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Ecco un nuovo post sulla tecnica di immagazzinamento dell'energia.
La batteria al litio.
Ebbene cercherò di darvi alcune spiegazioni su come lavorano in modo "mangereccio"... ovvero semplice e comprensibile senza entrare nel tecnico.
Immaginate una batteria stilo, avete un polo positivo e uno negativo.
Il litio che c'è dentro scorre tra il positivo e il negativo o meglio... gli ioni di litio.
Sono tante piccole cariche che se la batteria sarà carica saranno tutte posizionate da un lato: per immaginare cosa fanno pensate che siano tutte raggruppate attorno al terminale negativo... nella fase di scarica gli ioni si spostano dal terminale negativo verso il terminale positivo.
Quando si caricano le batterie al litio... ogni singola cella ha un valore nominale di 3,7Volts, quando sono scariche al 100% sono intorno ai 2,8-2,7Volts... quando sono cariche al 100% invece la tensione può salire fino a 4,2/4,3Volts.
DANNI SE SI CARICANO/SCARICANO TROPPO
Accade però una cosa brutta... se le batterie si scaricano troppo o si caricano troppo tutti gli ioni contenuti in essa si spostano troppo da una parte o dall'altra e non ci sono più collegamenti fisici dentro la batteria per fare il percorso inverso.
Ovvero... se la scaricate troppo il rischio è che quando andrete a caricarla non riesca a caricarsi
In pratica dentro è come se ci fosse un magnete (non è così ma serve per comprendere meglio) che attira gli ioni a se... ma se sono troppo distanti non riuscirà ad attrarli.
Ecco perchè scaricare troppo una batteria al litio la può danneggiare e renderla inservibile.
Allo stesso tempo anche caricarla troppo crea lo stesso problema (ma meno della scarica comunque).
Per ovviare a questo hanno inventato i cosiddetti BMS: Battery Management System, ovvero dei circuiti che fanno il controllo attivo delle batterie.
Come funziona?
Verificano al posto vostro la tensione di carica e di scarica della batteria ed evitano che si scarichi troppo o si carichi troppo.
SONO DEI SUPERVISORI
Si dice sempre che le batterie dovrebbero stare tra il 20 e l'80% della carica per non danneggiarsi.
Infatti il BMS fa si che la batteria (o cella come la chiamano quasi tutti) stia tra 3Volts e 4,2Volts.
3 Volts sarebbe il valore di massima scarica (anzichè arrivare a 2,5-2,8V)... dopo fa si che stacchi la tensione ed escluda la batteria.
4,2 Volts è la massima carica (anzichè arrivare a 4,3V).
Anche se si può scendere o salire ancora evita che si possa fare per mantenere l'integrità della batteria.
BATTERIE GROSSE: come si fanno?
Come per le batterie al piombo... si parla di celle, nelle piombo ogni cella è da 2 volts, qui sono da 3,7.
Per fare una batteria più grande si utilizzano paralleli e serie, come si fa per qualsiasi batteria.
Quindi per una batteria che dovrà dare circa 12 volts avremo 3 celle da 3,7, che daranno come batteria scarica 9 volts, batteria ancora in ottimo stato: 11,1 volts, batteria totalmente carica 12,6.
Se si devono utilizzare nell'automotive come batteria servizi è facile trovarne con 4 celle: si avrà una tensione minima di 12 Volts, una tensione standard di 14,8 volts e una tensione massima di 16,8 volts.
Dimensioni e forma
Le batterie possono essere classicamente cilindriche (come le stilo ma più grosse), oppure a mattonella (come quelle dei cellulari).
La capacità è variabile, si va da pochi milliampere a molti ampere per singola batteria.
Io a casa ho un grosso accumulo che mi sono costruito ed ha delle celle da 3,7Volts con 48 batterie in parallelo da 2,5 Ampere cada una, il che fa una grossa batteria da 3,7Volts da 120 ampere, chiamiamole super celle.
Ho poi messo 14 Super celle in parallelo raggiungendo i 51,8 volts nominali.
