Le batterie sono diventate parte della vita quotidiana. Dopo aver guidato l’imponente crescita del mobile computing e delle comunicazioni, le batterie sono ora parte fondamentale della rivoluzione ecologica.

I veicoli elettrici e i sistemi di accumulo domestico sono solo un paio di esempi dell'utilizzo di batterie per immagazzinare l'elettricità generata con metodi puliti e rendere disponibile l'energia quando necessario.

La dipendenza dalla potenza della batteria evidenzia l'importanza delle fasi di test e misurazione per garantire che i sistemi elettronici funzionino al massimo rendimento.

“La progressiva diffusione dell'alimentazione a batteria e la durata delle stesse sono temi estremamente importanti al giorno d’oggi”, afferma Philipp Weigell, Director Product Management responsabile di Prodotti per l’Alimentazione, Misuratori, Fonti di Alimentazione e Analizzatori Audio presso Rohde & Schwarz.

Durante la progettazione, i team di ingegneri devono capire se i circuiti di ricarica e quelli che consumano energia funzionano nel modo più efficiente possibile con la batteria designata. Altrettanto importanti sono le prestazioni sul campo.

Un collaudo in produzione di alta qualità è fondamentale per garantire che vengano inviate sul campo solo batterie di alta qualità. Le batterie ad elevato rischio di guasti precoci dovranno essere identificate e mandate ad una stazione di rilavorazione. Sul campo, i gestori di veicoli elettrici devono essere in grado di identificare se le batterie siano poco efficienti o presentino problemi, in modo da poterle sostituite prima che causino un guasto.

Man mano che il concetto di gemelli digitali diventa più diffuso, il valore di questi test di produzione e manutenzione si estenderà nella fase di progettazione. L'accesso ai dati operativi a più lungo termine mostrerà come i sistemi funzionano in diverse condizioni di carico. Ciò fornirà importanti informazioni che i team di ingegneri potranno utilizzare per ottimizzare i futuri progetti di sistema, per non parlare degli aggiornamenti del firmware che potranno apportare, per migliorare le prestazioni delle apparecchiature esistenti che operano sul campo.

I test delle batterie richiedono velocità, precisione e facilità d’uso

In fase di progettazione, produzione o manutenzione, velocità e precisione rappresentano alcuni degli aspetti più importanti delle prestazioni degli strumenti di test.

Le metriche chiave per le batterie sono tensione e resistenza. Tradizionalmente, la resistenza viene misurata collegando un carico sulla batteria. Tuttavia, le aziende che svolgono test hanno applicato una varietà di strategie sofisticate per migliorare l'accuratezza e la facilità d’uso sia in laboratorio che sul campo, per far fronte alla vasta gamma di componenti chimici delle batterie attualmente in uso.

Questo ha portato a progetti come il tester per batteria BT3554 di Hioki, progettato specificamente per mantenere le batterie al piombo-acido, spesso utilizzate in gruppi di continuità (UPS) e applicazioni simili. Lo strumento BT3554 è progettato per fornire una diagnosi completa della condizione delle batterie al piombo acido anche mentre sono collegate al dispositivo host e senza metterlo in modalità offline. Ciò rende più facile eseguire la manutenzione di UPS e ridurre i tempi di inattività.

I componenti chimici della batteria e gli obiettivi di test giocano un ruolo importante nella progettazione degli strumenti. Kai Scharrmann, ingegnere e responsabile vendite di Hioki Europe, afferma che è relativamente facile determinare lo stato di una batteria al piombo acido utilizzando semplici misurazioni della tensione insieme a stime della resistenza interna.

“Si può dire molto rapidamente se una batteria debba essere sostituita o meno, questa è in genere una rilevazione che viene fatta a una sola frequenza. Se si misura solo una frequenza, è davvero molto difficile capire da quell’unica rilevazione se una batteria agli ioni di litio sia carica o meno”.

Nel passaggio ai componenti chimici a base di litio, la struttura della batteria svolge un ruolo importante nella manutenzione e nei test di produzione, nonché nella ricerca e nello sviluppo, afferma Scharrmann. “Una delle cose veramente importanti è effettuare misurazioni precise a livello di celle. Misurare un pacco batterie non proverà nulla, perché se è realizzato in serie, non si capirà quale cella è interessata. È possibile che in un pacco vi siano celle funzionanti insieme a una cella guasta. Come trovare quella guasta testando l'intero pacco?

In molti casi, le celle all'interno delle batterie agli ioni di litio sono organizzate in serie, aggiunge Scharrmann. “Per celle in serie, si avrà bisogno di un sistema di gestione batterie o di una scheda di protezione. Quando si andrà ad effettuare la misurazione, la rilevazione interesserà anche quel sistema di gestione batterie. Si può ancora procedere in questo modo, ma bisognerà considerare molti più punti di quelli che si prenderebbero in considerazione con una vecchia batteria standard al piombo acido”.

