Se hai familiarità con le batterie al litio, sai che sono composte da celle. Questo concetto non è molto diverso dalle batterie al piombo sigillate (SLA), che sono anch'esse composte da celle. Entrambi i tipi di batterie richiedono il bilanciamento delle celle, ma cos'è esattamente il bilanciamento delle celle? Come avviene e come influisce sulle prestazioni?
Prima di immergerci nel bilanciamento delle celle al litio ferro fosfato, rivediamo rapidamente la struttura di una batteria. Applicazioni diverse richiedono specifiche di tensione e ampere-ora diverse, quindi le batterie sono disponibili in versioni a cella singola e multi-cella. Ad esempio, una batteria da 12.8 volt è composta da quattro celle LiFePO4, ciascuna a 3.2 volt. Al contrario, una batteria al piombo da 12 volt è composta da sei celle al piombo da 2 volt.
È fondamentale garantire che tutte le celle LiFePO4 siano abbinate in termini di capacità, tensione e resistenza interna prima di essere assemblate e che siano bilanciate dopo la produzione.
Cos'è il bilanciamento della batteria?
Il bilanciamento della batteria è il processo di abbinamento delle celle in base a capacità e tensione e di controllo della loro tensione tramite cicli di attivazione delle celle per mantenere l'equilibrio o tensioni quasi identiche a tutti gli stati di carica (SOC). È importante notare che il bilanciamento della batteria avviene prima e dopo l'assemblaggio della batteria e deve continuare per tutta la sua durata per mantenere prestazioni ottimali. Questo concetto è simile al mantenimento dell'equilibrio quando si collegano singole celle in serie.
Bilanciamento delle celle al litio ferro fosfato
I pacchi batteria LiFePO4 (o qualsiasi pacco batteria al litio) sono dotati di una scheda di circuito con un circuito di bilanciamento, un modulo di circuito di protezione (PCM) o una scheda di circuito del sistema di gestione della batteria (BMS) che monitora la batteria e le sue celle. Nelle batterie con circuiti di bilanciamento, i circuiti bilanciano la tensione delle singole celle quando queste si avvicinano al 100%: lo standard del settore per il litio ferro fosfato è bilanciare la tensione delle celle sopra i 3.6 volt. In un PCM o BMS, l'hardware di solito mantiene il bilanciamento con funzioni di protezione o gestione aggiuntive oltre al circuito di bilanciamento, come la limitazione della corrente di carica/scarica.
I pacchi batteria SLA non sono monitorati come le batterie al litio e quindi non sono bilanciati allo stesso modo. Le batterie SLA sono bilanciate caricandole a una tensione leggermente superiore al normale. Poiché non hanno un monitoraggio interno, devono essere monitorate esternamente tramite un idrometro per evitare runaway termici. Questo non è automatico ma di solito fa parte della manutenzione di routine.
Bilanciamento cellulare attivo vs. passivo
Il bilanciamento passivo delle celle scarica la corrente in una cella tramite un resistore. Quando una cella è "piena", il resistore converte l'energia in calore, il che riduce la corrente alle celle piene finché tutte le celle non sono bilanciate.
Il bilanciamento attivo delle celle prima indirizza la corrente alla cella meno carica e usa la cella "piena" per caricare la cella "bassa". Durante questo processo, la corrente sarà focalizzata sul riempimento delle celle meno cariche finché non saranno uguali alle altre celle. Una volta equalizzata, la corrente viene distribuita equamente finché tutte le celle non saranno completamente cariche e uguali.
Il bilanciamento attivo e quello passivo raggiungono lo stesso risultato, ma il bilanciamento attivo è più rapido ed efficiente.
Perché è importante bilanciare le celle delle batterie al litio ferro fosfato?
Nelle batterie al litio ferro fosfato, quando la cella con la tensione più bassa raggiunge il punto di interruzione della scarica, le prestazioni e la durata della cella ne risentono. Pertanto, mantenere l'equilibrio tra le celle è fondamentale per ottimizzarne il funzionamento e prolungarne la durata. Per un'analisi approfondita dei diversi tipi di batterie al litio, si prega di consultare la nostra guida completa alle batterie AGM per prestazioni ottimali.
Quando comandato dal Battery Management System (BMS) o dal Protection Circuit Module (PCM), l'intera batteria viene spenta. Se le celle sono sbilanciate durante la scarica, ciò potrebbe significare che alcune celle hanno ancora energia inutilizzata, ovvero non sono realmente "esaurite". Analogamente, supponiamo che il pacco batteria sia sbilanciato durante la carica. In tal caso, il processo di carica si arresterà quando la cella con la tensione più alta raggiunge la tensione di interruzione, con il risultato che non tutte le celle Li-FePO4 saranno completamente cariche, quindi la batteria verrà caricata in modo insufficiente.
Perché si verifica questo problema? Innanzitutto, lo squilibrio delle celle si tradurrà in una capacità inferiore e in una tensione di interruzione più elevata delle celle. Inoltre, caricare e scaricare continuamente una cella non bilanciata peggiorerà la situazione nel tempo. Data la curva di scarica relativamente lineare delle celle LiFePO4, l'abbinamento e il bilanciamento di tutte le celle è fondamentale: maggiore è la differenza tra le tensioni delle celle, minore è la capacità delle celle.
In teoria, le celle bilanciate si scaricheranno alla stessa velocità, in modo che la corrente possa essere interrotta simultaneamente alla stessa tensione ogni volta. Tuttavia, questo non è sempre il caso nella pratica, quindi il circuito di bilanciamento (o PCM/BMS) è molto importante. Garantisce che le celle siano completamente bilanciate durante il processo di carica, in modo che la capacità progettata della batteria venga mantenuta e venga raggiunta una carica completa. Una corretta manutenzione è fondamentale per prolungare la durata delle batterie al litio e il bilanciamento della batteria svolge un ruolo importante in questo processo.
Se avete altre domande sul bilanciamento delle batterie, sulle batterie al litio o su argomenti correlati, non esitate a contattarci.