Control loop design per l’ottimizzazione delle batterie agli ioni di litio

Il risparmio energetico e la tutela ambientale giocano un ruolo importante nella vita quotidiana delle persone, con l’introduzione di sistemi che fanno sempre di più affidamento alle energie alternative (pensiamo ai sistemi fotovoltaici con accumulatori per sopperire alla mancanza di energia). Le tecnologie utilizzano grandi quantità di batterie ricaricabili, efficienti ed in genere agli ioni di litio. In un primo storico approccio la loro capacità di storage venne vista come un notevole vantaggio rispetto all’efficienza migliorata poi nel corso del tempo. Un tipico goal al risparmio energetico è quello di immagazzinare energia durante i periodi di non di punta al fine di compensare i picchi di utilizzo nei restanti periodi. Le batterie utilizzate in varie applicazioni si distinguono dal numero di celle impiegate aumentando così la capacità da qualche mA/h fino a 10-150 A/h. Per poter aumentare l’efficienza complessiva è richiesto un sistema di controllo, con l’obiettivo di soddisfare le esigenze di mercato relativamente al risparmio energetico riducendo a sua volta i costi complessivi. In questo articolo vedremo una panoramica sul control loop analogico e digitale impiegato nei sistemi di alimentazione dove si richiede un attento design di controllo per le unità di carica e scarica. Il bilancio energetico è controllato automaticamente con funzioni di test implementate in un microcontrollore.

Introduzione

Un tipico processo di produzione delle batterie agli ioni di litio comprende sia la fase di costituzione delle celle sia quella di test, importante per l’immissione del prodotto sul mercato. Con la tecnologia odierna, si richiede ore se non giorni relativamente al processo di test in accordo alla chimica impiegata nella costruzione. I test elettrici hanno specifiche severe, con corrente e tensione controllate entro ± 0,05%. La precisione può essere ± 0,5% per la tensione e ± 10% per la corrente durante la ricarica delle batterie in apparecchiature portatili come telefoni cellulari e computer. I test elettrici utilizzano 1 C di carica e 0.5 C di scarica, con ogni fase composta da una sequenza che comprende diversi cicli di carica-scarica. La figura 1 mostra il profilo di carica e scarica tipico delle batterie Li-Ion.

fig1

Figura 1: profilo di carica e scarica delle batterie agli ioni di litio

Un alimentatore ben progettato deve essere sia elettricamente sia acusticamente immune da rumori. Alcuni sintomi tipici di un'alimentazione discontinua includono: jittering nelle forme d'onda di commutazione, oscillazione della tensione di uscita, surriscaldamento del FET di potenza e così via. I fattori di produzione che devono essere presi in considerazione sono l’efficienza, l’accuratezza e il costo. Altri fattori quali la dimensione sono importanti per i piccoli sistemi. Per soddisfare i requisiti di alta precisione nella fabbricazione di batterie, i progettisti di sistemi tradizionalmente usano regolatori di tensione lineari, che facilmente soddisfano i requisiti di precisione, ma hanno una bassa efficienza. Per produrre batterie più rapidamente e a costi inferiori, i sistemi utilizzano centinaia o migliaia di canali (number of channel) nella formazione e testing, con la topologia di quest'ultimo legata alla capacità totale di energia del sistema. L’elevato flusso di corrente causerà un aumento della temperatura in modo significativo, aumentando la sfida di mantenere un'elevata precisione di misura e la ripetibilità nel tempo. Durante la fase di scarica (figura 1) , l'energia accumulata deve andare in qualche punto. Una soluzione è quella di scaricare le batterie in carichi resistivi, convertendo l'energia in calore sprecato. Una soluzione migliore è quella di riciclare l'energia, utilizzando [...]

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Una risposta

  1. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio 12 ottobre 2016

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