Una batteria è essenzialmente un processo chimico all'interno di una scatola. La batteria possiede energia chimica e questa viene convertita in energia elettrica quando necessario.

Gli elettroni fluiscono da un elettrodo all'altro nella batteria. Questo flusso produce una corrente elettrica. Questo flusso di corrente è la corrente utilizzata per alimentare le apparecchiature.

Tensione a vuoto #

Una delle proprietà di una cella è che la tensione dipende dalla quantità di energia rimanente, ovvero dallo stato di carica (SoC). Maggiore è l'energia, maggiore è la tensione quando non viene applicato alcun carico. Questa tensione a vuoto è chiamata tensione a circuito aperto (in breve OCV). Tuttavia, l'esatta relazione tra tensione a circuito aperto e SoC dipende dalle caratteristiche chimiche della batteria. Ad esempio, il LiFePO4 ha una curva abbastanza piatta, soprattutto tra 40% e 80%, mentre le chimiche NMC e NCA hanno una pendenza più ripida.
Esempio della pendenza OCV LiFePO4 rispetto al SoC:

Resistenza interna #

Ogni cella della batteria ha la propria impedenza. Per semplicità, discuteremo solo della resistenza CC. La resistenza interna della cella della batteria dipende da fattori quali il tipo di batteria, il processo di produzione, l'età della batteria e la temperatura. In generale si desidera una resistenza quanto più bassa possibile. Meno resistenza significa meno perdita di potenza e meno problemi. Un BMS mantiene la batteria il più sana possibile, per mantenere bassa la resistenza interna.

Caduta di tensione #

La resistenza interna ha effetti sulla tensione misurata. La caduta di tensione sulla resistenza della cella può essere calcolata con la nota formula:
U = IxR
Ciò significa che la caduta di tensione è la corrente di scarica moltiplicata per la resistenza della cella.
Prendiamo una generica cella LiFePO4 da 90Ah che ha una resistenza interna (con correnti continue) di circa 1mΩ a 20°C. Quando si prelevano 40A da questa cella, la caduta di tensione è:
40A x 0,001Ω = 0,040V
In altre parole, quando si scarica con 40 A, la tensione della cella scenderà direttamente a 40 mV al di sotto della tensione a vuoto. Se la tensione a vuoto fosse 3,30 V, la tensione della cella scenderà direttamente a 3,26 V. Quando il carico viene rimosso, la caduta scompare e la tensione ritorna alla tensione a vuoto.

Tensione più elevata durante la ricarica
La caduta di tensione viene invertita durante la ricarica. Invece di una tensione inferiore, la tensione della cella diventerà più alta durante la ricarica. Maggiore è la corrente di carica, maggiore è la tensione misurata sulla cella. Seguendo lo stesso esempio di cui sopra, una corrente di carica di 40 A fa aumentare la tensione della cella a 40 mV al di sopra della tensione a vuoto. La cella con 3,30 V senza carico salirà immediatamente a 3,34 V durante la ricarica con 40 A.

Influenze sulla resistenza #

Uno dei maggiori fattori determinanti sulla resistenza interna è la capacità della batteria. In generale: maggiore è la capacità, minore è la resistenza interna. Una resistenza minore significa che è possibile caricare e scaricare con correnti più elevate.
Un altro fattore è la temperatura. La temperatura ottimale è compresa tra 20 e 40 gradi e offre la resistenza più bassa. Sotto i 10 gradi la resistenza aumenta velocemente. Questo è il motivo per cui le auto elettriche devono prima riscaldare la batteria prima di sovraccaricarsi!

Tempo per riposare #

Hai mai notato che quando smetti di caricare, la cella torna lentamente a una tensione inferiore, anche se la corrente di carica è stata interrotta qualche tempo fa? Ciò è dovuto al processo chimico. Una cellula ha bisogno di tempo prima di essere completamente a riposo. Per LiFePO4, ciò può richiedere fino a 24 ore.