Electrical Energy Storage – Il ciclo di carica delle Li-Ion

Chi si trova a dover progettare un circuito di gestione della carica di una batteria al litio, sia essa classica o a base di polimeri, sa che deve porre particolare attenzione e non dover tralasciare nulla al caso. Infatti, il processo di carica di una batteria è il momento più delicato nell’utilizzo della stessa, e anche piccole imprecisioni possono portare a un veloce degrado dell’accumulatore. Dopo aver introdotto gli aspetti peculiari delle batterie al litio (Li-Ion e Li-Poly), affronteremo in questo articolo la tematica della gestione dei cicli di carica e scarica applicata a queste tecnologie. Come già fatto per superCap e batterie NiCd/NiMH, saranno proposte alcune tecniche e circuiti integrati che possono aiutare il progettista nel configurare un sistema che ottimizzi la gestione della carica del proprio accumulatore. Inoltre, con particolare attenzione, approfondiremo la tematica “sicurezza” relativa a questa tecnologia che necessariamente non deve essere sottovalutata.

La tecnologia al litio, anche se non soggetta ad effetto memoria, presenta caratteristiche di deterioramento che ne rendono la vita utile inferiore alle altre tecnologie, anche se, in effetti, i numeri di cicli di carica/scarica risulta di gran lunga superiore. Si può ben intendere come sia importante non incrementare la cause di deterioramento del componente e quindi porre particolare attenzione nelle condizioni operative. Come vedremo nel corso di questo articolo, bisogna porre particolare attenzione durante la carica al fine di non generare eventi pericolosi per l’utilizzatore. Le considerazioni che vengono riportate di seguito valgono sia per le batterie a litio che quelle a polimeri.

Ciclo di Carica

Per garantire l’elevata efficienza di carica (anche superiore al 97%) è necessario applicare le giuste considerazioni durante il ciclo di carica. Per le batterie a litio, il ciclo di carica può essere suddivido in 3 fasi (Figura 1), ognuna delle quali è caratterizzata da una diversa tecnica di carica che tiene conto delle limitazioni della tecnologia.
La prima fase si applica quando la batteria risulta scarica (ossia la tensione della cella è di circa 2.5÷2.7V) e risulta essere la fase più delicata in quanto è necessario tenere sotto controllo la tensione della cella e la corrente di carica. Questa fase è caratterizzata dal fatto che viene fornita una corrente di carica costante (il cui valore può essere 0.5C o anche 1C, dipende dal processo tecnologico adottato dal produttore) mentre la tensione della singola cella cresce linearmente con il tempo e la carica fornita. La fase si conclude quando la cella raggiunge una tensione di 4÷4.1V, come si può osservare molto vicino al limite massimo. A tal punto la capacità della cella può essere stimata in circa 75÷85% di quella nominale. La seconda fase avviene a tensione costante pari a 4.2V, mentre la corrente decresce nel tempo fino a raggiungere un valore inferiore a 0.03C. Raggiunto questo valore si entra nella fase 3, ossia la cella viene disconnessa dal sistema di carica. In questa fase la tensione della cella tende a decrescere nel tempo anche se non è applicato nessun carico. Quando la tensione scende al di sotto di una certa soglia (in genere 4V) riparte un ciclo di carica a tensione costante e corrente bassa (corrente di stand-by o mantenimento).

Variare la corrente di carica, in genere non porta significative variazioni in termini di tempi di ricarica. In effetti, anche se può ridursi il tempo nella prima fase, aumenterà il tempo della seconda al fine di garantire la saturazione. Il vantaggio di una carica veloce può essere quello di raggiungere nel breve tempo il 70% della capacità nominale. Tale caratteristica viene supportata dal peculiarità delle batterie a litio che, per funzionare, non devono essere necessariamente cariche anzi, i produttori in genere consigliano di non raggiungere la carica completa, perché le elevate tensioni sulla cella pongono la stessa ad un eccessivo stress. Scegliendo una tensione inferiore, oppure evitando il più possibile la completa saturazione consente di aumentare la vita utile della batteria a discapito di una autonomia leggermente più ridotta. Alcuni produttori adottano tale strategia per aumentare la vita utile della batteria, anche se nella maggior parte dei casi viene adottata la scelta della carica massima al fine di avere dispositivi con autonomia maggiore.

Come già detto, è molto importante garantire che la tensione della cella non superi i 4,2V durante la fase di carica, al fine di garantire una vita utile della batteria, e non incorrere in condizioni di pericolo. Il valore è indicativo e andrebbe confermato di volta in volta in funzione della tecnologia chimica adottata per la realizzazione degli elettrodi dell’accumulatore. In genere, per chi deve progettare un accumulatore, o comunque un circuito per la gestione della carica, si consiglia di adottare sempre dei limitatori di tensione (anche semplici zener) con lo scopo di evitare di sforare tale soglia.
Maggiore attenzione deve essere posta quando si adoperano dei pacchi batterie, in quanto è necessario evitare una forte differenza tra le singole celle (cioè il concetto di balancing come è stato già introdotto per i superCap), e quindi è necessario garantire un bilanciamento durante il processo di carica. Un circuito di gestione di sistemi di accumulo a più celle, infatti, deve necessariamente monitorare la tensione di ogni singola cella per evitare sbilanciamenti tra le celle stesse, con conseguenti effetti distruttivi. In genere, in funzione della tensione della cella, viene controllato il circuito di carica della singola cella (in genere controllando un MOSFET come interruttore). Ovviamente tali circuiti devono essere adattabili a diverse applicazioni, garantire assorbimenti ridottissimi per l’alimentazione e per la sensing, così come la riduzione dell’assorbimento quando completamente disconnessa (effetti di autoscarica a batteria disconnessa). Infatti, alcuni produttori realizzano batterie con circuiti di monitoraggio interni all’involucro della batteria stessa. Essendo il circuito di monitoraggio alimentato dalla batteria stessa, tale soluzione comporta un assorbimento anche quando la batteria non viene utilizzata e dunque presenta un tasso di autoscarica leggermente più elevato rispetto alle batterie senza logica interna.

Ciclo di scarica

Per questa tecnologia, può essere critico anche il ciclo di scarica per due motivi fondamentali: una elevata corrente di scarica può generare effetti dissipativi distruttivi e una scarica eccessiva può portare la cella al di sotto di una soglia critica (in genere tra 2.5÷2.8V). Superato tale valore risulterà necessario effettuare [...]

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