Il test dei sistemi di accumulo dell'energia è attualmente un argomento "di tendenza".

Spesso semplicemente indicato come "test delle batterie", comprende attività che spaziano dalla caratterizzazione delle piccole batterie in formato portatile, così come di quelle più grandi utilizzate nei veicoli elettrici, fino al collaudo dei grandi sistemi di accumulo connessi alle reti di distribuzione dell’energia elettrica o dei gruppi di continuità, che sono tipicamente utilizzati come fonte di energia di backup nelle cosiddette "applicazioni stazionarie".

A seconda del contesto specifico e della fase del ciclo di produzione di questi sistemi, Tektronix Keithley offre al mercato diverse tipologie di soluzioni di test, come quelle orientate a soddisfare le complesse esigenze dei system integrator che progettano sistemi di collaudo automatico (ATE) per gli OEM e i costruttori di veicoli elettrici. L’azienda continua a seguire l’evoluzione tecnologica del settore ed ha già accumulato una vasta esperienza nello sviluppo di vari casi di test e applicazioni per il controllo di qualità delle batterie in produzione.

Sicurezza, prestazioni e gestione del sistema

Il contesto del "test delle batterie" può essere davvero ampio, spaziando dalla caratterizzazione delle piccolissime celle utilizzate nei dispositivi portatili fino alle grandi batterie utilizzate nei sistemi di trazione dei veicoli, che funzionano con tensioni di 1000 V e oltre.

Il Sistema Batteria è di fondamentale importanza per la mobilità elettrifica. Al giorno d'oggi, le batterie agli ioni di litio sono tra i tipi più comunemente usati nei veicoli elettrici, grazie alle loro elevata capacità di accumulo di energia e densità di potenza, avendo la tecnologia raggiunto una durata di vita sufficientemente lunga.

Ci sono diverse nomenclature e denominazioni utilizzate per indicare le "batterie", che dipendono dal contesto di mercato. Nel settore Automotive, ad esempio, a seconda dello stato di integrazione nel veicolo, le procedure di test una batteria EV (Electric Vehicle) considerata come dispositivo in prova (DUT) possono differire notevolmente quando si fa riferimento alla produzione di celle, moduli o pacchi batteria.

La cella è generalmente il singolo dispositivo elettrochimico, la singola unità di accumulo energetico, che tipicamente lavora con tensioni al massimo di 5 V.

Il modulo è composto da diverse celle collegate tra loro e da qualche altro circuito elettronico che si occupa di controllare l'intero sistema. Il modulo è in qualche modo impacchettato, quindi i test generalmente lo considerano nella sua interezza come un unico componente.

Un pacco batteria è un elemento più grande, composto da diversi moduli, sempre collegati da alcuni cablaggi e con a bordo un'elettronica di controllo e comunicazione più sofisticata per interagire le con altre unità di elaborazione presenti nei veicoli.

Collaudare le celle non è la stessa cosa che collaudare i moduli, o collaudare i pacchi batteria, in quanto  la configurazione del test può variare in ogni fase della catena del valore della produzione. I test possono infine differire anche dalla metodologia di prova utilizzata, come ad esempio nel caso della misura dell'impedenza.

Come Tektronix Keithley forniamo soluzioni per i progettisti di sistemi di collaudo dedicati ai test elettrici, concentrandosi su qualsiasi misura di potenziale (tensione), corrente e resistenza sia necessaria nei sistemi ATE complessi per effettuare i test di integrazione del sistema, sia nelle linee di produzione delle batterie (ad esempio, celle, moduli e linee di assemblaggio dei pacchi), sia nella fase di integrazione finale applicativa (ad esempio, sistemi di gestione delle batterie per autoveicoli - BMS e integrazione del pacco batteria).

Esempio 1: Stazione per test di sicurezza sull'impedenza di saldatura dei busbar nella produzione di pacchi batteria

Le molteplici celle che compongono un modulo batteria vengono collegate tra loro in parallelo o in serie per ottenere la tensione di uscita desiderata. Tutte le celle sono saldate al laser ad una sbarra collettrice (busbar), un lungo conduttore isolato da terra che raccoglie e trasporta l’elevata corrente erogata dalla singole celle che collettivamente costituiscono il modulo.

Il test dell’impedenza della saldature VSH-Busbar permette di caratterizzare accuratamente l'impedenza delle saldature stesse. La presenza di piccole zone a resistenza elevata nella zona di saldatura può generare abbastanza calore da degradare le batterie e portare a guasti precoci, oppure a condizioni operative non sicure. Misurando la resistenza delle saldature prima di verificare il funzionamento dell’intera batteria, i moduli difettosi possono essere rapidamente rimossi dalla linea.

Fig.1 - Rappresentazione generica delle sbarre collettrici (busbar) nelle batterie

La misura dell'impedenza della saldatura prevede l'erogazione di una corrente attraverso la saldatura e la misura della tensione ai suoi capi per calcolarne la resistenza.

La velocità di esecuzione del test e la precisione della misura sono i due aspetti più importanti da considerare quando si misura l'impedenza della saldatura.