In genere scarico tutto fino a 45volts (mai fino in fondo) e carico tutto fino a circa 58volts (mai fino al massimo teorico).
Poi uso l'energia che immagazzino per mandare un inverter che trasforma la corrente continua in 230Vac e ci alimento alcuni carichi dell'abitazione di notte.
Nelle auto come funziona?
Allo stesso modo.
Il numero di celle sono molto di più di 14 e la loro somma può arrivare a 400 volts o come per la Ioniq5 a 800 Volts.
Anche la forma è diversa dalla foto che vi ho messo... però se pensate che la Tesla ha proprio queste batterie piccole cilindriche capirete che hanno del potenziale.
Bilanciamento e tipo di carica
Perchè spesso si parla di carica veloce fino all'80%?
Da circa il 10-15% all'80% la carica assorbita dalle batterie è massima, ovvero tendono a prendere tutto quello che gli si dà.
Dopo l'80%... assorbiranno molta meno carica perchè iniziano ad essere sature... e il BMS gestirà l'assorbimento in modo che le celle che sono più cariche da quel punto in poi vadano a caricarsi meno, mentre quelle meno cariche andranno a prendere più carica.
Si chiama Bilanciamento... ovvero cercherà di portare tutte le celle al massimo della carica.
Questo lo fa andando "LUI" a mangiare un pò di corrente destinata alla cella cercando di fargliene assorbire meno.
Perchè si comporta così?
Semplice: nessun componente è perfettamente uguale ad un altro, per cui su tante celle ci sarà sempre qualche cella meno prestante e qualche cella che lo è di più.
Il trucco per sfruttarle bene è quello di riuscire a caricare anche quelle meno "vogliose" di essere caricate.
Ma può essere anche che tra una cella e l'altra ci sia differenza.
Ad esempio tra una cella che avrà 2,5 ampere ed una che ne avrà solo 2... quella con 2 ampere si caricherà prima di quella da 2,5... per cui quella da 2,5 non caricherà mai completamente.
Il BMS si occupa di caricare tutta anche quella... perchè se non lo fa quella cella non carica tenderà probabilmente poi a scaricarsi prima delle altre creando un problema e riducendo le prestazioni di tutto il pacco batteria.
CARICHE PARZIALI: si e volentieri
Le litio possono caricarsi al 100% ma vanno scaricate un pò per non danneggiarle nel tempo, si possono scaricare totalmente ma vanno caricate un pò per non danneggiarle allo stesso modo.
Se le si lascia la cella tra 3,4 e 3,8V manterranno la carica per anni senza alcun danno.
Una batteria al Litio si può usare, scaricare e caricare anche parzialmente... di fatto la loro vita utile è enorme.
Una piombo buona per fotovoltaico (non da starter come la batteria servizi) può reggere circa 500 scariche profonde al 50%... ma vanno caricate e scaricate totalmente altrimenti dopo poco avrete meno del 20% di carica sfruttabile o il danneggiamento della batteria stessa.
Una litio può reggere 1000-2000 scariche profonde senza perdere troppo (circa il 20-30% della sua capacità) ma può fare anche 3-5000 cicli di carica parziale senza cambiare poi molto (la qualità della batteria può influenzare questo dato in meglio o peggio)-
Nel caso di batteria per auto, nel caso in cui non sia più molto buona perchè ha perso il 30% della carica (e quindi dell'autonomia su strada) è ancora eccezionalmente buona per l'uso di stoccaggio per abitazione.
Esempio: una batteria da 64Kw di una Kona... di cui immagino si possa utilizzare attivamente 60Kw... dopo anni di utilizzo ipotizziamo sia usufribile di circa 40Kw solamente... vuol dire fare almeno 200 km in meno... un disastro vero?!?
Ma 40Kw di stoccaggio sono ancora usabili e per un'abitazione avanzerebbero e potrebbero accumulare e scaricare carica utile per altri 30 anni buoni.
Tenendo anche conto che in un'abitazione la scarica è lenta e non impulsiva come per un'auto.
Qui entra in gioco il riciclo dei pacchi batteria esausti "per le auto" ma non per il resto delle applicazioni...
