i livelli di tensione necessari al controllo dei due relè. Parte di queste problematiche sono state risolte scegliendo un sensore di temperatura e uno shunt di corrente in grado di for-nire una tensione, proporzionale alla grandezza fisica trasdotta, che rien-trasse all’interno della dinamica d’ingresso dei canali analogici sopra citati, in tutte le possibili condizioni di lavoro. Per questo motivo è stato possibile collegarli direttamente alla PicoLog. Parte invece sono stati risolti attraverso la progettazione di due circuiti elettronici in grado di colmare le discrepanze

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46 elettriche tra la tensione di cella e i canali analogici della PicoLog e tra il ca-nale digitale della PicoLog e i relè, circuiteria che viene indicata nel se-condo livello di gerarchia.

Al secondo livello gerarchico dello schema elettrico si individuano due ma-cro-blocchi che, per quanto detto sopra, si differenziano rispettivamente nel blocco Vbatt e nel blocco Relè. Il blocco Vbatt (vedi Figura 21) preleva di-rettamente la tensione di batteria ed è costituito: da un filtro passa-basso RC con frequenza di taglio dell’ordine dell’hertz per eliminare eventuali disturbi a frequenze più alte; da un circuito di protezione costituito dai diodi D8,D9 che hanno lo scopo di limitare la tensione, sui canali analogici della PicoLog

e sugli ingressi dell’amplificatore operazionale stesso, nel caso in cui sui con-tatti di cella finisse la tensione massima erogabile dall’alimentatore da banco (60V) che è nettamente superiore alla tensione massima per la quale quest’ul-timi sono protetti; da un amplificatore operazionale in configurazione buffer che ha lo scopo di incrementare la resistenza vista dai terminali di cella verso i canali analogici della PicoLog, in quanto maggiore è la resistenza vista mi-nore è l’effetto che il sistema ha sullo stato di carica della cella; da un partitore resistivo che ha lo scopo di dividere per quattro la tensione direttamente pre-levabile dalla cella in modo da rendere compatibili, tutti gli intervalli operativi di tensione delle differenti chimiche al litio, alla dinamica d’ingresso dei ca-nali analogici della stessa.

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47 Il blocco Relè (vedi Figura 22), a partire dallo stato di due pin della porta digitale della PicoLog, permette il controllo dei due relè di potenza che altri-menti non sarebbe possibile in quanto sono caratterizzati da delle tensioni operative di 12V e da delle correnti di polarizzazione di 500mA, valori troppo elevati per un controllo diretto da parte della PicoLog. A Tale fine è stato necessario introdurre un sistema di alimentazione supplementare che facesse fronte a questa tipologia di necessità. Il circuito di controllo dei due relè è costituito da due catene separate ma identiche, formate: da un MOSFET di potenza, controllato da un pin della porta digitale della PicoLog, in grado di sopportare le correnti di polarizzazione richieste dal relè quando è attivo; da un diodo di ricircolo in quanto la bobina del relè, essendo induttiv,a ha una relazione tensione-corrente del tipo riportato in (7).

𝑣(𝑡) = 𝐿𝜕𝑖

𝜕𝑡 (7)

Per questo motivo una variazione repentina della corrente ai capi della bobina (ad esempio nel passaggio dallo stato di conduzione allo stato aperto) ne pro-durrebbe, nel caso in cui il diodo di ricircolo fosse omesso, un innalzamento della tensione tale da portare alla rottura il MOSFET di controllo. A questo livello è stato implementato un ulteriore meccanismo di sicurezza che per-mette di aprire i relè, indipendentemente dallo stato dei corrispettivi pin di