Fig. 1 - Schema esemplificativo di un sistema automatizzato per il test di impedenza nella produzione di batterieLa prova può essere effettuata utilizzando delle unità di alimentazione e misura (SMU, Source Measure Unit) come i modelli 2460 o 2461 di Keithley abbinate al multimetro con commutatore integrato modello 3706A, oppure al multimetro con sistema di acquisizione e registrazione dati integrato modello DAQ6510.

Figura 2: Schema esemplificativo di un sistema automatizzato per il test di impedenza nella produzione di batterie

Gli strumenti SMU modello 2460 e 2461 sono in grado di erogare fino a 7 A, un valore adatto al collaudo di batterie progettate per erogare e assorbire correnti di intensità elevata.

L'impedenza della saldatura può essere piccola, dell’ordine di qualche milliohm, pertanto è importante utilizzare un misuratore sufficientemente sensibile per misurare tensioni molto piccole.

Il modello 3706A è dotato di un multimetro digitale (DMM) a 7,5 cifre e può misurare decine di nanovolt nella gamma dei 100 mV.  Poiché un pacco batterie potrebbe avere quasi 80 saldature su una sbarra collettrice, la soluzione proposta da Tektronix Keithley supporta mainframe con slot configurabili per ospitare moduli plug-in multicanale, eliminando la necessità di ricablaggio. Il processo di chiusura di ogni canale per effettuare la misura è naturalmente automatizzato per massimizzare velocità ed efficienza.

Esempio 2: Misura della resistenza interna e della tensione a circuito aperto per il test delle prestazioni delle celle

Le prestazioni di una batteria e la sua efficienza durante il processo di carica e scarica possono essere valutate in diversi modi e osservando diversi indicatori.

La caratterizzazione della resistenza interna della batteria è uno di questi. Significa fondamentalmente caratterizzare accuratamente i suoi cambiamenti in funzione dell’intensità di corrente di carica/scarica, dello stato di carica (SoC, State of Charge), della temperatura e di altri indicatori che rappresentano l’invecchiamento.

La tensione a circuito aperto (OCV, Open Circuit Voltage) è la tensione misurata ai terminali della batteria dopo un tempo sufficiente di riposo (chiamato talvolta tempo di rilassamento), ed è una misura chiave per le celle delle batterie a ioni di litio (Li-Ion).

La tensione OCV varia principalmente in base allo stato di carica della batteria e, in misura minore, in funzione alla temperatura. La tensione OCV può essere utilizzata per creare un modello equivalente alla batteria, quindi, per progettare un sistema di gestione della batteria (BMS, Battery Managment System), e non solo per valutare le specifiche e le condizioni della batteria.

La resistenza interna della batteria serve a rappresentare la caduta di tensione che si manifesta sui terminali della batteria quando un carico è collegato, rispetto alla tensione a vuoto, e può essere derivata dalle misure della tensione OCV.

L’OCV non è generalmente rappresentativo di "una sola misura", ma di un insieme di misure. Infatti, è più corretto parlare di "caratterizzazione OCV della batteria", che deriva dall’analisi di una curva dello stato di carica (SoC) in funzione della tensione a vuoto (OCV).

Per tracciare tale curva, è necessario portare la batteria in determinati stato di carica, tipicamente caricando o scaricando la batteria tramite impulsi di corrente utilizzando una sorgente/carico intelligente, quindi attendere un certo tempo di assestamento (chiamato "rilassamento"), e poi misurare il potenziale a circuito aperto agli elettrodi.

Una SMU come i modelli Keithley 2460 o 2461 (con capacità di erogare e assorbire impulsi di 10 A e dotate di funzione digitalizzatore) è una soluzione perfetta per eseguire questo test. Infatti, un’unità di alimentazione e misura può erogare o assorbire la corrente della cella in modo controllato, e nel mentre misurare la corrente e la tensione della cella con una connessione a 4 fili (Kelvin) fino ai contatti.

Tutta la procedura può essere facilmente automatizzata e controllata tramite il microprocessore incorporato negli strumenti e adeguatamente programmato.

L’accuratezza della misura della tensione OCV è un fattore discriminante per la scelta dello strumento più adatto. In alcuni casi, la risoluzione di misura tipica di 6 ½ cifre, la stabilità termica ma, soprattutto, l’accuratezza di una SMU, potrebbero essere considerate insufficienti.

Per questo motivo, alcuni sistemi di collaudo prevedono l’utilizzo di uno speciale multimetro digitale, il modello Keithley DMM7510, che è diventato lo strumento di riferimento standard per il test delle celle delle batterie Li-Ion. Il suo convertitore A/D da 32 bit a basso rumore permette di ottenere una risoluzione di 7 ½ cifre e un’accuratezza delle misure di classe metrologica.

Fig. 3 - Il multimetro digitale Tektronix Keithley DMM7510 è uno strumento con risoluzione di 7 ½ cifre e caratteristiche di grande accuratezza che si adatta perfettamente a quantificare piccole cadute di tensione o piccole correnti di dispersione.

