Resistenza interna e capacità

[milan]

Originalmente inviato da marcodef

No no no... ricordati che sono in parallelo e vedono la stessa tensione...

Umberto la dice giusta, okkio però l'analogia coi vasi comunicanti funziona ma c'è una differenza sostanziale: se riempi un vaso solo (e il secondo è aperto) si riempie anche il secondo... questo rende le cose un po' diverse...

Per continuare a giocare: se invece le due batterie in parallelo sono di capacità una doppia dell'altra ma di RI identica, come si ripartisce la corrente?



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Nell'esempio dei vasi avevo specificato che una delle due tubazioni ha una strozzatura (per simulare le resistenza piu' alta).

La temperatura è sempre importante in chimica.

Quando riavvolgevo i motori a spazzole per auto 1:10, e selezionavo le Nimh, controllavo TUTTO della prestazione del modello durante la manque, anche la velocità massima in rettilineo con la pistola radar, e il valore massimo non era nei primi giri nonostante le batterie fossero appena state caricate, ma in genere dopo 60/90 secondi dalla partenza perchè le batterie iniziavano a scaldarsi e la resistenza interna si abbassava.

Per le lipo vale la stessa cosa, debbono essere calde dentro, in piu' essendo comprimibili ho notato casualmente che schiacciandole durante la scarica la tensione puo' aumentare, ma non ho approfondito.
Mi pare che in F5b si usasse fasciare strette le batterie, non so se per impedirne il rigonfiamento o per altri motivi.


Umberto

[marcodef]

Originalmente inviato da forbice

ma mi spieghi cosa intendi per meccanico ?
mi dai dei link utili dove si spiega questo fattore meccanico per favore ?
l'avrai letto su qualche libro o su qualche sito , penso
grazie .....
cosi rimangono informazioni per tutti .......

Scusate il papiro

Vediamo innazitutto come e' fatta una batteria ricaricabile agli ioni di litio: possiamo evidenziare 4 elementi principali:

Anodo: in scarica fornisce gli elettroni al circuito esterno venendo ossidato da una reazione elettrochimica. quasi tutte le batterie che usiamo nei nostri modelli hanno l'anodo in grafite (carbonio) di qualche sorta, le piu' di moda oggi in grafene (!), che sempre grafite e'...
Catodo: in scarica si prende gli elettroni dal circuito esterno e viene ridotto da una reazione elettrochimica. E' solitamente realizzato da un composto di Litio con un metallo di transizione ossidato, solitamente Cobalto o Manganese (LiCoO2 - LiMn2O4 etc..) oppure, nelle LiFe da un fosfato di ferro (LiFePO4). Il potenziale di ossidoriduzione del composto e' il responsabile della caratteristica tensione massima della batteria.
Elettrolita: permette il passaggio degli ioni dall'anodo al catodo o viceversa. puo' essere una soluzione liquida, un gel o un polimero (guarda caso nelle nostre LiPO!)
Separatore: e' una membrana permeabile agli soli ioni di litio, e serve ad evitare che impurita' o altri ioni possano migrare dai due poli della batteria evitando deterioramenti o corti.

Anodo e catodo sono realizzati in modo da essere porosi agli ioni di litio, questo ne aumenta la superficie e quindi la quantita' di ioni Li+ possono assorbire. tale quantita di ioni Li+ e' di fatto la capacita' della batteria, la capacita' della batteria e' infatti una unita' di misura della carica elettrica e non va confusa con la capacita' di un condensatore.

Possiamo dunque pensare alla batteria come ad un marchingegno che contiene delle cariche (gli ioni di litio) che in scarica scorrono dall'anodo verso il catodo dove devono intercalarsi in mezzo poroso. La velocita di diffusione (che e' un processo fisico e non chimico) degli ioni nel composto del catodo e' il principale fattore che determina la resistenza interna della batteria. Esso causa anche una pressione meccanica che tende a far gonfiare la cella stessa, ed e' per questo che le batterie al litio non sono montate in involucri rigidi. Se esageriamo con la corrente in scarica ecco che questo rigonfiamento puo' diventare permanente, di fatto compromettendo le caratteristiche FISICHE del catodo, abbiamo sfasciato i pori e quindi ora non funge piu' come prima. La stessa cosa accade quando sovrascarichiamo la cella, cioe' cerchiamo di mettere troppi ioni nel catodo innalzandone la pressione interna (c'e' in effetti un esubero di cariche nella batteria che serve a mantenere le prestazioni nel tempo)..

