Electrical Energy Storage – Gestiamo la carica delle batterie NiCd/NiMH

L’utilizzo di sistemi di accumulo all’interno dei dispositivi (cellulari, notebook, giocattoli, etc.) richiede una parte di circuiteria che svolge il compito di gestire la carica e scarica dell’accumulatore al fine di rendere più efficiente possibile il sistema, ed evitare quelle condizioni che portano al degrado dell’affidabilità del sistema di accumulo (o anche del dispositivo). Il compito svolto da tale circuiteria prende il nome di “Power Management” (già approfondita nell'articolo di gestione della carica dei supercap) e in questo articoli vi mostrerò diversi dispositivi prodotti dalla Texas Instruments applicabili ai sistemi di accumulo basati su batterie, in particolare per batterie NiCd/NiMH ossia le più comuni batterie ricaricabili disponibili sul mercato. In particolare approfondiremo gli aspetti tecnici per gestire la carica di queste tipologie di batterie e due dispositivi che ricoprono la funzione di controller della ricarica e di monitoring dello stato della carica.

Prima di affrontare questi Pmic prodotti dalla Texas, approfondiamo un po’ gli aspetti tecnici delle batterie NiCd (Nickel Cadmio) /NiMH (Nickel Metal Idrato). Tali batterie, seppur tecnologicamente diverse, presentano caratteristiche molto simili tra loro e risultano molto diffuse per la loro economicità, anche se in realtà la tecnologia a litio sta diventando di fatto la tecnologia dominante. La limitazione principale di queste batterie è l’effetto memoria, ossia la riduzione di capacità disponibile quando non viene effettuato un ciclo di scarica completo. Le batterie NiMH presentano un effetto memoria ridotto rispetto alle NiCd, ma ciò non toglie che viene consigliato di effettuare periodicamente un ciclo di scarica e ricarica completa al fine di aumentare la vita utile della batteria.

In genere, quando leggiamo un datasheet di una batteria (vi rimando ad un datasheet di una batteria AA della Duracell), la sua capacità la troviamo espressa in mAh (milliAmpereOra), ossia quanta corrente l’accumulatore riesce a fornire in maniera costante in 1 ora. La capacità nominale viene indicata brevemente con "C", ed è un parametro che i produttori utilizzano nei datasheet per indicare le correnti massime di carica e scarica della batteria stessa. A titolo d'esempio, se considerassimo una batteria con capacità 2000mAh in cui il produttore indica una carica massima di 1C, questo vuol dire che la batterie possono essere caricate al massimo con una corrente di 2A. In modo del tutto equivalente viene indicata la corrente di scarica, che in genere è molto più elevata (ad esempio 10C). In una batteria non conta solo la capacità ma anche la tensione nominale, che in genere è fissa per la tecnologia, mentre per la batteria dipende dal numero di celle presenti. Per le batterie NiMH e NiCd la tensione di una cella è di circa 1,2V, e vengono ritenute scariche quando hanno raggiunto la tensione di circa 1V.

Una caratteristica fondamentale di queste ricaricabili è la tipologia di carica che supportano, infatti, esse devono essere caricate a “corrente costante”, ossia fornendo una corrente controllata ed entro limiti dettati dal produttore. Come accennato precedentemente, la corrente di carica viene espressa in rapporto alla capacità nominale, e nelle batterie NiCd/NiMH più comuni questa risulta essere pari a 0.1C, ossia deve essere caricata ad una corrente costante pari a un decimo della capacità nominale della batteria. Tale valore così contenuto è dovuto all’effetto di surriscaldamento a cui è sottoposta la batteria durante la carica. L’ottimizzazione dei processi produttivi e la scelta di accorgimenti tecnici hanno portato alla creazione di batterie che consentono ricariche veloci fino anche a 1C, ovviamente nel rispetto dei vincoli dettati dal produttore, come ad esempio circuiti per il controllo della temperatura durante la carica.

A questo punto i più curiosi si chiederanno: “Quanto tempo impiega una batteria a ricaricarsi?”. Ovviamente è tutto funzione della corrente di carica (e già) e del rendimento di carica. Si definisce “rendimento di carica” il rapporto tra l’energia che viene fornita dal sistema di accumulo e l’energia che serve per caricare al massimo il sistema di accumulo. Tale rapporto, che idealmente si vorrebbe al 100%, è inferiore (l'energia non si crea dal nulla ma si trasforma) e in genere può dipendere dal valore della corrente di carica. Infatti più è elevata la corrente di carica e più si avranno perdite, ad esempio quelle di tipo dissipative a carico della resistenza serie e delle reazioni interne al sistema. In genere, per i sistemi di accumulo a celle, si preferisce adottare un processo di carica a due step: il primo step a corrente limitata e dunque una carica lenta affinché le celle si portino tutte allo stesso livello; il passo successivo a corrente più elevata, riducendo di fatto il tempo della ricarica.
Nel datasheet della batteria Duracell riportato in precedenza, il produttore prevede cariche veloci a 0.5C e 1C con tempi di ricarica che fanno ipotizzare un rendimento pressoché vicino al 100%.

Un'altra domanda che mi aspetterei dai più attenti è:  “Come faccio a determinare quando la batteria è carica?”. In figura 1 è riportata la curva tipica di ricarica di una batteria in tecnologia Ni-MH prodotto dalla Panasonic. Come si osserva dalla figura 1, la curva di carica presenta un andamento caratteristico intorno al valore della capacità nominale. In tale punto, infatti, si ha un valore di tensione massimo oltre il quale l’aumento della quantità di energia immagazzinata tende a far diminuire la tensione della cella. Tale differenza di potenziale è detta NDV (Negative Delta Voltage) ed è la caratteristica principale alla base del funzionamento dei sistemi di ricarica delle batterie. Il valore di NDV è solitamente molto piccolo (inferiore ai 30mV, circa 10mV per la batteria della Panasonic) e facilmente si può confondere con il rumore nei circuiti di sensing più economici. Al fine di ottenere una carica ottimale è necessario procedere con correnti di carica basse nell’ultimo tratto della curva, in modo da poter determinare correttamente il punto di NDV.

Figura 1. Curva di carica di una batteria Panasonic BK-3MCC

Figura 1. Curva di carica di una batteria Panasonic BK-3MCC

Gli aspetti critici introdotti finora costringono a dover monitorare e gestire il controllo dei cicli di ricarica e scarica al fine di poter garantire una determinata affidabilità della tecnologia [...]

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5 Commenti

  1. Emanuele Bonanni Emanuele 9 marzo 2015
  2. DarioD 9 marzo 2015
    • Daniele Valanzuolo daniele.vln 9 marzo 2015
      • DarioD 10 marzo 2015

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