Tensioni di massima e minima carica batterie al litio
Ho trovato in rete dell’insolito e inaspettato materiale che mi ha permesso di aggiornare un vecchio post sulle tensioni tipiche di cella; “insolito e inaspettato” perchè il materiale è frutto di esperimenti dannosi e pericolosi effettuati su celle al litio, caricandole e scaricandole oltre le soglie-limite. Soglie che peraltro sono molto discusse in rete, e apparentemente soggettive.
Questi esperimenti oltre-limite sembrano finalmente gettare un po’ di luce sulla faccenda.
La fonte dei grafici originale è https://www.powerstream.com/lithium-phosphate-charge-voltage.htm , ma non il linko il sito perchè contiene informazioni pericolose.
LiFePO4
Nel primo grafico (LiFePO4) si vede che caricare una cella a 3.1V (curva in basso a sinistra) comporta un incremento minimo di energia (4-5%), quindi si può supporre che 3.0V sia ragionevolmente la tensione minima oltre la quale è inutile scendere, per non danneggiare la cella; analogamente, caricando oltre i 4.16V “tipici”, si ha un incremento minimo di carica, ma si stressa la cella riducendone la vita utile.
Per una cella LiFePO4, quindi, l’intervallo di sicurezza (Safe Operating Area) può essere individuato fra 3.0 e 3.25V.
li-ion/LiPO/LiCoO2/NCM/NMC
Da osservazioni analoghe sul secondo grafico si può dedurre che per le li-ion/LiPO/LiCoO2/NCM l’intervallo di sicurezza (Safe Operating Area) può essere individuato fra 3.4V e 4.16V; notare che questo secondo tipo di cella è molto più sensibile alle tensioni errate, che possono portare a incendi ed esplosioni.
In caso di carico
Tutti questi valori sono validi in assenza di carico; con un carico applicato, bisogna tener conto che più alta è la corrente erogata, maggiore è l’abbassamento di tensione, che quindi può scendere sotto la soglia di sicurezza anche se a riposo la tensione ben più alta; utilizzare quindi la cella solo finchè a riposo si trova nella SOA garantisce che, anche sotto carico, la tensione non scenda sotto i livelli critici.
Tabella delle tensioni
Segue una tabella coi valori dedotti, oltre che dai suddetti grafici, anche da altre fonti:
| Tensione danneggiamento |
Tensione minima utile |
Tensione nominale | Tensione batteria carica |
Tensione di ricarica |
|
| Li-Ion/LiPo | 3,0 | 3,4 | 3,6 | 4,16 | 4,20 |
| NMC/NCM | 3,0 | 3,4 | 3,7 | 4,16 | 4,20 |
| LiFePO4 | 2,8 | 3,0 | 3,3 | 3,6 | 3,65 |
Da notare che:
- li-ion/LiPO e NMC/NCM usano chimica simile a base di cobalto, quindi hanno all’incirca le stesse tensioni, ma le NCM/NMC sono intrinsecamente più sicure perchè vanno più difficilmente in fuga termica (incendio o esplosione) in caso di abuso, rispetto alle LiPO.
- La tensione di ricarica NON coincide con la tensione di batteria carica: dopo la fine della carica, infatti, la tensione si abbassa di qualche puto decimale anche senza essere usata, assestandosi sulla tensione nominale.
Collegamento di un CellLog8S/8m ad Arduino o a ESP8266
L’utente pa.hioficr sul forum https://endless-sphere.com/forums/viewtopic.php?f=14&t=20142 ha scoperto che è possibile leggere in tempo reale i dati di log di un CellLog (sia 8S con memoria che 8S senza memoria) semplicemente “agganciandosi” al pin TX dell’Atmel montato sul CellLog.
Questo significa che invece di spendere 40-50 euro per comprare un CellLog8S con memoria e infilarlo nel sottosella per poi aspettare di arrivare a casa per scaricare i dati letti, è in linea di principio possibile collegare al CellLog8M da 15 euro un ESP8266 da 8 euro che tramite Wifi invia dati a uno smartphone che li mostra in tempo reale sullo schermo durante la marcia; probabilmente è anche possibile scrivere un SW che legge i dati da più di un celllog contemporaneamente, sfruttando l’emulatore di porte seriali.