Piccola parentesi:
In scarica l'anodo cede gli ioni, tanto piu' velocemente puo cederli tanta piu' corrente la batteria potra' erogare, per questo mettendo una pressione sul''anodo di fatto si riduce la resistenza interna, come diceva Milan (Umberto). La pratica pero' non e' sicura e porta al deterioramento precoce delle celle. Ci sono molti articoli a riguardo, le prime auto elettriche che batterie al litio "spremevano" cosi' le celle... Chiusa parentesi :-)

ora,
in carica il discorso e' simile. E' addirittura piu' esasperato in quanto la grafite e' un materiale estremente leggero, per cui assorbendo gli ioni si espande di circa il 400%. In effetti e' l'anodo il punto piu' debole delle batterie al litio, per questo tutte queste innovazioni sulle celle ad alta scarica tipo le grafene o qualle con anodo al composto di silicio.
Quando la cella e' fredda la lunghezza di diffusione aumenta, il che significa che gli ioni fanno piu' fatica ad intercalarsi, questo puo' causare una vera e propria pressione meccanica che puo' portare al rigonfiamento permanente della cella o addirittura dell'esplosione. chiaramente si alza la resistenza interna ma non e' quello il problema quando si cerca di ricare una batteria troppo fredda. il problema, come visto, di fatto e' meccanico e consiste nel deterioramento fisico di un mezzo poroso (una spugna!!).


leggo questo sul foglio di precauzioni della ultime gensAce che ho acquistato:
"never attempt to charge the battery if the temperature is below 32 F (0 C), this could cause inflation, permanent damage and, eventually, explosion. If charging in lower temperatures, lower the charging current to 1/2 or 1/4 C"

Se avete avuto la pazienza di leggere fino a qui c'e' un ultima considerazione da fare:
dovrebbe essere chiaro a questo punto che le resistenze interne in scarica e in carica saranno diverse.


PS: ho parlato di ioni e cariche elettriche, una lacuna non e' ne' uno ne' l'altro... proprio non c'entra nulla.

[marcodef]

Originalmente inviato da giankyfunky

A me il gioco interessa........
reminiscenze scolastiche mi suggeriscono che la legge di ohm I=V:R dice che la corrente sarà maggiore nella batteria con Ri inferiore e quindi si caricherà più velocemente.
Ma i due pacchi, pur essendo in parallelo, separati hanno tensioni diverse, quindi il caricabatterie con l'aiuto della batteria più carica caricheranno la meno carica.
Se la Ri fosse uguale avranno correnti uguali, ma avendo capacità differenti, quella con minor capacità verrà carica prima.....ma se così fosse non cambiando la Ri con la carica della batteria, quella più piccola continuerà a ricevere corrente dal caricabatterie.......e ammesso che quanto sopra sia corretto, qui mi perdo........dissipa tutto in calore?

Originalmente inviato da forbice

si quello che dici in parte è corretto ....
la batteria che avrà le celle più cariche appena verrà messa in parallelo a quella che in quel momento è più scarica , caricherà l'altra per riportare il valore di tensione uguali tra le celle messe tra di loro in parallelo .....
e questo è assodato .......
poi per ipotesi supponiamo di avere 2 batterie con RI UGUALI E COSTANTI SEMPRE , MA CAPACITA DIFFERENTI ........
li mettiamo sotto carica in parallelo tra di loro sotto un carica batteria ......
il carica batteria si comporta come un generatore di corrente costante per il 99% del tempo
quando deve bilanciare le celle alla fine del processo ( 1% del tempo di carica ) si comporta come un generatore di tensione costante

in questo caso le due batterie con RI UGUALI e capacità differente saranno viste cosi dal carica batterie :
come un unica batteria TOTALE , con una RI TOT data dal parallelo della somma delle celle che compongono le singole batterie , nel nostro caso la RI TOT = 1/2 RI
la corrente che scorrerà dentro ogni singola batteria , sarà la metà della corrente del nostro carica batteria .

