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Tensioni di massima e minima carica batterie al litio

Posted in batterie by jumpjack on 28 luglio 2018

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.

Diario elettrico Ecojumbo 5000 – il voltmetro

Posted in Diario elettrico Ecojumbo 5000, scooter elettrici by jumpjack on 1 aprile 2016

Ho finalmente trovato il tempo di verificare i voltaggi del voltmetro di bordo.

Ha 4 tacche, ognuna separata da 1.5 V; la più “alta” (lancetta verso sinistra) corrisponde a 61V; alla più bassa non arrivo mai, specie ora con lo scooter depotenziato per preservare le batterie, ma ovviamente basta fare un po’ di conti.

Complessivamente i valori indicati dal voltmetro sono:

  1.  61.0V (Full)
  2. 59.5V
  3. 58.0V
  4. 56.5 V (Empty)

L’Ecojumbo nasce con batterie al piombo, che hanno queste tensioni (5 batterie in serie):

  • 64.8V   Full
  • 58.55V 50%
  • 56.05V 30% (warning, non scendere sotto questo livello!)
  • 52.5V   0% (danneggiamento)

Quindi con batteria al piombo completamente carica, il voltmetro va oltre il fondo scala (la lancetta ha ancora un po’ di spazio…). In compenso, la lancetta “empty” indica un SoC di 30%, che è meglio non superare se non si vuole danneggiare la batteria.

 

Per una batteria al litio  LiFePO4 con 20 celle, le tensioni da considerare sono:

  • 66V Full (3,3/cella)
  • 64V 50% (3,2/cella)
  • 40V Empty (danneggiamento) (2,0V/cella)

Bisogna però prestare attenzione alla curva di scarica di una LiFePO4, che non è una semplice riga dritta come per le piombo:

2.0 è il voltaggio minimo raggiungibile senza danneggiare la batteria… ma non ha molto senso raggiungerlo, perchè tra 2,5V e 2,0V la diminuzione di capacità è intorno al 3-4% del totale, e arriva al massimo a un 5-6% per tensioni di 2,8V; visto che le batterie soffrono se sovrascaricate, è più utile e prudente non scendere sotto i 2,7V (c’è chi dice 2,8, chi 2,6,…).

Meglio quindi usare questi riferimenti di tensione per una batteria al litio LiFePO4 sull’Ecojumbo 5000:

  • 66V Full (3,3/cella)
  • 64V 50% (3,2/cella)
  • 62V 20% (3,1/cella)
  • 54V Empty (2,7/cella)
  • 40V (danneggiamento) (2,0/cella)

Riporto di nuovo i valori del voltmetro, stavolta “estesi”:

  • 62.5V (fondo scala)
  1.  61.0V (Full) – 3.05/cella
  2. 59.5V – 2.975/cella
  3. 58.0V – 2.9/cella
  4. 56.5 V (Empty) – 2.825/cella
  5. 55 (fuori scala in basso) – 2.75/cella

Confrontando i valori si nota che il voltmetro del mio Ecojumbo non è molto utile per valutare lo stato di carica della batteria (ma è un “male comune” di tutte le batterie al litio: un voltmetro non basta!); però è utile per verificare che la batteria non venga sottoposta a stress eccessivo: anche sotto carico, è meglio che la tensione non scenda sotto la prima tacca a destra (indicata con 4 nell’elenco qui sora), o addirittura sotto all’inizio della scala, perchè significherebbe che si sta estraendo troppa corrente dalla batteria (anche se quelli sopra non sono esattamente i datasheet delle batterie che sto usando io).

In compenso, se sotto carico la batteria fa arrivare la lancetta fino alla tacca 3 o 4, vuol  dire, sì, che c’è un forte assorbimento sulla mia batteria da 36Ah (forse 2 o 3C), ma che se si mantiene per solo pochi secondi non c’è problema.

Normalmente io dopo 20km di viaggio sto a 64.3V –  64.5V.