Come scegliere ed installare Batterie al Litio in Barca o in Camper

15 January 2020 - autore

Installazione batterie LiFePO4

Nell’articolo precedente, che vi consiglio di leggere cliccando qui se non l’avete già fatto, vi ho parlato delle differenze e dei vantaggi delle batterie al Litio-Ferrofosfato (LiFePO4) rispetto alle tradizionali batterie al Piombo (acido liquido, AGM o GEL).

In questa seconda puntata vi parlerò invece dei vari tipi di batterie al Litio che si trovano in vendita, e vedremo anche cosa controllare e come predisporre l’impianto elettrico, affinché queste batterie vengano gestite al meglio e ne venga preservata la durata nel tempo.

Iniziamo col dire che le batterie al Litio, che hanno innegabili vantaggi come già detto, sono un po’ più complesse delle loro cugine al Piombo. Possono venire danneggiate, e quindi avere una vita molto più breve, se si verificano alcune particolari condizioni, che vi elenco qui di seguito:

  1. Se vengono sottoposte ad una carica con tensioni troppe elevate

  2. Se la tensione di carica non viene interrotta o per lo meno notevolmente abbassata non appena le batterie raggiungono il 100% (in altre parole, se vengono sovraccaricate)

  3. Se vengono mantenute cariche al 100% per lunghi periodi di tempo

  4. Se la tensione scende sotto una soglia minima consentita

  5. Se vengono ricaricate quando la temperatura è troppo bassa (solitamente sotto gli 0 gradi centigradi).

Tutti questi punti indicano criticità piuttosto importanti che se non sono controllate ed evitate, possono accorciare di moltissimo la vita di una costosissima batteria al Litio.

Pensate che è sufficiente scaricare anche una sola volta oltre il limite minimo consentito la vostra costosissima batteria al Litio per renderla inutilizzabile.

Il BMS controlla tutto

Dunque serve un dispositivo elettronico che monitorizzi costantemente i parametri vitali delle batterie al Litio, affinché queste possano rimanere sempre in buona salute. Questo aggeggio si chiama Battery Management System, più comunemente conosciuto come BMS.

Ogni batteria al Litio (o banco di batterie al Litio) DEVE avere un BMS che controlla tutto ed interviene in caso rilevi delle anomalie in uno di quei valori così importanti che abbiamo visto poco fa.

Ma cosa fa esattamente questo BMS?

  • Controlla che la tensione della batteria non salga o non scenda oltre i valori massimi/minimi consentiti e, nel caso in cui questo succeda, provvede a staccarla dal resto del circuito prima che subisca danni irreversibili.

  • Controlla che la temperatura della stessa batteria non aumenti oltre un certo livello, altrimenti la scollega

  • Controlla che durante la fase di ricarica, la temperatura non sia sotto la soglia critica (circa zero gradi centigradi), altrimenti ne interrompe la carica (la scarica, invece, può continuare fino a temperature ben inferiori)

  • Di solito provvede anche alla costante verifica del bilanciamento della tensione delle varie celle che compongono la batteria.
    Infatti una batteria al LiFePO4 è composta da 4 celle identiche, ciascuna da 3,2 Volt nominali, collegate tra di loro in serie (4 celle da 3,2 Volt nominali, fanno in totale una batteria da 12,8 Volt nominali). Queste 4 celle devono avere sempre la stessa esatta tensione: sono ammesse solo piccole differenze dell’ordine di qualche centesimo di Volt e nel caso in cui queste differenze aumentino, il bilanciatore provvederà, in qualche modo che poi vedremo, ad equalizzare i valori.

Insomma, questo BMS è una vera e propria sentinella, sempre attenta a controllare che tutti i parametri vitali della batteria siano nei limiti di progetto.

Di BMS se ne trovano in commercio molti tipi, con diverse caratteristiche, qualità più o meno elevata e naturalmente a costi molto differenti.

Pensate che i prezzi ad oggi possono variare da circa 5-7 dollari, fino a 300 dollari!

Tra uno economico ed uno più costoso le differenze non riguardano solo la minore o maggiore affidabilità, ma anche le caratteristiche tecniche. Il BMS è spesso un componente trascurato, di cui a volte l’utente medio non conosce nemmeno l’esistenza, che tuttavia è di importanza fondamentale. In caso di guasto del BMS, perderete completamente l’uso della batteria, e nei casi peggiori potreste anche incorrere in guai più seri.

Citerò ad esempio solo alcuni aspetti (non tutti) che possono fare la differenza tra un BMS buono ed uno mediocre.