Questo è lo schema elettrico originale dell’autore:
Questa è una sua successiva modifica per implementare anche avvio del logging e reset del CellLog:
Di seguito la spiegazione del funzionamento che ho dedotto io dallo schema, inserita anche nella seconda edizione del mio libro “Guida alla costruzione di una batteria al litio per mezzi elettrici”, di imminente pubblicazione:
R1 = R4 = R6 = R7 = 220 ohm
R2 = R5 = 330 ohm
R3 = 4700 ohm
U1 = U2 = optocoupler/fotoaccoppiatore a 2 canali, 5V, 8 pin, uscita a fototransistor di tipo NPN (es. Vishay ILD615, Fairchild MCT61, Isocom ISP827,… )
Figura 127 – Rilevamento accensione
2. Passerà una corrente nel fotodiodo 1-2
3. Si accenderà il fototransistor 7-8
Il “cervello” del CellLog, un microcontrollore ATMEL, è dotato di un piedino di reset, che possiamo controllare tramite il nostro microcontrollore esterno; per farlo, al pin di reset colleghiamo il collettore del fototransistor 5-6 del secondo fotoaccoppiatore (pin 5); controlliamo questo fototransistor tramite il rispettivo fotodiodo 3-4, collegato al pin MCU_CL8.1_RESET del nostro microcontrollore esterno; basterà quindi mettere alto questo pin per mettere in conduzione il fotodiodo e il fototransistor e quindi resettare il CellLog.
Per far partire il logging è necessario premere per 3 secondi il pulsante 2 del CellLog (SW2); possiamo farlo fare al nostro microcontrollore esterno collegando l’interruttore in parallelo a un’uscita del secondo fotoaccoppiatore: quando sull’ingresso ci sarà una tensione di 5V (impostata via software), il fototransistor di uscita entrerà in conduzione chiudendo l’interruttore e avviando così il logging.
Altri rivenditori di batterie al litio in Europa
Da qualche parte me li devo appuntare quando li trovo… 🙂
- http://www.elettrovelocipedialberti.com/prodotto/batteria-su-misura/ (Vendita celle e costruzione batterie su misura (Italia)
- http://enerprof.de/shop/batteries/li-ion-batterie-cells/samsung-inr18650-29e-li-ion-3-62v-2850mah-3c-soldering-tags/ (400 E/kWh)
- http://www.alcedoitalia.it/shop/celle-per-batterie/ (1000 E/kWh)
- www.mylithiumbattery.com (1000 E/kWh)
- www.liontecschop.de
- www.faktor.de
- www.nkon.nl
- www.lipopower.de
- http://www.devi-motion.com/
- http://www.e-transportation.eu/
Diario elettrico Zem Star 45 – 26 aprile 2016: capitolo finale, la rottamazione
Il 16 aprile 2011 iniziava la mia avventura nel mondo degli scooter elettrici, con l’acquisto di uno “Star 45” da 1500W della Zem s.r.l., azienda oggi non più esistente (come tante aziende che in questi 5 anni hanno provato a immettere scooter elettrici sul mercato italiano…), il cui sito è visionabile solo nel “museo storico” di internet.
Pagato 3300 euro con due batterie (contro i 4300 euro di listino) il 16 aprile 2011, immatricolato dal venditore il 26 aprile, andava su strada per la prima volta il 29 aprile; il mio “diario di bordo” iniziava il 3 maggio 2011. Dovetti letteralmente supplicare il venditore di vendermelo, perchè non voleva saperne: aveva in progetto di vendere solo a noleggiatori! E pensare che avrebbe potuto avere un mercato enorme: gli Zem (Star 45 e Smash 54) erano i primi scooter elettrici di nuova generazione venduti a Roma! Dotato di 2 batterie estraibili al litio, per un totale di 2880 Wh, coi suoi consumi di 35 Wh/km poteva vantare un’autonomia reale di 80 km; in precedenza, nei primi anni 2000, la capitale aveva visto entrare sul mercato diversi scooter elettrici di prima generazione: il Piaggio Zip, il Peugeot Scoot’elec, il Malaguti Ciak, l’Oxygen Lepton… tutte “lumache” al piombo, con autonomia pubblicizzata di 50 km e vita utile di 20.000 km…. mentre in situazioni reali arrivavano al massimo a 25-30 km, e le batterie duravano 8000 km (10.000 se le trattavi bene… facendo 10 km prima di ricaricare!) Senza contare che andavano da 0 a 50 km/h in 10-15 secondi.
