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Celle di Energia vs Celle di Potenza

Quando il progettista dimensiona un pacco batterie per un dispositivo elettrico od elettronico, ha una decisione fondamentale da affrontare: scelgo un pacco di batterie fatto con celle di potenza o con celle di energia? E' molto importante capire la differenza ed avere l'ennesima dimostrazione che la capacità non è tutto!


APPROFONDIMENTO
Energia e Potenza Specifiche

In questo articolo, abbiamo visto l'importanza dell'influenza della corrente di scarica su alcuni tipi di celle ed abbiamo distinto tra energia specifica e potenza specifica. Ora siamo interessati alla scelta di una batteria per un determinato progetto.

Per semplificare il discorso, consideriamo due batterie o meglio due celle appartenenti alla stessa famiglia di tecnologia chimica: Ioni di Litio. Senza dubbio la famiglia più importante oggi, per la diffusione sempre crescente...da qualsiasi tipo di dispositivo elettronico alle automobili elettriche!

Ebbene, all'interno della tecnologia ioni-litio, emergono due grandi insiemi di celle, distinguibili in base alla potenza elettrica o alla capacità che riescono a fornire: Celle di Energia e Celle di Potenza.

Energy Cell

curva di scarica volt V




E' una cella che deve fornire la massima capacità possibile nel volume a disposizione. Voglio che il mio dispositivo resti accesso il più a lungo possibile, voglio autonomia. Scelgo di fare il mio pacco batterie, con celle come questa:

Panasonic NCR 18650B

E' una cella Panasonic, di qualità eccellente. Il formato è quello più famoso:18650. Un mostro di capacità in queste dimensioni, ben 3400mAh.

curva di scarica volt V

 

Controllo le specifiche della cella, capacità, densità energetica etc...noto che la corrente massima spillabile dalla cella è 2C, che per una cella da 3400mAh significa 6.8A. Questo è il limite e mi aspetto prestazioni abbastanza scarse con questa corrente di scarica.



Finalmente vediamo le curve di scarica, per varie intensità di corrente:

cella panasonic ncr18650 curve di scarica

Tutte le curve finiscono a circa 3400mAh, quando la tensione è scesa a 2.5V. Sappiamo bene però che l'energia prodotta dalla cella è proporzionale all'area sottesa dalla curva (area che la curva forma con l'asse dei mAh) e che più alta è la curva, meglio è. Supponiamo di voler usare un cut-off voltage di soli 3V, per far durare la cella a lungo e di scaricare la cella a 6.8A: la capacità ottenuta, in questo caso, è solo 2300-3400mAh. Piuttosto bassa, rispetto ai 3000-3400mAh che ottengo se scarico la cella con correnti 1C o inferiori. Troppo spreco, questa è una cella che va bene se il mio dispositivo assorbirà una corrente di 1C (3.4A), comunque di tutto rispetto, ma non se il mio dispositivo necessita di 10A per funzionare.

Power Cell

Nello stesso formato, consideriamo una cella della stessa marca, con caratteristiche leggermente differenti:

panasonic ur18650rx specifiche

Questa batteria ha delle specifiche più modeste, capacità di soli 1950mAh, diciamo 2Ah, che corrisponde ad una corrente 1C di 2A ed una corrente 5C di quasi 10A. Vediamo subito le curve di scarica:

panasonic ur18650rx specifiche

Ebbene, ipotizzando lo stesso cut-off voltage di 3V, noto che le curve sono molto più "schiacciate" rispetto alla cella di prima. Questo vuol dire che la cella fornisce più o meno la stessa energia, anche se più modesta, con qualsiasi corrente di scarica, persino a 10A!!

Questa è una cella di potenza: ha una energia bassa ma eccellenti capacità di carico, è in grado di fornire alte prestazioni se spillo alte correnti...laddove la cella dell'esempio precedente non poteva superare i 6.8A in scarica con prestazioni scadenti.

La cella di potenza lavora bene in quelle applicazioni dove ho bisogno di alte correnti, come per gli utensili elettrici. Questa cella di potenza, lavora agevolmente anche con correnti di scarica di 20A. Altre celle, per esempio le LiFePo4 utilizzate per le bici elettriche ed in alcune auto, non hanno problemi a fornire 30A continui senza danneggiarsi e senza perdere troppo in prestazioni.

La miglior performance di queste celle è ottenuta diminuendo la resistenza interna ed ottimizzando l'area dei materiali attivi. Minimizzare la resistenza interna, vuol dire anche riuscire a lavorare con alte correnti senza che la temperatura cresca troppo.

Infatti dando una rapida occhiata alle caratteristiche di scarica in funzione della temperatura, per i due tipi di cella:

temperatura caratteristica scarica cella energia vs cella potenza

Si nota che anche portando la temperatura a parametro, le curve per la cella di destra sono più schiacciate e vicine tra loro: una power cell lavora meglio dal punto di vista termico ed anche questa può essere, in alcuni casi, una scelta nel design.

Design: Energy Cell vs Power Cell

Per soddisfarre le esigenze del carico che utilizzerà la batteria, il designer può scegliere. Supponiamo che abbia bisogno di potenze elevate, per assemblare la batteria di un elettroutensile o di un veicolo elettrico:

  • sceglie una Power Cell ma si accontenta di capacità modeste
  • sceglie una Energy Cell, ma deve sovradimensionare il volume del pacco batterie.

In media una energy cell ha il 50-60% di capacità in più di una power cell. Negli esempi sopra, avevamo 3.4Ah contro 2Ah. Meglio ancora: 730Wh/L contro 413Wh/L. La energy cell però lavora con correnti più basse, quindi occorrerà avere più celle per sopperire alla carenza di prestazioni quando le correnti sono alte. E' questo per esempio il concetto di design adottato dalla Tesla EV: i pacchi batterie forniscono autonomie straordinarie al veicolo ma sono pesanti e molto molto costosi.

cella tesla 18650

La tecnologia delle celle ioni-litio è sempre in evoluzione e ci sono una infinità di sfumature intermedie tra le Energy Cell e le Power Cell.

Il concetto importante è però questo: in una batteria non conta solo la capacità delle celle!

Se devo assemblare una batteria per un computer portatile da gaming, per esempio, sarà consigliabile utilizzare celle con buone doti di potenza, anche se con capacità non troppo elevate. Un laptop da gaming, tra cpu, gpu, display, schede varie, può tranquillamente arrivare ad assorbire 50-60W dalla batteria. Se la batteria ha 11.1V, questo vuol dire che spillerà tranquillamente correnti superiori ai 5A, quando è utilizzato pesantemente. Se le celle della batteria hanno capacità elevata ma prestazioni scarse quando sono sotto carico, ebbene quella batteria non andrà bene.

Come si vede è un fatto di design ed il progettista deve compiere delle scelte in base al dispositivo che si andrà ad alimentare e quasi sempre si tratta di trovare il giusto compromesso.

Letto 2922 volte Ultima modifica il Domenica, 31 Luglio 2016 22:34
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