  1. Bilanciamento delle celle

    Il bilanciamento della tensione fra le celle della batteria può essere di tipo “passivo” oppure “attivo”. Nel primo caso - tipico dei BMS più economici - il BMS provvede a scaricare per mezzo di resistenze, le celle con tensione più alta fino a che queste si allineano a quella con tensione inferiore.

    Il bilanciamento attivo, invece, richiede componenti elettronici più sofisticati, che durante la fase di carica dirottano alle celle più scariche parte dell’energia destinata a quelle più cariche, finché la carica non viene equalizzata completamente.

    I BMS più economici a volte non hanno nemmeno un circuito di bilanciamento delle celle.

  2. Massima corrente sopportabile

    Nel precedente articolo sulle batterie al Litio, se vi ricordate, vi avevo detto che la batteria LiFePO4 può accettare correnti elevatissime sia in carica che in scarica. Le batterie migliori possono sopportare correnti di scarica continue anche superiori a 5C (cioè il 500% della capacità della batteria → 500 Ampere per una batteria da 100 Ah!!!) e correnti in carica di 1C (100 Ampere per una batteria da 100 Ah).

    Molti BMS hanno un limite di corrente di soli 50 Ampere, dunque questa sarà la corrente massima che la batteria potrà erogare, o con cui potrà essere caricata, anche se la batteria fosse – ad esempio - da 200 Ah.

    Quindi attenzione, perché in questo caso il BMS costituirà il collo di bottiglia e abbasserà le prestazioni dell’intero sistema. Ma come, ci siamo appena comprati 2000 euro di batterie al Litio e poi scopriamo che non possiamo nemmeno fare il caffè con la macchinetta (N)espresso, oppure avviare il motore diesel in caso di necessità? E’ un po’ come se comprassimo un’auto sportiva con motore da 300 CV  e la usassimo solo per girare in città.

  3. Presenza o meno di sensori di temperatura

    Come già detto in precedenza, le batterie al Litio sono particolarmente sensibili alle temperature estreme: soffrono se vengono tenute a temperature superiori ai 40 gradi, ma soprattutto si rovinano irreversibilmente se vengono caricate a temperature sotto zero. Per questo motivo il BMS deve avere dei sensori di temperatura che proteggono le batterie nei casi sopra citati. E’ noto che alcuni BMS molto economici non hanno alcun sensore di temperatura.

Tipi di batterie al Litio-Ferrofosfato in commercio

Oggi si trovano in commercio batterie LiFePO4 che richiedono l’installazione di un BMS esterno, e batterie che invece hanno già un BMS al loro interno.

Queste ultime vengono chiamate “Drop In”, oppure anche “Plug and Play”, proprio perché il marketing delle aziende produttrici vorrebbe farle passare come perfette sostitute delle vecchie batterie al Piombo: le compri, le metti al posto di quelle vecchie e tutto funzionerà come prima.

E’ tutto vero quello che dicono? Naturalmente no, e fra poco capiremo anche il perché.

Drop In o BMS esterno?

Quindi la prima cosa da decidere, prima di fare l’acquisto, è quale tipo di batteria dobbiamo comprare. BMS integrato oppure separato? Generalmente parlando, le batterie con BMS integrato sono effettivamente più comode perché senza dubbio semplificano l’impianto.

Però installare un BMS esterno rende il sistema più versatile e scalabile, cioè sarà più semplice e probabilmente anche meno costoso realizzare aggiornamenti e miglioramenti in futuro. Senza contare che, nel malaugurato caso in cui dovessero rompersi il BMS o le celle di una batteria, si potrebbe intervenire sostituendo il solo pezzo guasto, mentre nel caso delle batterie Drop In saremmo costretti a buttare via tutto: batteria e BMS.

L’altro vantaggio a favore del BMS separato è che in questo caso siamo liberi di scegliere il BMS che ci piace di più, o dalle caratteristiche tecniche che più ci soddisfano e non saremo costretti a prendere “alla cieca” quello che il produttore decide di mettere all’interno delle batterie, di cui spesso si ignora l’effettiva qualità. Specialmente nelle batterie Drop In più economiche, di marche cinesi più o meno sconosciute, spesso è proprio il BMS il componente che viene sacrificato per avere il prezzo competitivo. Tanto il consumatore finale non lo vede e spesso non sa nemmeno che esista. I risparmi nella produzione delle batterie LiFePO4 si realizzano quasi sempre sui componenti elettronici (BMS) e sull’assemblaggio.