FATTORE DI SCARICA e TEMPERATURA
Il fattore consigliato delle litio standard è di circa 1:1... ovvero se hanno un nominale di 2,5A, questo è il fattore di scarica massimo consigliato per la lunga durata.
In realtà le litio standard possono scaricarsi fino a fattori di scarica x2 o x3 senza grandi problemi.
Il fattore viene indicato con la lettera C (capacity c1, c10... ecc...)
La carica invece è consigliata x1 al massimo... una carica lenta è sempre preferibile.
Con scariche e cariche elevate... la batteria può scaldare un pò, per questo nelle auto sono spesso raffreddate ad aria o a liquido.
Le temperature rigide o troppo elevate non sono molto gradite e il rendimento della carica/scarica è inferiore.
TIPOLOGIE DI BATTERIE AL LITIO PIU' COMUNI
Litio standard (Li-ion), stabili, ottima densità di carica, bassa potenza di scarica (1-4C) e bassa potenza di carica (1C ) - 80% di utilizzo della capacità disponibile
Polimeri di Litio (Li-Po), meno stabili, eccezionale densità di carica, altissima potenza di scarica (50C o anche 80C in sistemi per modellismo), alta potenza di carica (10C), scaldano molto e devono essere gestite bene, spesso utilizzati nei sistemi Ibridi, pochi KW di accumulo associati a motori con tanti KW di potenza, raffreddati e talvolta associati anche a supercondensatori in supporto. - 80% di utilizzo della capacità disponibile
Litio ferro fosfato (Lifepo4), molto stabili, buona densità di carica e buona potenza di scarica, tensione molto ridotta come escursione, non sono preferibili in situazioni dove si richiede tanta potenza di scarica impulsiva, bassa densità di carica (occorre più spazio e peso per avere la solita energia immagazzinata rispetto alle altre soluzioni) - 90-95% di utilizzo della capacità disponibile.
CONCLUSIONI
Dopo questo chilometrico post... dovreste avere qualche idea più chiara di come funziona una batteria al Litio... alle vostre domande cercherò di rispondere.
Buoni Km elettrificati a tutti
La batteria al litio.
Ebbene cercherò di darvi alcune spiegazioni su come lavorano in modo "mangereccio"... ovvero semplice e comprensibile senza entrare nel tecnico.
Immaginate una batteria stilo, avete un polo positivo e uno negativo.
Il litio che c'è dentro scorre tra il positivo e il negativo o meglio... gli ioni di litio.
Sono tante piccole cariche che se la batteria sarà carica saranno tutte posizionate da un lato: per immaginare cosa fanno pensate che siano tutte raggruppate attorno al terminale negativo... nella fase di scarica gli ioni si spostano dal terminale negativo verso il terminale positivo.
Quando si caricano le batterie al litio... ogni singola cella ha un valore nominale di 3,7Volts, quando sono scariche al 100% sono intorno ai 2,8-2,7Volts... quando sono cariche al 100% invece la tensione può salire fino a 4,2/4,3Volts.
DANNI SE SI CARICANO/SCARICANO TROPPO
Accade però una cosa brutta... se le batterie si scaricano troppo o si caricano troppo tutti gli ioni contenuti in essa si spostano troppo da una parte o dall'altra e non ci sono più collegamenti fisici dentro la batteria per fare il percorso inverso.
Ovvero... se la scaricate troppo il rischio è che quando andrete a caricarla non riesca a caricarsi
In pratica dentro è come se ci fosse un magnete (non è così ma serve per comprendere meglio) che attira gli ioni a se... ma se sono troppo distanti non riuscirà ad attrarli.
Ecco perchè scaricare troppo una batteria al litio la può danneggiare e renderla inservibile.
Allo stesso tempo anche caricarla troppo crea lo stesso problema (ma meno della scarica comunque).
Per ovviare a questo hanno inventato i cosiddetti BMS: Battery Management System, ovvero dei circuiti che fanno il controllo attivo delle batterie.
Come funziona?
Verificano al posto vostro la tensione di carica e di scarica della batteria ed evitano che si scarichi troppo o si carichi troppo.
