Monitoraggio dello stato e previsione delle celle in un modulo o pacco batteria in condizioni operative

Nota del redattore: l'articolo su cui si basa questo articolo è stato originariamente presentato al Simposio internazionale IEEE 2021 sull'ingegneria della conformità dei prodotti – Asia (ISPCE-ASIA), tenutosi a Taipei, Taiwan, a novembre/dicembre 2021. È ristampato qui con il gentile consenso il permesso dell'IEEE. Copyright 2021, IEEE.

A seguito dell’aumento degli incendi dei veicoli elettrici (EV) e dei sistemi di accumulo di energia (ESS) dopo anni di funzionamento, il sistema di monitoraggio sanitario dei veicoli elettrici e degli ESS è ancora un argomento preoccupante. Mentre è relativamente semplice misurare lo stato di salute di una cella in condizioni statiche, la misurazione dello stato di salute di una cella inserita in un sistema e in condizioni operative è piuttosto difficile o richiede molto tempo con le metodologie di misurazione statica.

Tuttavia, il deterioramento di una cella in un blocco in serie ridurrà le prestazioni dell'intero blocco e il deterioramento porterà a preoccupazioni economiche come il deprezzamento della durata di vita o il costo del chilometraggio, quindi è molto importante sviluppare un sistema di monitoraggio della salute senza interruzioni del funzionamento effettivo e dello smontaggio del pacco batteria in moduli e celle.

Considerando l'importanza delle condizioni della cella in condizioni di utilizzo gravoso e di lunga durata nelle applicazioni per veicoli elettrici, IEC/ISO ha pubblicato lo standard prestazionale IEC 62660-1:2018 per la cella e ISO 12405-4:2018 per il pacco. Entrambi gli standard enfatizzano le prestazioni delle celle con comportamenti dinamici di carica e scarica, non solo nei veicoli elettrici a batteria (BEV) ma anche nei veicoli elettrici ibridi (HEV).

Tali profili dinamici hanno preso in considerazione condizioni quali:

I profili di test che simulano il funzionamento nella vita reale vengono creati di conseguenza, come può essere mostrato nella Figura 1 e nella Figura 2 degli standard IEC e ISO.

Figura 1: Il profilo di scarica dinamica A per il test del ciclo BEV nella norma IEC 62660-1 [1]

Figura 2: Il profilo di scarica dinamica B per il test del ciclo BEV nella norma IEC 62660-1 [2]

Come riportato dalla maggior parte degli studi di ricerca, l'EIS è stato considerato una descrizione completa delle strutture della batteria, come mostrato nella Figura 3. L'EIS tipico è stato condotto misurando l'applicazione di un potenziale CA a una cella elettrochimica e quindi misurando la corrente attraverso la cella a varie frequenze, solitamente da frequenze fino a 1 MHz fino a 1 MHz.

Figura 3: Concetti di EIS e sue relazioni con la struttura elettrochimica di una cella [3]

La frequenza di risposta può essere considerata come una descrizione della struttura elettrochimica della cella, poiché ci sono molti strati di materiali tra gli elettrodi e il potenziale esterno è come un diapason impostato su diverse frequenze di vibrazione. Ogni materiale dello strato ha una frequenza naturale caratteristica diversa e sarà in risonanza quando la frequenza della tensione è la stessa. L'ampiezza del picco di frequenza caratteristico può essere analoga allo spessore o alla massa del materiale. Quando il materiale è più spesso, la risposta è più forte.

Tuttavia, un singolo spettro alla volta per una cella non costituisce alcun significato, ma quando si confrontano gli spettri tra celle quando lo spessore dello strato cambia in diverse condizioni operative, la risposta cambia tra condizioni estreme, ad esempio, da SOC 0% a SOC 100%, aiuterà gli utenti a stimare la condizione durante la misurazione rispetto alla condizione originale inutilizzata.

Poiché la tensione di una singola batteria o cella agli ioni di litio è di soli 3 volt, per creare un'uscita a 12 volt, 48 volt, 96 volt o anche superiore per grandi potenze superiori a 5 KW senza tecnologie di trasformazione della tensione CC/CC sarà necessario combinare le celle in blocchi di serie. Tuttavia, poiché le celle elettrochimiche presentano differenze di resistenza interna, la differenza di tensione è maggiore alla fine dei blocchi. Per evitare la sovratensione delle celle nel blocco, in base ai requisiti standard di sicurezza del modulo come IEC 62133, UL 2594 o UL 2580, ciascuna cella della stessa serie deve integrare meccanismi di prevenzione della sovratensione o sistemi di monitoraggio, come mostrato nella Figura 4.