A tal proposito, se volete perdere un po’ di tempo, su Youtube si trovano video in cui alcune batterie al litio economiche vengono acquistate sui vari siti tipo AliExpress, eBay ecc. e vengono aperte per verificare cosa c’è all’interno. Le sorprese sono interessanti. Spesso l’apertura del contenitore esterno rivelerà BMS da quattro soldi, per non parlare dell’assemblaggio delle varie celle, realizzato con busbar sottilissimi di alluminio invece che rame, cavi di sezione non adeguata alle correnti in gioco, ecc. ecc. Guardate la foto qui sotto, prelevata da un fotogramma di un video su Youtube:

Batteria al litio aperta

Anche il limite di corrente di cui parlavo prima è tipico della ineguatezza dell’elettronica contenuta all’interno delle batterie Drop In. Nello specifico, è causato quasi sempre dai contattori (i relay che staccano la batteria in caso di problemi) che non reggono potenze molto elevate. Per aggirare in parte questo problema, se pensate di acquistare batterie di questo tipo, considerate che sarà meglio prendere per esempio 2 batterie da 100 Ah e collegarle in parallelo, piuttosto che prenderne una sola da 200 Ah. Infatti nel primo caso il valore di corrente massima sarà dato dalla somma delle correnti accettate dalle singole batterie in parallelo (esempio: 50 + 50 = 100 Ampere).

Comunque sia, l’installazione di batterie al Litio che richiedono un BMS esterno secondo me è sempre preferibile, anche se richiede uno sforzo progettuale maggiore.

In questo caso, un BMS potrà controllare un banco intero di batterie in serie/parallelo. Non solo potrete scegliere il BMS che volete, ma quasi sicuramente questo potrà comunicare attivamente con gli altri componenti del sistema (caricabatterie, inverter, staccabatterie e quant’altro) per comandarne accensione e spegnimento, assicurando in questo modo una vita molto lunga alle vostre preziosissime batterie.

Come installare le batterie al Litio-Ferrofosfato

Verifiche all’impianto elettrico

Le batterie al Litio sono anni luce avanti rispetto a quelle al Piombo, ma sono più delicate sotto certi aspetti e non tollerano che la tensione venga mantenuta oltre determinati valori per lunghi periodi di tempo.

Caricarle è molto più semplice rispetto alle batterie al Piombo, in quanto non servono algoritmi a tre stadi (bulk, absorption e float), ma basta applicare ai loro poli una tensione costante che di solito è di 14,2 Volt. Non appena la tensione della batteria raggiungerà questo valore, sarà carica al 100% ed il processo di carica dovrà essere interrotto nel più breve tempo possibile. Cosa significa questo? Che le batterie al Litio non necessitano di alcuna fase di Float (mantenimento). Se il vostro apparato di ricarica vuole proprio che sia impostata una tensione di float, potete impostarla a 13,5 Volt, ma sarebbe meglio evitare di mantenerle a questi livelli di tensione per lunghi periodi (giorni o settimane) in quanto, come già detto nell’articolo precedente, non amano rimanere al 100% di carica per lungo tempo. Utilizzare batterie al Litio in questo modo significa ridurre anche significativamente la loro vita utile.

Nel caso dobbiate utilizzarle per settimane o mesi senza farle ciclare, cioè sempre collegate ad un caricabatterie, sarebbe altamente consigliabile mantenerle ad una tensione di 13,3 Volt, corrispondente ad una SOC (State Of Charge, cioè un livello di carica) del 90% circa.

Qui sotto potete vedere una tabella che associa la tensione della batteria al corrispondente stato di carica.

LiFePO4 SOC vs Voltage

Attenzione, non trascurate questo aspetto, perché è stato dimostrato che per le batterie LiFePO4 è più deleteria una prolungata sovraccarica o un lungo mantenimento al 100% di SOC, piuttosto che un costante ciclaggio molto profondo, fino al 10% di SOC. Le batterie al Litio sono fatte per essere caricate e scaricate in continuazione.

Cosa significa per noi questo, in termini pratici? Significa che i nostri dispositivi caricabatterie, di qualsiasi tipo essi siano e cioè non solo il caricabatterie a 220 Volt, ma anche l’alternatore, il regolatore dei pannelli solari, ecc. vanno verificati ed impostati correttamente (se lo consentono).

Verifica del caricabatterie a 220 Volt o dei regolatori di carica solari/eolici ecc.