SONO DEI SUPERVISORI
Si dice sempre che le batterie dovrebbero stare tra il 20 e l'80% della carica per non danneggiarsi.
Infatti il BMS fa si che la batteria (o cella come la chiamano quasi tutti) stia tra 3Volts e 4,2Volts.
3 Volts sarebbe il valore di massima scarica (anzichè arrivare a 2,5-2,8V)... dopo fa si che stacchi la tensione ed escluda la batteria.
4,2 Volts è la massima carica (anzichè arrivare a 4,3V).
Anche se si può scendere o salire ancora evita che si possa fare per mantenere l'integrità della batteria.
BATTERIE GROSSE: come si fanno?
Come per le batterie al piombo... si parla di celle, nelle piombo ogni cella è da 2 volts, qui sono da 3,7.
Per fare una batteria più grande si utilizzano paralleli e serie, come si fa per qualsiasi batteria.
Quindi per una batteria che dovrà dare circa 12 volts avremo 3 celle da 3,7, che daranno come batteria scarica 9 volts, batteria ancora in ottimo stato: 11,1 volts, batteria totalmente carica 12,6.
Se si devono utilizzare nell'automotive come batteria servizi è facile trovarne con 4 celle: si avrà una tensione minima di 12 Volts, una tensione standard di 14,8 volts e una tensione massima di 16,8 volts.
Dimensioni e forma
Le batterie possono essere classicamente cilindriche (come le stilo ma più grosse), oppure a mattonella (come quelle dei cellulari).
La capacità è variabile, si va da pochi milliampere a molti ampere per singola batteria.
Io a casa ho un grosso accumulo che mi sono costruito ed ha delle celle da 3,7Volts con 48 batterie in parallelo da 2,5 Ampere cada una, il che fa una grossa batteria da 3,7Volts da 120 ampere, chiamiamole super celle.
Ho poi messo 14 Super celle in parallelo raggiungendo i 51,8 volts nominali.
In genere scarico tutto fino a 45volts (mai fino in fondo) e carico tutto fino a circa 58volts (mai fino al massimo teorico).
Poi uso l'energia che immagazzino per mandare un inverter che trasforma la corrente continua in 230Vac e ci alimento alcuni carichi dell'abitazione di notte.
Nelle auto come funziona?
Allo stesso modo.
Il numero di celle sono molto di più di 14 e la loro somma può arrivare a 400 volts o come per la Ioniq5 a 800 Volts.
Anche la forma è diversa dalla foto che vi ho messo... però se pensate che la Tesla ha proprio queste batterie piccole cilindriche capirete che hanno del potenziale.
Bilanciamento e tipo di carica
Perchè spesso si parla di carica veloce fino all'80%?
Da circa il 10-15% all'80% la carica assorbita dalle batterie è massima, ovvero tendono a prendere tutto quello che gli si dà.
Dopo l'80%... assorbiranno molta meno carica perchè iniziano ad essere sature... e il BMS gestirà l'assorbimento in modo che le celle che sono più cariche da quel punto in poi vadano a caricarsi meno, mentre quelle meno cariche andranno a prendere più carica.
Si chiama Bilanciamento... ovvero cercherà di portare tutte le celle al massimo della carica.
Questo lo fa andando "LUI" a mangiare un pò di corrente destinata alla cella cercando di fargliene assorbire meno.
Perchè si comporta così?
Semplice: nessun componente è perfettamente uguale ad un altro, per cui su tante celle ci sarà sempre qualche cella meno prestante e qualche cella che lo è di più.
Il trucco per sfruttarle bene è quello di riuscire a caricare anche quelle meno "vogliose" di essere caricate.
Ma può essere anche che tra una cella e l'altra ci sia differenza.
Ad esempio tra una cella che avrà 2,5 ampere ed una che ne avrà solo 2... quella con 2 ampere si caricherà prima di quella da 2,5... per cui quella da 2,5 non caricherà mai completamente.
Il BMS si occupa di caricare tutta anche quella... perchè se non lo fa quella cella non carica tenderà probabilmente poi a scaricarsi prima delle altre creando un problema e riducendo le prestazioni di tutto il pacco batteria.
