TME, azienda specializzata nella progettazione di soluzioni di misura, ha realizzato per Skeletontech, azienda estone produttrice di supercondensatori e di ultracondensatori, un innovativo tester con moduli programmabili in funzione delle applicazioni, per misurare i parametri qualificanti di un supercondensatore: la capacità e la resistenza di serie equivalente (ESR)
I supercondensatori offrono un'alta densità di potenza e un'adeguata densità energetica che li rende adatti a essere impiegati in applicazioni in cui le batterie presentano un breve periodo di vita e i condensatori convenzionali non offrono energia sufficiente. I supercondensatori hanno un elevatissimo ciclo di vita arrivando ad avere un milione di cicli di ricarica e, a fronte della maggiore efficienza rispetto alle batterie convenzionali, presentano ottime prestazioni sopportando un’elevatissima escursione dai 70 °C a -40 °C, che li rendono adatti a fornire energia e alle basse temperature con un impatto minimo sull'efficienza. I supercondensatori vantano, inoltre, una tecnologia che non è inquinante e che non rilascia metalli tossici nell’ambiente.
I supercondensatori o ultra-condensatori sono condensatori elettrochimici a doppio strato (EDLC) normalmente costituiti da un dielettrico di carbonio che, nelle tecnologie più sofisticate, è realizzato con grafene; quest’ultimo, caratterizzato da una natura porosa, è in grado di accumulare cariche e sfruttare così i cosiddetti fenomeni elettrici a doppio strato.
I supercondensatori sono, inoltre, caratterizzati da un processo di carica/scarica veloce, che consente di sostenere alte correnti senza alcun danno alle parti interne del dispositivo. Oltre alla elevata capacità di accumulo di energia, uno dei vantaggi principali offerti dai supercondensatori è rappresentato dal valore della resistenza di serie equivalente (ESR), principale contribuente alla perdita di potenza durante la carica e la scarica del condensatore, inferiore rispetto a quello delle batterie. La misurazione della capacità e della ESR è, dunque, essenziale nella valutazione delle prestazioni di un supercondensatore e della sua idoneità per applicazioni specifiche. Tuttavia, uno svantaggio significativo è imputabile alla tensione per cella che risulta abbastanza contenuta (un valore tipico è 2,7 V) e che costringe ad avere il collegamento in serie di diverse celle in una varietà di applicazioni comuni, con implicazioni svantaggiose sia in termini di ingombro sia di dispersioni. Inoltre, a causa dei loro fenomeni interni di rilassamento chimico, i supercondensatori non sono adatti per l'uso in circuiti CA o ad alta frequenza.
Per i condensatori convenzionali la capacità e l'ESR sono misurate di routine con un metodo diretto, utilizzando sistemi di misura a quattro fili come un ponte RLC.
La tecnica di misura della capacità più diffusa per i supercondensatori si basa sulla loro peculiare caratteristica di scaricare la tensione del condensatore oltre al 50% della tensione iniziale in un tempo pari alla costante di tempo. Dalla misura di tale tempo di scarica e conoscendo il valore della resistenza di scarica che dipende dall'impostazione di misura adottata – che è quindi noto – si può ottenere la misura di capacità C . La caduta di ESR può essere misurata come la caduta di tensione nell’intervallo compreso tra la chiusura dell’interruttore, istante 0, e quello in cui la tensione e la corrente si sono stabilizzati, pochi microsecondi dopo, diviso per la corrente misurata subito dopo la chiusura dell'interruttore. Il valore di corrente è dato dalla tensione rilevata attraverso il supercondensatore diviso per la resistenza di trasmissione. Tuttavia, tale soluzione spesso tenta di misurare la capacità e l’ESR utilizzando piccoli segnali AC ad alte frequenze, mentre i supercondensatori sono componenti in corrente continua la cui capacità diminuisce rapidamente a frequenze superiori alle centinaia di Hz.
I parametri qualificanti del supercondensatori di alta qualità devono, quindi, essere misurati con approcci alternativi, basati su tecniche specializzate, che possono essere implementate sfruttando apparecchiature elettroniche di base e software dedicati.
Il rigore e la specializzazione necessari alle misure di capacità e di ESR ha spinto Skeleton a invocare la competenza di TME nello sviluppo di soluzioni di misura per progettare e implementare il proprio tester automatico programmabile per la sua intera flotta di supercondensatori e ultracondensatori, come quelli a grafene che costituiscono la frontiera della tecnologia.
La stazione di misura di sviluppata da TME
Le misure effettuabili sui supercondensatori (Device Under Test - DUT) con la stazione di misura sviluppata da TME sono fondamentalmente tre:
- misurazione della resistenza di isolamento (tra un polo del DUT e la sua carcassa) mediante HI-POT Tester;
- misurazione della capacità;
- misurazione della resistenza serie equivalente (ESR) (metodo dei 10 ms).
