La batteria: un sistema di alimentazione parte proprio da qui

Le aziende di tutto il mondo puntano ormai nella ricerca per creare i migliori sistemi di batterie. I grandi produttori di celle stanno spingendo le conoscenze sulla chimica al fine di ottenere elementi il più possibile sicuri, duraturi e performanti.

La continua ricerca e sviluppo di nuove sostanze chimiche sta consentendo la scoperta di nuovi comportamenti, in prospettiva di un ambiente più pulito con meno inquinamento. Non basta solo la ricerca: accanto a essa occorre un solido impianto tecnico per implementare ottimi approvvigionamenti e adottare test di misura con apparecchiature estremamente sofisticate.

Specialind offre una profonda eccellenza ingegneristica per mettere a disposizione dei clienti i più avanzati sistemi di batterie industriali, civili e militari.

La qualità del sistema comincia da qui: tipologie e costi

Esiste una batteria per ogni determinata applicazione. E’ un’affermazione vera e realistica che prevede l’utilizzo di una certa tipologia di cella a seconda delle esigenze dell’utenza finale.

Applicazioni di trasporti, di backup, d’illuminazione, di comunicazioni, ognuna deve essere trattata diversamente, in dipendenza del carico applicato, del periodo di utilizzo e delle necessità energetiche. Seppur estremamente diverse, esse hanno un fattore in comune, quello della richiesta di prestazioni elevate e di energia sempre pronta e disponibile, quando serve.

Nella maggior parte delle volte i clienti chiedono, da una batteria, la giusta potenza su richiesta, un lungo ciclo di vita, un’alta densità di energia e, possibilmente, un processo di ricarica rapida. Per soddisfare tutti questi requisiti l’azienda deve garantire la disponibilità di un prodotto altamente efficiente e potente, ma allo stesso tempo sicuro.

Il valore aggiunto è dato da un ampio assortimento di batterie al litio da 24, 36 e 48 volt che copre, praticamente, tutte le richieste del cliente. La qualità delle batterie è altamente agevolata dai progressi raggiunti dalla tecnologia e, come si evince dal grafico della figura 1, esse sono sempre più performanti e contengono sempre più energia, a parità di peso e ingombro.

Anche i costi seguono un trend inversamente proporzionale, grazie al mercato sempre più in espansione e alla domanda sempre più elevata. Nel 2005 la densità di energia ha raddoppiato il suo valore rispetto al 1990 e si pensa che già dal 2025 tale valore possa addirittura quadruplicare, per poi espandersi ulteriormente dal 2030.

Figura 1: la densità di energia nelle batteria aumenta sempre più

Gestire alte correnti

La gestione di una corrente fino a 5 Ampere è cosa semplice. Diverso è il controllo di correnti dell’ordine di decine o, addirittura, di centinaia di Ampere.

Tutto il sistema deve essere adeguato a tale mole di intensità, a partire dai cavi e dai cablaggi per finire alle tracce del PCB, ai vari componenti passivi e attivi, a relè e interruttori. La quantità di calore generato può aumentare in forma esponenziale e se non è ben dissipato o attenuato, si rischia di distruggere l’intero sistema. La divisione commerciale e industriale di Navitas si concentra su applicazioni di nicchia ad alte prestazioni che sono di natura pesante e richiedono caratteristiche speciali che i grandi produttori di celle al litio non offrono.

La principale offerta di prodotti di questa divisione è la linea di batterie al litio Deka Ready Power, leader del settore per il mercato delle attrezzature per la movimentazione dei materiali. La linea di batterie per carrelli elevatori al litio Deka Ready Power dispone di uno dei più ampi assortimenti di modelli UL Listed da 24, 36 e 48 volt nel settore. Rivestono particolare importanza, ai fini delle applicazioni di batterie al Litio per applicazioni di nicchia, i modelli militari ad alte prestazioni e per impieghi molto gravosi.

Essi richiedono caratteristiche speciali che le normali batterie al litio non offrono. Ad esempio, la batteria per veicoli militari al litio da 24 volt “6T” (mostrata in figura 2) offre eccezionali prestazioni in tutte le condizioni ed è rivolta all’uso da parte dell’Esercito. Oltre alle applicazioni per veicoli militari, tali batterie sono utilizzate in sistemi e applicazioni sottomarine, aeronautiche e spaziali. Esse promettono grandi prestazioni, grazie anche all’alta densità di energia e sono classificate di “Tipo 1” per quanto riguarda la sicurezza. Sono progettate per soddisfare i più specifici requisiti dei robusti veicoli. Le sue caratteristiche principali sono le seguenti:

  • capacità di targa a 28.5 V; 99 Ah (anche con carica C/20, C/10);
  • capacità di targa a 28.5 V; 95 Ah (con carica C/5);
  • capacità di targa a 28.5 V; 92 Ah (con carica 1C);
  • massima corrente di scarica continua: 500 A;
  • massima corrente di scarica impulsiva: 1100 A;
  • massima corrente di carica continua: 180 A;
  • massima corrente di carica impulsiva: 500 A;
  • autoscarica mensile: <2%;
  • ciclo di vita: 1000 cicli;
  • temperatura operativa: da -46° C a +71° C;
  • comunicazione CAN BUS;
  • protezione sovracorrente;
  • densità di energia: 200 W-hr/L;
  • energia specifica: 100 W-hr/kg;
  • peso: 28 kg;
  • dimensioni: 229 mm (H) x 266 mm (W) x 286 mm (D);
Figura 2: la batteria militare 6T di Navitas System

Metodi e circuiti di ricarica

A seconda della tipologia di batteria e della corrente da somministrare, il processo di ricarica può seguire diverse soluzioni. A ogni modo, qualunque sia la metodologia richiesta, è necessario che il sistema sia congegnato per i massimi criteri di sicurezza, sia per l’utente che per le batterie stesse, La figura 3 mostra diverse tipizzazioni di processo, a seconda se la procedura avvenga in AC o DC.