Oggi qualunque scooter elettrico ha batterie al litio, autonomia reale minima di 50 km (media di 70, alcuni modelli arrivano a 100 e persino 120), durata delle batterie di 1000 cicli (quindi da 50.000 a 120.000 km!), e moltissimi ormai hanno batterie estraibili. Oggi come oggi solo i ciclomotori, che hanno batterie piccole; ma ormai le celle Panasonic NCR18650 hanno raggiunto il prezzo di 400 Euro/kWh, e pesano 1/3 delle LiFePo4 (250 Wh/kg contro 90) e occupano 1/4 dello spazio (730 Wh/l contro 200); quindi anche una batteria da 5 kWh oggi potrebbe essere estraibile, in quanto peserebbe quanto le due batterie dello Zem Star 45… e sarebbe grande quanto UNA!
Ne è passata di acqua sotto i ponti: all’epoca dell’acquisto, ecco a che razza di test sottoponevo, ignaro, le mie povere batterie!
Batteria completamente piena, spremuta fino all’ultima goccia. Passeggero di 75 chili. Strada asciutta. Fari spenti.
Percorso totale: 50,8 km.
(contachilometri di bordo; effettivi: 43)
Questo con una batteria da 24Ah! Oggi so che da una batteria da 60V/24Ah non si possono pretendere, senza rovinarla, più di 30km (Ah moltiplicato 1.2).
La batteria era composta da 96 celle organizzate in 16 paralleli in serie di 6 celle ciascuna, quindi una 16s6p; le celle non riportavano nessuna dicitura, ma essendo cilindriche (con fattore di forma 26650):
Batteria Zem Star 45 60V/24Ah li-ion LiCoO2 estraibile – 16S6P
Celle “anonime” a confronto con 26650 A123 (dimensioni identiche, ma distorte dalla prospettiva):
Dimensioni batteria:
- 37,5 x 8 x 26,5 (senza manico e rotelle)
- 48 x 8 x 26,5 con manico e rotelle (dimensioni vano batteria singola)
- 48 x 16 x 26,5 (dimensioni totali vano batterie)
- Peso: 10 kg
- Capacità: 60V/24Ah/1440 Wh
- Volume: 8 litri
- Densità gravimetrica: 144 Wh/kg
- Densità volumetrica: 180 Wh/L
- Cicli: 300-500
Post utili:
- Effetto della temperatura sulle batterie al litio “li-ion” (LiCoO2)
- Finalmente i dati sulla durata delle mie batterie al litio LiCoO2
Solo oggi, dopo 5 anni, riesco ad apprezzare una particolarità di questa batteria: il fatto che avesse un unico connettore, sia per la carica che per la scarica. Tutti gli altri scooter elettrici che ho visto ne avevano 2 separati.
Oggi sono arrivato alla conclusione che questa batteria avesse la particolarità di supportarela frenata rigenerativa, in cui l’energia va dalle ruote alla batteria invece del contrario.
Purtroppo però aveva anche un lato negativo: non era LiFePO4 come quelle di oggi, ma era targata semplicemente “li-ion”, e credo che fosse una LiCoO2: stessa chimica (piuttosto pericolosa) delle LiPo da modellismo, ma un po’ più sicura avendo celle cilindriche rigide in alluminio, invece che morbide a sacchetto. Ma il vero problema è che duravano poco: dai 300 ai 500 cicli, contro gli almeno 1000 delle LiFePo odierne!
