In questo articolo riporto i risultati di una serie di test di carica/scarica effettuati sulle batterie monoblocco 12V 60Ah della Winston.

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Questa tipologia di batterie, chiamate amichevolmente da alcuni "le giallone", vengono spesso usate nei pacchi trazione di veicoli elettrici a causa della loro notevole affidabilità e semplicità di gestione, pur non essendo all'apice delle prestazioni per quanto riguarda densità di energia e resistenza a scariche intense.

Descrizione delle batterie

Le batterie "monoblocco" sono formate da 4 celle impacchettate e spesso vendute come "compatibili piombo". Costruite ovviamente in Cina sotto il marchio Thundersky e poi Winston, possono essere acquistate tramite diversi siti internet e società di commercializzazione anche europei, evitando così problemi di sdoganamento.

Il peso dichiarato, 13kg +-0,15, è abbastanza superiore al peso reale da me misurato (11,5kg).

La densità di energia reale è quindi, considerando 4 celle da 3,2V e 60Ah, pari a 67 Wh/kg. Il data-sheet di GWL è diverso e peggiorativo rispetto a quello del costruttore Winston... e queste sono le incertezze tipiche che ti attanagliano quando hai a che fare con i cinesi...

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Altro dato interessante fornito dal costruttore sono le varie curve di scarica, al variare di temperatura e intensità di scarica.

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E' altamente consigliabile l'immediata apertura del contenitore per monitorare singolarmente le celle; questo infatti permette una gestione ottimale dei cicli di carica e scarica e un aumento sia della sicurezza che della durata utile delle celle.

Inoltre l'estrazione delle celle permette una riduzione sia del peso che dell'ingombro; in particolare il peso diminuisce di circa 1,65 kg e la densità di energia reale aumenta quindi a 78Wh/kg. L'operazione fa ovviamente decadere la garanzia, pur essendo consigliata anche sul sito di alcuni produttori.

In figura le celle estratte dal monoblocco; se possibile è consigliabile non rimuovere le fascette e le piastre di contenimento.

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Per queste batterie il range di utilizzo indicato è 11-16V; io ho deciso di tenermi un po' più lontano dagli estremi di 'sopravvivenza' delle batterie e delle celle singole (che dovrebbero corrispondere a 2,5V e 4V). Quindi l'intenzione è di usare le celle tra 2,8 e 3,4V, corrispondenti a una tensione di batteria compresa tra 11,2 e 13.6V.

NOTE

Anche se ho ordinato 18 batterie chiedendo e ottenendo assicurazioni sull'uniformità di lotto.... me le hanno mandate con numeri tutt'altro che consecutivi! Le singole celle hanno contenitori differenti da monoblocco a monoblocco: alcune senza marca stampigliata, altri con scritto Thundersky e altre Winston. Inoltre in ogni monoblocco le celle hanno sempre numeri consecutivi, quindi non c'è stata nessuna selezione/abbinamento di celle singole e risulta infondata la "favola" secondo cui le monoblocco sarebbero formate da celle particolarmente selezionate.

I piastrini di collegamento interni alle monoblocco sono fatti, bene, flessibili ma di sezione secondo me scarsina: circa 22x1,5=33 mm quadrati per batterie che in scarica possono dare centinaia di A!Quindi ho deciso di aumentarne la sezione da 33 a 55mmq accorpando i lamierini da 0,5mm che li compongono 5 per piastrino (invece dei 3 originali); in tal modo mi mancherà qualche collegamento che ho realizzato con tubo di rame da idraulica, schiacciato e forato

Attrezzatura e condizioni ambientali del test

I primi test li ho effettuati su monoblocchi chiusi per verificare l'affidabilità del fornitore prima di rinunciare per sempre ad un eventuale rimborso in garanzia. Tutte le batterie mi sono state recapitate parzialmente cariche, con tensione a vuoto di 13,2V (3,3V/cella).

Per la ricarica delle batterie ho utilizzato vecchi alimentatori dismessi dalla mia ditta e da me acquistati a prezzo simbolico anni fa (alcuni colleghi credo che ricordino ancora i problemi avuti per fatturare ben 10 euro a un dipendente!)

In figura la ricarica lenta di 4 monoblocchi in parallelo per portarli tutti alla stessa tensione.

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Per la scarica delle batterie ho invece realizzato, utilizzando la scocca degli stessi alimentatori, lo "ScaRICCAtore" , un circuito da me realizzato e descritto qui:

ScaRICCAtore

Un filmato che illustra il funzionamento dello ScaRICCAtore lo trovate qui:

filmato

Ad esso ho aggiunto successivamente un semplice ed efficace oggetto che permette di impostare le soglie e emette anche un segnale acustico di allarme: Il Cell-log 8S.

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Ovviamente esistono in commercio oggetti completi che permettono il test di celle o batterie con gestione evoluta da PC, ma a me piace arrangiarmi e in questo caso ho risparmiato qualche centinaio di euro.

