Rubrica: Strumenti per il Lab
Titolo o argomento: Rilievo e correzione di anomalie (quando possibile)
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Con la scheda di carica dedicata per le singole celle Li-Poly, connessa all’alimentatore da laboratorio, è stato possibile raggiungere una piena carica dei due banchi di celle che risultavano fuori tensione. Empiricamente è possibile rendersi conto che le celle riescono a sopportare “qualche” maltrattamento “oltre i limiti” se il periodo di tempo non è prolungato, se la situazione non si ripete un numero eccessivo di volte e se il pacco batterie non viene utilizzato durante la situazione anomala. L’operazione di ripristino è stata condotta con la strumentazione dedicata in modo preciso e monitorato verificando non solo le tensioni ma la quantità di cariche effettivamente introducibili nelle celle che hanno subito lo stress da sottotensione. Una volta raggiunte le 10 tensioni massime equalizzate, con uno sbilanciamento contenuto in pochi millivolt, è stato di nuovo possibile utilizzare il pacco batterie, scaricarlo e ricaricarlo con il normale caricatore avendo l’accortezza di monitorare tutti i passaggi dei diversi stati di utilizzo e verificare che ogni cosa fosse tornata al proprio posto.
Ora che la condizione per il pacco è fuori dalla situazione di pericolo risulta opportuno segnalare al costruttore della scheda BMS il consumo anomalo che l’elettronica esercita sulla 7a e 10a fila di celle, problema che però si verifica esclusivamente lasciando acceso il sistema a pacco inutilizzato. Seguiranno numerosi test per controllare che le celle non abbiano subito una sorta di trauma irreversibile e vadano repentinamente a scaricarsi di nuovo nei settori incriminati.
Durante la fase di carica, se nella serie c’è una cella degradata, ovvero con capacità ridotta, c’è il pericolo che al raggiungimento della carica completa essa sarà soggetta a sovraccarica per tutto il tempo impiegato dalle altre celle a raggiungere anch’esse lo stato di carica completa. Il risultato è un possibile aumento di temperatura e pressione che può danneggiare la cella “traumatizzata”. Durante la scarica, la cella più degradata sarà soggetta ad una profondità di scarica maggiore e tenderà a fallire prima delle altre (fonte ENEA).
La capacità (espressa in Ah, Ampere Ora) è il parametro di riferimento dello stato di attività della cella. Una sua variazione rispetto ai dati di targa offre importanti informazioni riguardo la reale disponibilità di energia ed allo stato di invecchiamento delle celle. Le capacità delle celle che costituiscono un pacco batterie dovrebbero essere simili, questo per evitare un comportamento non uniforme che comporterebbe una distribuzione non omogenea della tensione in ogni cella con diminuzione complessiva delle prestazioni del pacco.
Ci sono molte cause di disequalizzazione delle celle. Uno dei fattori principali è connesso con il principio generale che non tutte le celle sono realmente uguali. Ciò accade per via delle inevitabili tolleranze di produzione. Altri fattori sono la distribuzione di temperatura all’interno del pacco ed il diverso invecchiamento delle celle oppure anomalie che possono verificarsi in seguito ad errori di funzionamento dell’elettronica (come nel caso riportato in questa serie di articoli) che, se protratti nel tempo, possono lasciare segni permamenti. Il tutto si traduce in variazioni nell’impedenza interna, che è il parametro secondo il quale le celle si comportano durante i processi di carica e scarica.
Quando una cella è danneggiata oltre un certo limite, deve essere sostituita l’intera batteria oppure deve essere rimossa la fila di celle in serie che presentano l’anomalia andando così a ridurre la tensione massima raggiungibile. In alternativa le conseguenze sarebbero estremamente costose. La sostituzione della singola cella non risolverebbe il problema poiché le caratteristiche di una cella “fresca” sarebbero abbastanza differenti da quelle delle celle invecchiate e ciò aumenterebbe le possibilità di rottura.
Mediante l’equalizzazione passiva ogni cella (o gruppo di celle in parallelo) ha in parallelo la serie di un resistore e un elemento di commutazione (interruttore). Gli interruttori vengono comandati da una logica di controllo che chiude selettivamente le batterie che hanno raggiunto la carica completa sulle rispettive resistenze: l’intera corrente di carica bypassa le celle completamente cariche e l’energia ad essa associata viene dissipata sulle resistenze, fino a che le celle più deboli, che continuano a caricarsi, raggiungono anch’esse lo stato di carica completa.
I principali fattori di rischio per le batterie, di qualunque tipo esse siano, sono la sovraccarica o la scarica troppo profonda. Il primo fattore può portare alla distruzione della batteria, mentre il secondo può condurre ad una riduzione permanente della capacità massima immagazzinabile ed è proprio questo il parametro che nel nostro caso dobbiamo tenere sotto controllo per sapere se l’anomalia è stata tollerata o se si sono superati i limiti oltre i quali è avvenuto un cambiamento chimico completo e irreversibile.
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