In realtà le batterie cedettero ben prima di 300 cicli: a novembre 2011, dopo appena 7 mesi dall’acquisto, non era più possibile circolare con una singola batteria… cosa che, però, era proprio l’origine del problema! Il manuale dello scooter raccomandava di non usare MAI le due batterie insieme, in parallelo, ma solo una per volta! Solo che così ogni batteria doveva erogare 1C continuo con picchi (forse) di 1.5 o 2C… almeno in modalità normale; lo scooter aveva però anche una modalità “turbo”, in cui la velocità era limitata a 45 km/h invece che 60, ma l’accelerazione in partenza era molto più bruciante… quindi le batterie erano molto più sollecitate. E per una svista del meccanico, avevo viaggiato per 2 mesi, senza saperlo, con lo scooter in modalità turbo…
Decisi così di iniziare a utilizzare lo scooter con le due batterie sempre in parallelo; riuscii così a guadagnare parecchi mesi prima di dover comprare una nuova batteria a settembre del 2012, quindi 1 anno e mezzo dopo l’acquisto dello scooter; alla fine però dovetti comprarla, pagandola 500 euro come prezzo di favore invece di 650, essendo forse l’unico cliente privato di lunga data… Il prezzo totale dello scooter diventò quindi 3800 euro.
Secondo i miei calcoli, 3800 euro si recuperano percorrendo 38000 km (non considerando il costo della corrente, ma solo il risparmio in benzina). Purtroppo non so quanto di preciso ho percorso con lo Zem, essendosi rotto il contachilometri: a spanne, però avendolo usato per 4 anni per fare tutti i giorni lavorativi 18 km, considerando complessivamente 6 mesi di “fermo macchina” per i vari guasti, direi che ho percorso circa 17000 km “di base”; a questi si aggiungono altri km, visto che usavo lo scooter praticamente per andare ovunque; non sono sicuramente arrivato a 38000 km, ma penso di aver raggiunto almeno i 25000 tra una cosa e l’altra. Significa quindi 2500 euro di benzina, a fronte di 3800 euro spesi per lo scooter; i 1300 euro che restano (che sarebbero stati 800 se avessi saputo come trattare le batterie…) sarebbero il prezzo che mi è effettivamente costato lo scooter.
Volendo conteggiare anche la corrente, considerando 0,16 euro/kWh e 0,035 kWh/km, risulta un costo di 0,035 KWh/km * 0,16 euro/kWh = 0.0056 euro/km, che per 25000 fa la “bellezza” di 150 euro di corrente! 🙂
Quindi:
- 3300 euro di scooter
- 2500 euro risparmiati in benzina
- 140 euro spesi in corrente
Totale costo effettivo scooter: 940 euro (1440 con la batteria aggiuntiva).
A questo costo andrebbero aggiunti i costi dei vari caricabatterie cambiati: non tutti i QUINDICI che si sono bruciati me li hanno cambiati in garanzia, 3 o 4 me li sono pagati da solo (mi pare 60 euro l’uno).
Ignoti i motivi di questo tasso di mortalità; unico sospettato: lo scintillone a ogni connessione/sconnessione della batteria al caricabatterie; forse evitabile con una resistenza di precarico. Che forse installerò nell’ecojumbo.
In questi anni non ho mai dovuto pagare il bollo, trattandosi di un mezzo elettrico. A partire dal 26 aprile 2016 dovrei iniziare a pagare annualmente 18,44 euro, come calcolabile sul sito ACI immettendo semplicemente la targa.
In realtà lo scooter è ormai stabilmente fermo nel parcheggio da un anno, cioè da quando ho acquistato un Ecojumbo 5000 usato per 1000 euro. Il diario di bordo dell’Ecojumbo inizia il 25 luglio 2014.
Dovrei pensare a rottamarlo… ma mi mettono pensiero i costi: 50 euro? 100? 150? Il passaggio dell’ecojumbo di proprietà mi è costato 180….