la CAPACITA TOTALE avrà valore uguale alla somma delle singole capacità delle batterie , come per i condensatori messi in parallelo in un circuito normale .....
quindi la CAPACITA TOTALE = CAPACITA BATTERIA 1 + CAPACITA BATTERIA 2 .

il tempo necessario per caricarle sarà dettato dal carica batteria medesimo tramite il suo programma interno che sicuramente si allungherà , sempre se vengono collegate correttamente sia i cavi di carica che quelli di bilanciamento molto molto importanti ......
proprio tramite il bilanciamento il carica batteria si puo rendere conto di quello che ha sotto e comportarsi di conseguenza ......
se togliamo il bilanciamento invece la carica sarà CIECA e qui non si ha certezza che le batterie si caricano al 100%.....
questo modo di semplificare i circuiti in un unica resistenza , in un unico condensatore , in un unico generatore , tra molti componenti semplifica i calcoli e il modo di capire cosa capita in un circuito elettrico di qualunque natura ......

nota nella realtà non si troveranno mai celle tra di loro uguali in tutto per tutto anche dentro un singolo pacco batteria ...... resistenze interne che cambiano valore secondo per secondo , capacità delle singole celle diverse provocate da un aumento o diminuzione di materiale chimico durante la lavorazione , isolamenti curati o poco curati tra la composizione delle singole celle , ecc ecc
ciao

La risposta breve per chi non vorra' leggere il seguito e'

entro certi limiti: se ricarichiamo batterie in parallelo la ripartizione tra di esse della corrente di ricarica avviene in maniera proporzionale alla sola capacita' delle batterie stesse, la resistenza interna non entra praticamente in gioco.


vediamo perche', ma questa volta dobbiamo fare un minimo sforzo oltre la legge di Ohm.

supponiamo di modellizzare la batteria come un condensatore con in serie una resistenza (a simulare la resistenza interna). Entro certi limiti cio' dovrebbe essere ragionevole, consideriamo infatti la sola fase di ricarica a corrente costante, dove questo modello si applica molto bene (ove cioe' la caratteristica tensione-percentuale-di-carica e' praticamente lineare).

ora mettiamo due batterie in parallelo, da una parte abbiamo C1 e R1, dalla'ltra C2 e R2, le due resistenze sono connesse tra loro nel punto (nodo) dove arriva la corrente del caricabatterie, il circuito si chiude a massa.

nel nodo arriva la corrente I che si divide in I1 e I2, la prima verso r1 c1 la seconda verso r2 e c2. Nel nodo la tensione sia V.

poiché i due rami sono in parallelo, la tensione dovrà' essere uguale su entrambi i lati, pertanto in un dato istante t:

(1) V = Q1/C1 + R1xI1 = Q2/C2 + R2xI2 (secondo legge di Kirchhoff alla maglia)

carica diviso capacita e' la caduta di tensione sul condensatore, resistenza per corrente quella sulla resistenza. Abbastanza banale direi, inoltre

(2) I=I1 + I2. (prima legge di Kirchhoff al nodo)

questo e' vero in ogni istante.


MA


siamo in regime transitorio! la carica sul condensatore di fatto aumenta col tempo perché stiamo caricando il condensatore. Quindi quello scritto finora non descrive del tutto il problema.
consideriamo di essere a regime costate, I e' costante e siamo ormai in equillibrio e dunque anche I1 e I2 sono costanti, per capire cosa succede dobbiamo passare nel dominio del tempo, per farlo basta derivare rispetto al tempo la (1).

