6 aprile 2023
Per determinare le condizioni delle celle della batteria in modo più preciso ed evitare onerose prove di laboratorio, presso il Fraunhofer IFAM di Brema è stato ulteriormente sviluppato il metodo per determinare la resistenza della corrente alternata all’interno della batteria utilizzando la spettroscopia di impedenza dinamica. In questo modo è possibile effettuare misurazioni durante il funzionamento, che consentono di trarre informazioni sulle prestazioni in tempo reale.
Molti sono i fattori determinanti l’invecchiamento delle celle delle batterie. Oltre all’invecchiamento solare, determinato principalmente dalle temperature di stoccaggio e dallo stato di carica durante l’immagazzinamento, è decisiva la storia di tutti i processi di carica e scarica con i carichi e le temperature che si sono verificati in ciascun caso. I fattori di influenza sono quindi numerosi e variabili per lunghi periodi di tempo, motivo per cui la determinazione precisa dello stato di invecchiamento è complessa ed è risultata finora molto onerosa. Gli approcci esistenti si basano o su simulazioni che rappresentano una descrizione semplificata del sistema di batterie e del processo di decomposizione, o su estrapolazioni sperimentali della durata del ciclo delle celle della batteria. In questo caso, viene determinata la relazione empirica tra l’impedenza misurata di una cella e la capacità della batteria.
Per la modellazione simulativa, è necessario conoscere i processi dettagliati per ogni tipo di cella. Inoltre, l’intero processo di descrizione va ripetuto per il trasferimento a una nuova chimica di cella, il che richiede molto tempo. Ciò vale anche per l’estrapolazione dalle misure, poiché in questo caso è necessario eseguire l’intero lavoro di misurazione per ogni tipo di cella da descrivere e per tutte le condizioni ambientali esistenti (temperatura, profilo di carico, ecc.).
Con il nuovo approccio di sviluppo per determinare la durata di vita, il sistema di batterie viene dotato di una memoria di tutti i processi. Nel nuovo approccio, la vita utile delle celle della batteria viene descritta utilizzando un modello basato su una conoscenza limitata della chimica delle celle. A tal fine, per descrivere le proprietà delle celle si utilizzano modelli matematici di comportamento non lineare con “effetti di memoria” (la cosiddetta serie di Volterra). Questo approccio ha il vantaggio che in qualsiasi momento l’output del sistema dipende dall’input dello stesso, quindi il sistema conserva una memoria di tutti i processi precedenti, essenziale per descrivere il processo di invecchiamento.
Il passo cruciale è quindi quello di misurare l’impedenza dinamica delle celle della batteria durante l’uso, cioè durante la carica o la scarica della cella. È possibile misurare direttamente i parametri matematici che descrivono il comportamento delle celle. Con l’aiuto di questa rappresentazione matematica, è possibile prendere in considerazione anche gli stati non ancora misurati, consentendo la trasferibilità ad altre condizioni ambientali e chimiche delle celle, ovvero ipotizzare la creazione di nuovi tipi di batterie.
Il nuovo metodo offre non solo la possibilità di trasferire con poco sforzo i risultati a tipi di celle completamente diversi (ad esempio, batterie allo stato solido), ma soprattutto il vantaggio che le misurazioni possono essere effettuate direttamente durante l’uso di una batteria, ad esempio in un’auto elettrica. Non sono necessari ulteriori prove di laboratorio o limitazioni d’uso per la determinazione dell’età.
Grazie all’implementazione nel sistema di gestione della batteria, è possibile ottenere tutti i dati necessari per la previsione della vita utile mentre il sistema è in uso. Inoltre, sulla base di questi dati è possibile sviluppare strategie di carica ottimizzate per aumentare la durata complessiva del sistema di batterie. In questo modo si riducono i costi di vita e si aumenta la sostenibilità dell’utilizzo di un sistema di batterie nell’applicazione.