In figura una batteria aperta e sotto test.

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Il test si è svolto in ore serali/notturne e all'aperto a fine Maggio 2013; la temperatura era abbastanza rigida per il periodo (circa 12°C)

Test in scarica

Il Cell-log è molto comodo ed evita di dover prendere misure manuali, ma ho successivamente effettuato alcune elaborazioni excel sui dati memorizzati per renderli più significativi. In particolare nel caso di scariche a corrente costante può essere interessante può essere interessante riportare in ascissa invece del tempo trascorso la percentuale di Ah scaricati rispetto al valore nominale in Ah della capacità della batteria.

Ecco i valori rilevati durante la scarica della prima batteria, caricata a 14,4V (3,6V/cella) e scaricata a 25A; le curve ad amperaggio minore sono solo indicative essendo state ricavate diminuendo la corrente di scarica e rilevando la tensione dopo qualche istante.Da notare la capacità effettiva superiore di quella nominale (anche se si tratta comunque di una scarica "lenta", poichè 25A=0,42C)

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Le figure successive raccolgono invece le tensioni di scarica delle differenti monoblocco e per comodità la tensione media di cella (ottenuta semplicemente dividendo per 4 la tensione di monoblocco), ed evidenzia il fatto le tensioni, molto vicine per scariche intermedie, tendono a divergere avvicinandosi alla scarica completa.

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Ecco invece il primo grafico ottenuto con il Cell-Log durante la curva di scarica @25A di una batteria (la #14) aperta sulla quale ho monitorato sia la tensione totale che quelle delle singole celle.

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Si vede come lo scariccatore stacca a 11,2V, e le singole celle scendono fino a una tensione minima variabile circa tra 2,76 e 2,84V.

Ma questa era una delle batterie più 'brillanti' almeno per quanto riguarda l'uniformità delle celle interne, infatti la successiva curva di scarica @10A (batteria #5) evidenzia 2 celle che scendono a tensione ben più bassa, avvicinandosi pericolosamente alla tensione limite di 2,5V.

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Queste misure confermano la necessità di prevedere un circuito di controllo sulle singole tensioni (BMS- Battery Management System), per evitare danneggiamenti per sovrascarica e, come vedremo dopo, per sovraccarica (curve tracciate @25A e @10A). Il circuito da me realizzato allo scopo è descritto qui: BMS

Test in ricarica

Ecco ora un grafico delle tensioni delle monoblocco rilevate durante la ricarica; è un grafico solo indicativo perchè queste prime ricariche da alimentatore non erano a corrente perfettamente costante e quindi le misure (manuali) e i calcoli sono soggetti ad errore, ma questi grafici sono svincolati dall'efficienza del caricabatterie utilizzato.

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Il grafico conferma che le batterie 'accettano' più energia di quella nominale. Per semplicità mi riferisco ancora agli Ah, il calcolo in kWh dà risultati molto vicini come 'eccesso' rispetto al nominale.Il grafico inoltre evidenzia l'inutilità di andare oltre i 15V, anzi direi conferma la correttezza della mia scelta di limitare la carica a 3,6x4=14,4V, a quella tensione tutte le batterie hanno immagazzinato il 100% della capacità nominale o più.

La curva è molto piatta fin dall'inizio, in realtà la 'piega' tra o e 25% è falsa, per essere precisi il valore a 0% è la tensione a vuoto delle batterie scariche, molto variabile perchè i tempi trascorsi dalla scarica erano diversi (e comunque non risalgono tutte allo stesso modo). Dopo pochi minuti dall'inizio della carica la tensione è già sopra i 13V, anche a causa della corrente in ingresso che la alza di qualche decimo di V.

Per comodità, visto che io e molti altri usiamo celle singole o batterie 'aperte', ecco lo stesso grafico ricalcolato come media di tensione delle singole celle.

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Questi primi grafici illustrano l'andamento delle tensioni ed evidenziano anche loro la necessità di utilizzare un circuito di controllo (BMS), necessità confermata dal primo log di ricarica sull'auto. Si tratta di una ricarica a P costante 1100W, pari a CIRCA (ipotizzando rendimento CB dell'80%) I=3,8-3,6A (circa C/16)al salire della tensione.

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Le celle hanno due flessi nella curva, la n.18 ha curva leggermente shiftata e alla fine tende a salire di più.Il CB attualmente stacca bruscamente a 245/72=3,4 V/cella medi; a questa tensione ancora nessuna cella va in overvoltage, ma la velocità di salita della cella n.18 rende evidente il rischio di ricaricare lunghe serie di celle senza circuiti di controllo.

Ecco ora il primo grafico ottenuto con Cell-log durante una ricarica lenta (circa C/18) a corrente costante sul veicolo e con circuito BMS montato. L'effetto 'rumore' è dovuto alll'intervento del BMS di tipo on/off intorno alla soglia (3,6V) e alla notevole lunghezza dei cavi tra celle e circuito di controllo.Infatti il rumore è visibile anche in celle che non entrano in equalizzazione ma condividono i cavi lunghi (e le relative cadute di tensione) con le celle in equalizzazione.