Così ho iniziato a informarmi; ecco qualche sito utile:
Teoria:
- Radiazione e rottamazione auto: una guida pratica
- Radiazione di un veicolo (PDF dell’ACI)
- Cessazione dalla circolazione e radiazione dai pubblici registri
Pratica (a Roma):
- Rottamazione moto – 90 euro (motocicli)
- http://www.rottamazioneautogratis.it/rottamazione-scooter-roma/ – pratiche gratis; 60 euro con trasporto
- http://demolizionicalo.it/rottamazione-automobili-online/ – 40 euro tutto incluso, trasporto incluso
Documenti necessari:
- Carta di circolazione
- Certificato di proprietà
- Fotocopia del documento d’identità del proprietario
- Targa del motociclo
Note importanti:
- “non è possibile organizzare una demolizione “in proprio”. Alla consegna del veicolo, i centri di raccolta (demolitori autorizzati), tra l’altro, devono rilasciare al proprietario un certificato che riporta la data di consegna”
- “Se la radiazione avviene nel primo mese del periodo d’imposta, il proprietario non è tenuto al pagamento del bollo auto per quell’anno“. Quindi ho tempo fino a fine maggio 2016 per organizzarmi per la rottamazione… e per trovare un “sostituto” dello scooter, che al momento funge da colonnina di ricarica! Nel vano sottosella, infatti, risiedono stabilmente da quasi due anni i due caricabatterie, al riparo da vento e pioggia, ma al tempo stesso ben ventilati grazie alle varie aperture che ho fatto nel vano, ma che sono comunque protette dalle plastiche dello scooter.
Adesso dovrò comprare un costoso armadio elettrico! E dovrò fare i conti con pioggia e ventilazione: i CB devono essere protetti dall’acqua ma avere un ottimo ricambio d’aria… motivo per cui finora li avevo tenuti nello scooter invece di impazzire a trovare un mobiletto.
Diario elettrico Zem Star 45 – 24/4/2013 – Parte il progetto superbatteria!
Basta tergiversare! 🙂
Sono mesi che studio, cerco, calcolo, esamino, stimo e progetto, ora basta, rompiamo gli indugi e partiamo: o la va, o la spacca!
Ho appena ordinato 20 supercelle LiFePO4 a123 ANR26650 con linguette per un totale di 187 euro spedizione inclusa, un BMS da 48V 60/100A e uno da 60V 60/100A, a 170 euro spedizione inclusa; totale: 357 euro.
Il progetto consisterà nel realizzare DUE superbatterie: una da 48V e una da 60V, cioè una per il Lepton e una per lo Zem; entrambe a capacità bassissima (appena 2,3 Ah! Cioè 110 Wh sul Lepton e 138 Wh sullo Zem), ma a me interessa la potenza: queste celle consentono scariche continue di 30C/60A, il che significa 2,8 kW sul Lepton (motore da 1,8 kW) e 3,6 kW sullo ZEM (motore da 1,5 kW)!
In realtà conto di spremerle meno: sullo Zem basta che riescano a tirare fuori 20-30A in accelerazione e sulle salite, ma è importante che abbiano un’alta capacità di ricarica, per potersi ricaricare rapidamente tra un’accelerazione e l’altra, e a 4C dovrebbero potersi ricaricare abbastanza rapidamente, anche considerando che 138 Wh sullo ZEM cossipondono a 5-6 km, mentre le salite che incontro io sono moooolto più brevi, e le accelerazioni ovviamente brevissime. Avrei dovuto fare conti precisi… ma avrei perso probabilmente altre settimane o mesi, quindi ho deciso di darci un taglio! Spero solo di finire il mio logger prima che arrivi il tutto, è probabile che in meno di una settimana sia arrivato già tutto!
Chiaramente sul Lepton la superbatteria servirà a poco, non avendo ancora comprato la batteria-base, ma in attesa di decidere quale comprare, farò un po’ di sperimentazione: potrei anche scoprire che posso rimettere le batterie al piombo, ma magari grandi la metà visto che lo spunto lo darebbe la superbatteria e che mi servono solo 20 km/giorno, chissà.
Purtroppo una batteria completa fatta con queste celle costerebbe più di 1000 euro, che al momento non mi va di spendere (e se poi non funziona un tubo? Meglio spendere un quarto della cifra per sperimentare, poi si vedrà).
8 comments