La stazione di misura è in grado di regolare e misurare la corrente e la tensione con una accuratezza pari o migliore dell'1%. La sezione destinata all’acquisizione della tensione DC esegue misurazioni con risoluzione pari a 5 mV e a una velocità di campionamento pari o superiore a 10 kSample/s.
Le misurazioni dei parametri dei moduli e dei gruppi di saldatura sono effettuate con lo stesso metodo. Pertanto, l ’apparecchiatura è in grado di eseguire in automatico misurazioni di ESR e di capacità per un pacchetto di saldatura di un supercondensatore senza l’equipaggiamento dell’elettronica. Durante il collegamento dei cavi le correnti di innesco sono inibite, poiché il gruppo-condensatori e l'alimentazione/carico hanno potenziali diversi.
Gli algoritmi di misura dell’apparecchiatura sono sviluppati su una speciale piattaforma ottenuta grazie all’azione combinata dei prodotti LabVIEW e TestStand entrambi forniti da National Instruments (NI).
Funzionamento della stazione
Nella stazione di misura realizzata le fasi precedenti alle misurazioni sono completamente automatizzate, infatti l’apparecchiatura è in grado di leggere il codice seriale della saldatura posteriore e di dedurre i parametri di configurazione e di prova. L’interfaccia semplice e user-friendly permette di selezionare mediante apposito menù la scelta tra i diversi protocolli di prova disponibili per i differenti moduli. Una volta selezionato il protocollo, i valori di test e l’associato algoritmo di elaborazione sono configurati in maniera automatica.
Il tester può operare in configurazione “Amministratore” o “Utente”. La prima conferisce i poteri di modificare e/o aggiungere protocolli di test, modificare e/o aggiungere menù, eseguire prove, modificare le informazioni di stampa. La modalità “Utente”, invece, è specificatamente indirizzata all'operatore di produzione, non offrendo possibilità di effettuare modifiche o aggiunte, consentendo esclusivamente la selezione dei test da eseguire.
L’apparecchiatura è facile da usare per gli operatori di produzione. L'operatore ha il compito di selezionare il menù idoneo per lo specifico DUT, collegare il DUT all’apparecchiatura, premere il pulsante “start” e attendere il risultato. Se il modulo è completamente funzionante, il tester esegue automaticamente tutte le prove selezionate senza ulteriori interventi umani. In risposta alle specifiche del cliente, la stazione esibisce un tempo di test per un modulo al più 15 minuti, e consente di espletare quattro moduli all'ora, includendo in tale stima anche il tempo necessario per il collegamento dei moduli all’apparecchiatura stessa. La stazione di misura esibisce in modo visibile l’esito delle misurazioni.
Attraverso l’interfaccia grafica l’operatore visualizza il risultato del test: superato o fallito. Peculiarità della stazione di misura è operare in sicurezza. Infatti, il DUT durante i test è protetto da un coperchio di sicurezza che impedisce i contatti diretti. Infatti, la stazione è stata progettata per testare dei DUT che arrivano anche a 170 V con prova di isolamento effettuata a 5000 V. Il coperchio viene sbloccato solo quando il test è ultimato ed è stato eseguito il controllo sul valore della tensione residua dopo l’ultima scarica. Per finalità di sicurezza, un’apposita interfaccia indica la condizione di carica del DUT ed emette un segnale acustico se l’apparecchiatura non è in grado di scaricarlo.
Il tester può operare in modalità debug, nella quale fornisce informazioni più dettagliate del Device Under Test, lavorando a livello di sottoinsiemi (o celle), tra le quali la tensione ai capi della cella di ogni superconduttore, misurata alla frequenza di 10 Hz. Tali informazioni, unitamente ad altre sulla diagnostica del DUT, come ad esempio il corretto bilanciamento delle celle, sono raccolte via CANbus attraverso la lettura di messaggi che il supercondensatore invia all’esterno, quindi anche alla stazione di collaudo automatica.
La stazione permette anche la programmazione dei DUT attraverso un opportuno modulo presente in essa. Se il DUT ha superato tutte le prove e rientra nelle tolleranze consentite, il tester genera un numero di serie per il modulo testato e cambia gli indirizzi del CANbus in base a tale numero di serie. Il test viene concluso con la stampa di un verbale di prova che accompagna il DUT all'imballaggio, salvando su server una relazione più dettagliata.
TME
Via Carlo Alberto Dalla Chiesa, 21,
81050 Portico di Caserta CE