(3) dQ1/dt/C1 + 0 = dQ2/dt/C2 + 0

poiche I1e2 non variano nel tempo, la loro derivata e' nulla. inoltre la variazione di una carica nel tempo cosa e'? guarda caso e' proprio la corrente pertanto dQ1/dt=I1 ecc.. la (3) diventa pertanto:

I1/C1 = I2/C2 cioe' I1/I2 = C1/C2


e cioe' il rapporto delle correnti e' uguale al rapporto delle capacita'.

questo il ragionamento teorico, ma si applica benissimo alla pratica, tempo fa feci delle prove usando i power meter come misuratori di corrente e postai qui sul barone a conferma di quanto detto sopra, feci anche la prova con una resistenza in serie ad una delle batterie e la sostanza non cambia.
Cio' e' vero perche la curva caratteristica delle celle a litio e' molto costante e varia poco tra una e l'altra. se una cella avesse una resistenza interna molto alta rispetto all'altra quello che succede e' che di fatto essa rimane sempre una po' meno carica della prima, ma appena si arriva alla fase CV le cose si aggiustano subito.

pertanto le due domande: se caricassimo in parallelo due celle con capacita' una doppia dell'altra, quella con capacita' maggiore assorbira il doppio della corrente.
nel secondo caso, se cambiasse la Ri ma la capacita' fosse uguale entrambe le batterie assorbirebbero la stessa corrente in barba alla Ri.

Buon Anno!!

[giankyfunky]

Ciao, buon anno e grazie. Credo di aver capito, ma adesso mi metto davanti ad un foglio di carta e ripasso.......non so perché ma davanti agli scarabocchi fatti a penna mi sarà tutto più chiaro e si consoliderà meglio nella memoria.

[Naraj]

Originalmente inviato da marcodef

La risposta breve per chi non vorra' leggere il seguito e'

entro certi limiti: se ricarichiamo batterie in parallelo la ripartizione tra di esse della corrente di ricarica avviene in maniera proporzionale alla sola capacita' delle batterie stesse, la resistenza interna non entra praticamente in gioco........................

Se applichiamo come detto la legge di Ohm, non mi sembra vero che la resistenza interna non entra in gioco e che sia solo la capacità della batteria che determina in modo proporzionale la velocità di carica.


Naraj.

[forbice]

Originalmente inviato da Naraj

Se applichiamo come detto la legge di Ohm, non mi sembra vero che la resistenza interna non entra in gioco e che sia solo la capacità della batteria che determina in modo proporzionale la velocità di carica.


Naraj.

sono d'accordo con te ......
durante la carica delle batterie trasformate per semplificare il discorso in condensatore e resistenza interna , essendo in un regime transitorio la carica di ogni singolo condensatore ( batteria pura ) e comunque dettato sempre e comunque dalla costante di tempo ......
è vero anche che se si aspetta fino alla fine che i 2 condensatori siano carichi al 100% allora il discorso del nostro amico e teoricamente corretto , ma nella realtà i cb appena ai capi delle batterie raggiungono il voltaggio nominale di carica PIENA si mettono in regime CV equilibrando quello che possono le varie celle non aspettando che ogni singolo cella ( condensatori puri messi in serie che compongono la batteria ) , raggiungono la completa carica ..... e quindi ci ritroviamo celle cariche per esempio : a 4,194 volt ( cella 1 ) , 4, 200 volt ( cella 2 ) , 4, 196 volt ( cella 3 ) .... e cosi via ........
queste tensioni di fine carica , non sono mai ripetitive e costanti carica dopo carica , secondo te a che cosa o a che effetto lo giustifichi ?......
mi piace approfondire il discorso ........
io ho un cb che durante la carica mi segnala la RI INTERNA di ogni singola cella , minuto dopo minuto ......
la carica del mio cb avviene con corrente non costante nel tempo ma con corrente tipo dente di sega ...... ci sono tempi tra un dente di sega e l'altro nel quale il mio cb fa le letture delle resistenze interne e poi penso si adegua tramite il bilanciamento , ma alla fine delle cariche complete non ho mai visto la stessa cella caricata sempre con lo stesso valore di tensione ........i valori di tensione finali cambiano sempre ........

[marcodef]

Originalmente inviato da Naraj

Se applichiamo come detto la legge di Ohm, non mi sembra vero che la resistenza interna non entra in gioco e che sia solo la capacità della batteria che determina in modo proporzionale la velocità di carica.


Naraj.

la legge di Ohm e' stata applicata, ma da sola non spiega il fenomeno. Provo a spiegarlo graficamente, sotto uno schizzo, sono in aeroporto per cui questo e' quello che posso fare, pardon il disegno, spero sia leggibile.

il grafico vuole rappresentare la percentuale di carica di due batterie mentre vengono ricaricate in parallelo in funzione del tempo.