Figura 3: i diversi processi per la ricarica

I componenti chiave, come i trasformatori, gli induttori e i filtri Specialind risultano di primissima qualità. Anche il settore dei cavi (vedi figura 4) e delle prese è altamente critico. Alcune distinzioni prevedono le seguenti casistiche:

  • cavi di ricarica CC
    • cavi di ricarica conformi agli standard per la ricarica CC rapida fino a 250 kW
    • versioni raffreddate per High Power Charging (HPC) fino a 500 kW
  • cavi di ricarica AC
    • per potenze di carica fino a 26 kW
    • prese di ricarica per stazioni di ricarica secondo standard europeo e cinese
  • controller di ricarica
  • ricarica CC professionale EVCC programmabile
  • supporto per la ricarica rapida CC e per la ricarica CA convenzionale.

Pertanto la qualità di un sistema di ricarica parte proprio dal sistema dei cavi. Essi possono essere di tipo unipolare o multipolare ad alta tensione, schermati e non schermati. Per applicazioni più critiche devono possedere un determinato grado di schermatura EMI. I modelli più raffinati e ad alta tensione posseggono anche un sistema di raffreddamento attivo, con una elevata flessibilità. Sono anche conformi a EN 50620, GBT 33594 e UL 62 / CSA C22.2

Figura 4: i cavi per ricarica commercializzati da SPECIAL-IND sono sinonimo di alta qualità

La manutenzione è una cosa seria

Le batterie al Litio di nuova concezione hanno effettivamente bisogno di poca manutenzione, a differenza delle vetuste batterie al piombo acido. Nonostante ciò, è sempre consigliabile seguire alcune regole per farle durare il più a lungo possibile.

Si tratta, pur sempre, di sostanze chimiche che subiscono diverse reazioni. Ci sono buone ragioni per essere ottimisti sul futuro dell’utilizzo degli ioni di Litio in quanto le sue caratteristiche sono, per molti versi, superiori ad altre sostanze chimiche. Come tutti i tipi di batterie, quella agli ioni di Litio sfrutta il movimento degli ioni tra gli elettrodi.

In teoria un tale meccanismo dovrebbe funzionare per sempre, ma le temperature elevate e l’invecchiamento riducono le prestazioni, nel tempo. I produttori adottano approcci conservativi e ne attestano una durata media di 300-400 cicli di scarica e carica (vedi grafico della vita utile in figura 5) anche se una batteria dovrebbe fornire una capacità del 100% durante i primi cicli di utilizzo.

Sul fronte automobilistico si cerca di fare ancora meglio e vi sono modelli di batterie che riescono a fornire il loro contributo per almeno 5000 cicli in condizioni ottimali, equivalenti a un percorso stradale utile di circa 1.500.000 chilometri. Al posto del conteggio dei cicli, alcuni produttori suggeriscono la sostituzione riferendosi alla data di targa del dispositivo, e non tenendo conto, quindi del reale utilizzo ma della sua intrinseca vetustà.

Figura 5: capacità media di una batteria in funzione del numero di cicli di carica e scarica

La batteria non è un dispositivo meccanico che si consuma più velocemente con l’usura, tuttavia la profondità di scarica determina il conteggio dei suoi cicli. Più bassa è la scarica e più a lungo durerà la batteria. Occorre evitare scariche complete, anzi è meglio caricare la batteria più spesso, tra un utilizzo e l’altro. Le scariche parziali sono molto accettate dalle batterie al Litio, al contrario i cicli di scarica e carica molto ampi possono rovinare le celle. Esse non sono affette da effetto memoria e non necessitano di cicli periodici di scaricamento completo per prolungarne la vita. Per quanto riguarda la carica di una batteria al Litio, si possono distinguere almeno le seguenti modalità:

  • i caricabatterie lineari: sono semplici da progettare in quanto non richiedono un induttore esterno;
  • i caricabatterie a impulsi: erogano alla batteria una particolare serie di impulsi di corrente, secondo diverse modalità;
  • i caricabatterie switching hanno un funzionamento autonomo e utilizzano induttori che consentono alte tensioni e alte correnti per ricariche ad alta efficienza.

La figura 6 mostra un esempio funzionante di un caricabatterie basato sull’integrato LTC4013, capace di ricaricare elementi da 2,4 V a 60 V.

Figura 6: schema elettrico di un caricabatterie basato sull’integrato LTC4013

Conclusioni

La scelta di una batteria prevede la valutazione di molti fattori. L’utente finale non deve scegliere solo il modello meno costoso, anzi, probabilmente questo è l’ultima caratteristica da considerare. Si devono vagliare anche il periodo di validità, la chimica utilizzata, le dimensioni e le forme fisiche e le normative sullo smaltimento.

Giovanni Di Maria
Appassionato fin da piccolo di elettronica, matematica e fai da te, Giovanni è programmatore, insegnante di informatica e matematica. Ama i numeri ed è sempre alla ricerca di grandi numeri primi. Giovanni è autore di un libro sulla programmazione del microcontrollore PIC 16F84 con mikroBasic. Giovanni è il titolare dell’azienda di elettronica e informatica ElektroSoft, si occupa di formazione, insegnamento e redazione di articoli tecnici a tempo pieno.