Le applicazioni richiedono una maggiore efficienza

La performance delle singole celle sta diventando importante per un numero crescente di applicazioni. Un settore in cui è necessaria un’analisi a questo micro livello è quello automobilistico, dal momento che le prestazioni del sistema elettrico completo determinano la gamma di un veicolo elettrico.

“A volte le celle delle batterie sono accoppiate. Ad esempio, negli sport motoristici, dove ottenere il massimo delle prestazioni è fondamentale, la scelta delle celle batteria che compongono i pacchi viene fatta manualmente. Vengono effettuati sweep di frequenza su ogni cella e da quelle misurazioni si decide quali celle verranno messe insieme in un pacco batterie", afferma Scharrmann.

Mentre i test di produzione e manutenzione necessitano di un buon supporto per risultati di elaborazione e di facile comprensione, gli strumenti di ricerca e sviluppo devono soddisfare la richiesta di precisione, afferma Scharrmann. “In realtà, la precisione dello strumento potrà avere un impatto positivo o negativo sulla scelta finale”.

Scharrmann indica come esempio i requisiti dell’Agenzia del governo federale degli Stati Uniti preposta alla protezione della salute umana e dell'ambiente (U.S. Environmental Protection Agency) nel determinare l'efficienza e la gamma di veicoli elettrici. “Uno strumento per test e misurazioni affidabile può davvero aiutare ad ottenere le certificazioni”, spiega.

La precisione è fondamentale per lo sviluppo di sistemi che possano sfruttare al meglio il comportamento delle batterie agli ioni di litio. Con l'aumentare dell'efficienza, l'accuratezza diventa più importante. Ciò si applica agli alimentatori che devono disperdere il meno possibile quando alimentano sistemi elettronici associati, così come agli inverter in sistemi più grandi che vengono utilizzati per alimentare i motori elettrici.

Oggi l’efficienza si avvicina al 90%. Anche un piccolo miglioramento dell'efficienza riduce drasticamente gli sprechi di energia. Per esempio, un miglioramento dell’efficienza dell’1% significa un risparmio del 10% di energia.

Scharrmann afferma che c'è uno sforzo significativo nella progettazione di inverter ad alta frequenza, grazie all'arrivo di semiconduttori in carburo di silicio e nitruro di gallio. “Le frequenze commutazione stanno aumentando così tanto ora, che servono strumenti di misurazione molto precisi per rilevare i vantaggi”, spiega.

La sostenibilità svolge inoltre un ruolo chiave nei requisiti dei test. “Le batterie agli ioni di litio tendono ad essere ricche di cobalto, che non è esattamente il prodotto più ecologico del pianeta”. La progettazione di sistemi in grado di ospitare batterie costruite con materiali diversi può contribuire notevolmente al miglioramento delle metriche di sostenibilità.

Strumenti per comprendere il consumo energetico

Nei sistemi a bassa energia, i vari tipi di stati di sleep e turbo-elaborazione che possono utilizzare complica l'analisi della performance delle batterie. Un'attenta progettazione dei condensatori di livellamento può aiutare a prolungare la durata della batteria, riducendo le dimensioni delle correnti di picco che le celle devono fornire. Oltre agli analizzatori di potenza convenzionali, le unità di alimentazione e misura (SMU) sono ora utilizzate per caratterizzare il funzionamento di questi sistemi.

“Stiamo iniziando a vedere le unità di alimentazione e misura (SMU) impiegate nei test delle batterie”, afferma Bradley Odhner, Technical Marketing Manager di Tektronix e Keithley Instruments, aggiungendo che le molte start-up che si concentrano su dispositivi Internet of Things (IoT) possono trarre beneficio dalle stesse.

“Le unità di alimentazione e misura (SMU) sono ottime per le aziende che vogliono avere uno strumento in grado di svolgere compiti diversi, ma anche molto complessi, soprattutto quando si parla di miniaturizzazione dei dispositivi. I tecnici vogliono ottenere il massimo dai dispositivi in cui investono, in modo da poter realizzare i migliori prodotti possibili”.

Weigell spiega: “Una SMU consente di effettuare misurazioni ad alta precisione, anche a correnti molto basse e a correnti alte in un secondo. Ciò permette di rilevare davvero il consumo di energia. È quindi possibile mettere in correlazione il consumo con altre caratteristiche”. Weigell aggiunge inoltre che la flessibilità delle misurazioni rende facile svolgere micro analisi dei cambiamenti nel tempo del consumo di energia e delle sollecitazioni sulla batteria, come ad esempio quando un utente passa dalla lettura di e-mail alla visione di video.

Dall'IoT ai veicoli elettrici, le batterie svolgono un ruolo fondamentale. Per ottimizzare l'efficienza e la durata delle apparecchiature, vi è una chiara necessità di capire come si comportano le batterie all'interno del sistema e sul campo. Gli strumenti per test e misurazioni svolgono pertanto un ruolo essenziale nell'intero ciclo di vita e i principali produttori mondiali stanno cogliendo la sfida.

*Cliff Ortmeyer è Global Head of Technical Marketing di Farnell