1 - rappresenta il momento in cui colleghiamo le due in parallelo, quella piu' carica cede carica all'altra, il transitorio e' esponenziale (di fatto e' il momento piu' pericoloso della ricarica in parallelo perche' qui le correnti potrebbero essere troppo elevate se le due fossero ad uno stato di carica molto diverso). e le due si portano in un punto di equilibrio dove la tensione delle due e' la stessa, anche la percentuale di carica sara' la stessa.

2 - inizia la ricarica, la corrente sale lentamente e le due si portano in una posizione di equilibrio dove quella con Ri maggiore sara' in uno stato di carica leggermente inferiore (per effetto della legge di Ohm e la caduta di tensione sulla Ri)

CC - Fase a corrente costante: le batterie si ricaricano linearmente (nella realta' questa curva e' leggermente concava verso il basso, ma cio' e' trascurabile agli effetti pratici). la pendenza delle due curve e' la stessa, non puo' essere altrimenti perche' le due batterie sono connesse in parallelo. L'offset dipende dalla Ri, in realta' anch'esso e' relativamente piccolo a meno di Ri enormemente diverse. La pendenza della curva e' la velocita di ricarica, essa dipende principalmente dalla corrente sulle singole batterie, tale pendenza vale I/C, pertanto I1/C1 deve essere uguale a I2/C2, ergo il rapporto delle correnti e' uguale al rapporto delle capacita'. agli atti pratici, se volesimo costruire un modello piu' reale, dovremmo considerare la efficienza di ricarica, ma essa dipende principalmente dalla Ri pertanto le cose non cambierebbero molto.

CV - e' la fase finale a tensione costante, il caricabatterie si preoccupa di abbassare la corrente nel tempo e la batteria con Ri maggiore inseguira' l'altra, l'offset delle due diminusce come diminuisce la corrente di ricarica e le due alla fine saranno cariche entrambe al 100%.

non mi viene in mente altro al momento per spiegarmi.

va notato che se cosi' non fosse, allora non sarebbe possibile ricaricare le batterie in parallelo. Dovrebbe essere chiaro ora perche' le NiMH NON si possono ricaricare in parallelo ma le Litio e quelle al piombo si.

buon anno ancora!!

[forbice]

un altra domanda .....
perché se utilizzo una batteria in storage e lasciata in queste condizioni per un mese e poi rimessa sotto carica , alla prima volta che la carico le mie letture di RI sono sempre maggiori rispetto al normale , e invece dopo l'utilizzo e la seconda ricarica le resistenze interne scendono a valori per cosi dire normali ?
a quale effetto o fenomeno giustifichi questi cambi di valore delle resistenze interne di ogni singola cella , durante le cariche ?

[forbice]

va notato che se cosi' non fosse, allora non sarebbe possibile ricaricare le batterie in parallelo. Dovrebbe essere chiaro ora perche' le NiMH NON si possono ricaricare in parallelo ma le Litio e quelle al piombo si.

buon anno ancora!![/QUOTE]

io ho sempre sentito dire che non è mai consigliabile comunque caricare due batterie lipo in parallelo per la non sicurezza di averle poi alla fine caricate bene al 100%.....
comunque la domanda del nostro amico riguardo alla carica di 2 batterie lipo in parallelo mi sembra che sia stata spiegata ....in un modo o nell'altro ......

[forbice]

e un altra domanda ......
perché se io carico una lipo fredda i valori di resistenza interna è più alta , e man mano che la batteria si carica il valore letto dal mio cb ( ti ricordo che fa la lettura minuto dopo minuto )come resistenza interna diminuisce ( per esempio dopo 15 minuti di carica ) ?......
io questi cambi di valore di resistenza interna di ogni singola cella durante una carica , lo associo a cambi di temperatura che le celle sentono minuto dopo minuto .....
e nel caso di una batteria in storage e ripresa dopo un mese e messa sotto carica , dove leggo dei valori altissimi di resistenza interna lo associo a " indurimento / essicamento del materiale chimico " o ioni o o qualsiasi altra cosa che c'è dentro la batteria ......
cosa ne pensi ?
questo ora non è teoria ma pratica pura e semplice ........