Esempio 3: Test dei BMS e il particolare caso del rilevamento delle collisioni

Un sistema di gestione della batteria (o BMS) è un sottosistema specifico dedicato al controllo delle funzioni critiche di una batteria, come il monitoraggio delle celle, il loro bilanciamento, il controllo del processo di carica e scarica, il controllo della sicurezza e delle comunicazioni con le unità esterne.

Diversi progettisti di sistemi automatici di collaudo (ATE) lavorano per comprimere in una piattaforma compatta e affidabile tutti gli strumenti di misura necessari per controllare l'interazione tra il BMS e la batteria.

Questi sistemi ATE utilizzati per la validazione sono tipicamente composti da elementi modulari, assemblando strumenti e accessori di più fornitori che funzionano insieme formando un sistema di collaudo completo.

Il sistema deve tracciare e registrare più segnali di ingresso provenienti dalla batteria e dal BMS. Il sistema di comunicazione tra i vari strumenti è un fattore critico e deve essere considerato attentamente per effettuare una scelta corretta degli strumenti.

In alcuni casi, la scelta dei singoli strumenti per comporre il sistema è parzialmente guidata dall'ambiente software che verrà utilizzato per la gestione dei test, ma in generale gli integratori di sistemi preferiscono progettare soluzioni personalizzate basate sui requisiti degli OEM, che sono indipendenti da uno specifico ambiente software, garantendo un'esecuzione intercambiabile e veloce in parallelo di diversi sistemi di test di validazione automatizzati.  

Per validare un BMS prima farlo interagire con un sistema di batterie reale, potrebbe essere necessario simulare la tensione del pacco batterie.

Ciò significa dover controllare una fonte di tensione precisa di 1000 V (o più), oppure di simulare centinaia di tensioni delle singole celle.

La camera di stress ambientale è un altro sottosistema fondamentale da prevedere per il controllo della temperatura e dell'atmosfera di prova. Per quanto riguarda le SMU, Keithley supporta questa tipologia di applicazioni con il modello 2470, che è in grado di lavorare con tensioni di prova di 1 kV.

A parte il portafoglio specifico di data logger e schede di acquisizione dati, come ad esempio il modello DAQ6510, ci concentreremo ora su dei generatori di impulsi di tensione e corrente scelti per la realizzazione di particolari sistemi di prova che verificano la reazione del BMS in caso di collisioni a bassa velocità, che potrebbero accadere durante una ricarica veloce in corrente continua (DC).

Consideriamo il caso di un veicolo collegato a una colonnina di ricarica in DC presente in un parcheggio che subisce una collisione a bassa velocità.

Come reagisce il BMS? Come escludere i guasti critici come la mancanza di isolamento? Il segnale di collisione inviato al BMS può essere un impulso di tensione o un impulso di corrente, a seconda della situazione reale.

Indipendentemente dalla tipologia utilizzata, il segnale deve essere chiaro e abbastanza stabile da resistere alle interferenze. Con i nostri generatori di forme d’onda arbitrarie (AFG) forniamo anche soluzioni per simulare frame di errore nelle comunicazioni dei messaggi trasmessi sul bus CAN, al fine di ricreare potenziali situazioni di guasto e verificare la robustezza del sistema a reagire correttamente.

Fig 4 - I generatori della famiglia AFG31000 di Tektronix possono essere programmati per replicare i segnali tipici di un bus seriale, inserendo alterazioni personalizzate per replicare specifiche condizioni di guasto potenziale

Conclusione

Le misure elettriche sulle batterie agli ioni di litio sono un argomento molto vasto. In base alle molteplici necessità applicative che emergono in fase di produzione o di integrazione di sistema, è necessario utilizzare varie tipologie di strumenti di misura con requisiti diversificati che entrano a far parte di sistemi di collaudo automatizzato intelligenti.

Tektronix è storicamente un fornitore chiave di oscilloscopi e sonde utilizabili per verificare il comportamento di una batteria quando viene caricata dall'inverter del motore, ma il portafoglio di Tektronix e Keithley supporta anche il collaudo in produzione delle batterie, in particolare quando è necessario eseguire misure di resistenza, isolamento, tensione e corrente altamente accurate, mentre contemporaneamente si raccolgono dati attraverso più punti di ingresso.

In particolare, utilizzando le unità di alimentazione e misura (SMU), come il modello 2470, è possibile erogare oltre 1 kV e misurare accuratamente la corrente, mentre con il modello 2461 è possibile erogare o assorbire impulsi di corrente di grande intensità per simulare il ciclo di carica e scarica della batteria.

Con i multimetri digitali come il modello DMM7510, invece, si possono caratterizzare accuratamente la tensione a vuoto (OCV) e la corrente di scarica, facilitando la realizzazione di sistemi di collaudo in produzione altamente automatizzati.

*Andrea Vinci è Technical Marketing Manager presso Tektronix, responsabile del portafoglio di strumenti Keithley nella regione EMEA.