CARICHE PARZIALI: si e volentieri
Le litio possono caricarsi al 100% ma vanno scaricate un pò per non danneggiarle nel tempo, si possono scaricare totalmente ma vanno caricate un pò per non danneggiarle allo stesso modo.
Se le si lascia la cella tra 3,4 e 3,8V manterranno la carica per anni senza alcun danno.
Una batteria al Litio si può usare, scaricare e caricare anche parzialmente... di fatto la loro vita utile è enorme.
Una piombo buona per fotovoltaico (non da starter come la batteria servizi) può reggere circa 500 scariche profonde al 50%... ma vanno caricate e scaricate totalmente altrimenti dopo poco avrete meno del 20% di carica sfruttabile o il danneggiamento della batteria stessa.
Una litio può reggere 1000-2000 scariche profonde senza perdere troppo (circa il 20-30% della sua capacità) ma può fare anche 3-5000 cicli di carica parziale senza cambiare poi molto (la qualità della batteria può influenzare questo dato in meglio o peggio)-
Nel caso di batteria per auto, nel caso in cui non sia più molto buona perchè ha perso il 30% della carica (e quindi dell'autonomia su strada) è ancora eccezionalmente buona per l'uso di stoccaggio per abitazione.
Esempio: una batteria da 64Kw di una Kona... di cui immagino si possa utilizzare attivamente 60Kw... dopo anni di utilizzo ipotizziamo sia usufribile di circa 40Kw solamente... vuol dire fare almeno 200 km in meno... un disastro vero?!?
Ma 40Kw di stoccaggio sono ancora usabili e per un'abitazione avanzerebbero e potrebbero accumulare e scaricare carica utile per altri 30 anni buoni.
Tenendo anche conto che in un'abitazione la scarica è lenta e non impulsiva come per un'auto.
Qui entra in gioco il riciclo dei pacchi batteria esausti "per le auto" ma non per il resto delle applicazioni...
FATTORE DI SCARICA e TEMPERATURA
Il fattore consigliato delle litio standard è di circa 1:1... ovvero se hanno un nominale di 2,5A, questo è il fattore di scarica massimo consigliato per la lunga durata.
In realtà le litio standard possono scaricarsi fino a fattori di scarica x2 o x3 senza grandi problemi.
Il fattore viene indicato con la lettera C (capacity c1, c10... ecc...)
La carica invece è consigliata x1 al massimo... una carica lenta è sempre preferibile.
Con scariche e cariche elevate... la batteria può scaldare un pò, per questo nelle auto sono spesso raffreddate ad aria o a liquido.
Le temperature rigide o troppo elevate non sono molto gradite e il rendimento della carica/scarica è inferiore.
TIPOLOGIE DI BATTERIE AL LITIO PIU' COMUNI
Litio standard (Li-ion), stabili, ottima densità di carica, bassa potenza di scarica (1-4C) e bassa potenza di carica (1C ) - 80% di utilizzo della capacità disponibile
Polimeri di Litio (Li-Po), meno stabili, eccezionale densità di carica, altissima potenza di scarica (50C o anche 80C in sistemi per modellismo), alta potenza di carica (10C), scaldano molto e devono essere gestite bene, spesso utilizzati nei sistemi Ibridi, pochi KW di accumulo associati a motori con tanti KW di potenza, raffreddati e talvolta associati anche a supercondensatori in supporto. - 80% di utilizzo della capacità disponibile
Litio ferro fosfato (Lifepo4), molto stabili, buona densità di carica e buona potenza di scarica, tensione molto ridotta come escursione, non sono preferibili in situazioni dove si richiede tanta potenza di scarica impulsiva, bassa densità di carica (occorre più spazio e peso per avere la solita energia immagazzinata rispetto alle altre soluzioni) - 90-95% di utilizzo della capacità disponibile.
CONCLUSIONI
Dopo questo chilometrico post... dovreste avere qualche idea più chiara di come funziona una batteria al Litio... alle vostre domande cercherò di rispondere.
Buoni Km elettrificati a tutti