I caricabatterie recenti hanno ormai quasi tutti un programma di carica adatto alle batterie al Litio, che comunque andrebbe sempre verificato rispetto ai valori che vi ho scritto qui sopra. Alcune volte, infatti, i produttori di caricabatterie sbagliano clamorosamente i programmi predefiniti per la carica delle LiFePO4. Segno che sulle batterie al Litio-Ferrofosfato c’è ancora molta gente (anche tra gli addetti ai lavori) che ci capisce ben poco. Nei caricabatterie migliori esiste la possibilità di impostare anche manualmente tutti i parametri di carica. Se il vostro caricabatterie è uno di questi, vi consiglio di impostarlo in questo modo:

  • Tensione di bulk/boost/absorption (di solito vengono usati questi termini): 14,2 Volt

  • Tempo di Absorption: va impostato al valore più basso possibile. Teoricamente andrebbe completamente eliminato, quindi un valore zero andrebbe benissimo. Se il vostro caricabatterie vi obbliga ad impostare un tempo, scegliete quello più basso possibile ed impostate una tensione di bulk/absorption di 14,1 Volt invece che 14,2.

  • Tensione di Mantenimento/Float: 13,5 Volt o leggermente inferiore. Normalmente il valore di 13,5 Volt corrisponde ad una carica del 100% quando la batteria al Litio è a riposo. Quindi se impostate questo valore, le batterie rimarranno sempre al 100% fintanto che il caricabatterie sarà collegato. Se pensate di lasciare le batterie collegate al caricabatterie per lunghi periodi di tempo, sarebbe meglio abbassare il valore a 13,3 o 13,4 Volt, corrispondente ad una SOC del 90-95%. Ricordatevi che una batteria al Litio è sempre meglio mantenerla un po’ scarica, piuttosto che sovraccaricarla o tenerla al 100% per lunghi periodi. In caso di inutilizzo prolungato, le batterie dovrebbero essere lasciate a temperatura compresa tra i 10 e i 25 gradi, scollegate, al 40% - 60% di carica. Questo è il modo migliore per conservarle

Verifica dell’alternatore del motore

Adeguare un alternatore è una faccenda più complessa

Gli alternatori standard non hanno nessuna possibilità di regolare le tensioni di uscita e i tempi di applicazione. Solo alcuni alternatori dotati di regolatori di carica esterni possono farlo, ma il 99% degli alternatori installati sui nostri mezzi hanno un semplice regolatore di tensione incorporato al loro interno, che è abbastanza stupido e si limita a fornire in uscita una tensione di circa 14,5 Volt (può variare a seconda del modello di alternatore, dai 14,2 ai 14,7 Volt). Quindi tensione di boost/absorption il più delle volte troppo elevata per il Litio, e soprattutto nessuna fase di Float.

Se per le batterie al Piombo questo non è un grosso problema, per quelle al Litio invece lo è, per i motivi di cui ho già abbondantemente parlato.

Caricare batterie al Litio per mezzo dell’alternatore, oltretutto, potrebbe causare anche dei problemi all’alternatore stesso, poiché queste durante la fase di carica assorbono correnti elevatissime. Questo è uno dei loro vantaggi principali, in quanto proprio per questo si ricaricano in tempi brevissimi, ma potrebbe portare l’alternatore a lavorare per lunghi periodi a potenza massima. Gli alternatori che equipaggiano di serie i nostri motori non sono progettati per questo superlavoro e quindi possono surriscaldarsi fino a bruciarsi.

Volete sapere un altro problema che potreste avere caricando le vostre batterie al Litio con l’alternatore? Beh, potrebbe darsi che il BMS stacchi la batteria per qualche motivo particolare. Ad esempio, perché è carica al 100% o perché la tensione è troppo elevata. Bene, sappiate cha all’alternatore non piace affatto essere scollegato improvvisamente e brutalmente dal carico, mentre sta erogando potenza. Il più delle volte questa azione si traduce in un picco di tensione molto alto (in gergo si chiama spike), che può perfino arrivare a centinaia, migliaia di Volt di durata brevissima, nell’ordine dei millisecondi, ma che sarà sufficiente a bruciare i diodi dell’alternatore e - forse peggio - a distruggere i dispositivi elettronici che avete a bordo!

Tutti questi problemi non sono insormontabili, ma devono essere studiati, affrontati e risolti.

Sono così tante le variabili, che per evitare di stordirvi con troppe informazioni ravvicinate preferisco che digeriate quanto detto finora. Nel prossimo articolo vedremo le soluzioni possibili per caricare in modo ottimale le batterie al Litio usando l’alternatore. Il tutto senza accorciare la vita delle batterie e senza friggere l’alternatore.

 

A breve verrà anche pubblicato il secondo video sul canale Youtube.

Stay tuned!

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