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In questo grafico non avevo ancora implementato la riduzione di corrente di carica con l'inizio dell'equalizzazione, ma solo una interruzione brusca al raggiungimento della tensione di pacco di 245V (circa 3,4 V/cella medi). Il CB stacca dopo circa 50s, ma la cella più alta impiega circa 3 minuti a scendere definitivamente sotto i 3,6V.

Riporto anche il grafico rilevato da Ccriss, un altro utente e amico che scrive su energeticambiente.it. Il grafico riporta la tensione media di 20 celle in serie caricate a circa 0,2C dal 75 al 100% della capacità, ed evidenzia l'intervento del circuito che blocca la tensione di cella al valore di sicurezza di circa 3,6V.

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In realtà in questo caso si osserva l'interazione, comune su veicoli elettrici ben progettati, tra il circuito BMS e il caricabatterie, che abbassa la corrente di carica quando una o più celle entrano in equalizzazione in modo da erogare una corrente pari o inferiore a quella gestibile dal BMS.

Il grafico è più pulito, probabilmente, sia per la vicinanza del BMS alle celle sia perchè rappresenta in realtà la tensione media di 20 celle e quindi elimina il contributo dei cavi di collegamento tra celle e BMS.

Test su strada

Anche se questo vuole essere un articolo sulle batterie svincolate dal loro utilizzo riporto brevemente le prime misure effettuate dopo l'istallazione delle celle a bordo della mia Seicento Elettra, per evidenziare un falso problema che mi aveva causato qualche preoccupazione ed è invece dovuto al cablaggio sul veicolo.

Il grafico, relativo a un giro di circa 10km, mostra il notevole allineamento delle tensioni a vuoto, sia da cariche che dopo la scarica parziale. Le tensioni sono state rilevate ogni 5s.

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I picchi positivi evidenziano il funzionamento della rigenerazione in frenata.

I picchi negativi invece mostrano i momenti di accelerazione, e corrispondono in maggior parte a guida in modalità "drive", limitati a 15kW corrispondenti a circa 65A@230V (scarica a 1C). Sono presenti alcuni picchi più pronunciati corrispondenti all'inserimento della modalità "Sport" (30kW); alcune celle subiscono un abbassamento molto più pronunciato delle altre.

Il secondo grafico invece, memorizzato dopo l'istallazione del BMS e ad intervalli di 1s, mostra il suo effetto (per ora solo psicologico...) sul comportamento del pilota: quando la cella più bassa scende sotto i 2,8V il cicalino nell'abitacolo avvisa e induce a sollevare leggermente il piede dall'acceleratore. La tensione delle celle non scende sotto i 2,8V.

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Il mistero delle "celle sfortunate"

Queste prime rilevazioni su strada avevano evidenziato la presenza di 3 celle apparentemente critiche, caratterizzate da cali di tensione in ripresa, e innalzamenti in frenata rigenerativa, vistosamente maggiori rispetto alle altre celle.

Dopo qualche giorno di ansia e consultazione sul forum, e avendo per fortuna annotato meticolosamente e fotografato le fasi di montaggio delle celle, ho capito di cosa si trattava: non erano celle meno prestazionali o effetti della temperatura non uniforme, ma semplicemente una conseguenza del cablaggio interno al pacco batterie.

Infatti il cablaggio originale dell'auto prevede alcuni collegamenti più lunghi degli altri, in particolare quelli di collegamento tra i due "cassoni" batterie e un collegamento da e verso un megafuse di sicurezza. Le cadute di tensione sono quindi in realtà dovute a questi cavi lunghi; arrivano anche a circa 0,3V@130A, con una potenza dissipata di qualche decina di W!

Attualmente non ho rimediato a questo inconveniente, che tra l'altro aiuta a gestire con attenzione le batterie visto che l'allarme Vlow si attiva, per scariche intense, quando le celle sono ancora lontane dalla soglia di sicurezza

Conclusioni ed approfondimenti

Questo articolo è il frutto dell' acquisto, effettuato nel Maggio 2013, e dell'utilizzo su strada di ben 18 batterie (72 celle) LiFeYPO4.

Sperando vi sia piaciuto colgo l'occasione per ringraziare tutti gli utenti di energeticambiente.it, sia possessori di FIAT Seicento Elettra che semplici appassionati, che mi hanno invogliato con le loro avventure a comprare prima l'auto, e poi le batterie al litio.

Per chi volesse approfondire alcuni aspetti o partecipare alla lunga ed emozionante discussione rimando a questo link: Test Batterie LiFeYPO4

Invece se vi interessa essere informati sulle novità che riguardano la mia FIAT Seicento Elettra "Eli" vi rimando alla relativa discussione, nella quale a breve metterò e terrò aggiornato un riepilogo di tutto il materiale relativo (discussioni, filmati, circuiti vari): Storia di Eli