Questo capitolo descrive il processo di carica, scarica e bilanciamento delle celle in modo più dettagliato ed è destinato a coloro che sono interessati al background tecnico.
7.1. Carica
Le batterie al litio sono più facili da caricare rispetto alle batterie al piombo. La tensione di carica può variare da 14 V a 15 V per una batteria al litio da 12,8 V e da 28 V a 30 V per una batteria al litio da 25,6 V, purché nessuna cella sia soggetta a più di 4,2 V.
Se sovraccaricate, le batterie al litio si danneggiano in modo permanente.
Se una cella raggiunge i 4,2 V, impossibile su un sistema installato correttamente, tutta la carica in quella cella sarà dissipata sotto forma di calore.
Si consiglia di mantenere la tensione di carica di assorbimento tra 14 V (28 V) e 14,4 V (28,8) e la tensione di mantenimento a 13,5 V (27 V).
Grazie alla flessibilità delle tensioni di carica, è possibile collegare in parallelo senza problemi fino a 5 batterie. Non si verifiche-ranno danni in presenza di piccole differenze nelle tensioni delle singole batterie a causa delle diverse resistenze dei cavi o delle resistenze interne delle batterie.
Una volta completata la fase di assorbimento, il caricabatteria entrerà in mantenimento. Si consiglia di impostare la tensione di mantenimento a 13,5 V (27,0 V).
La fase di accumulo non è di per sé necessaria per una batteria al litio, ma se il caricabatterie ha una modalità di accumulo, impostarla alla stessa tensione del mantenimento.
Si consiglia una corrente di carica di 0,5 C. Ciò significa che se la batteria è completamente scarica, ci vorranno 2 ore per ricari-carla. Un tasso di carica di 0,5 C per una batteria da 100 Ah è di 50 A di corrente di carica. La corrente di carica massima è di 2 C, per una batteria da 100 Ah è di 200 A. In questo modo la batteria si carica in mezz'ora. Ma considerare che le batterie produ-cono più calore quando si utilizzano correnti di carica elevate. È necessario un maggiore spazio di ventilazione intorno alle batte-rie e, a seconda dell'installazione, potrebbe essere necessaria l'estrazione di aria calda o il raffreddamento ad aria forzata.
Grafico della carica della batteria al litio
Il BMS spegne tutte le fonti di carica non appena la tensione delle celle della batteria raggiunge i 3,75 V o se la temperatura della batteria scende al di sotto dei 5 °C o aumenta al di sopra dei 75 °C. Ciò significa che tutte le fonti di carica collegate alla batteria al litio devono poter essere controllate dal BMS.
7.2. Bilanciamento delle celle
La batteria al litio è composta da quattro celle al litio collegate in serie per la batteria da 12,8 V, e otto celle in serie per la batteria da 25,6 V
Sebbene siano state accuratamente selezionate durante il processo di produzione, le celle della batteria non sono identiche al 100 %. Pertanto, quando vengono messe in ciclo, alcune celle vengono caricate o scaricate prima delle altre. Le differenze au-menteranno nel tempo se le celle non saranno regolarmente bilanciate.
Lo stesso accade in una batteria al piombo, ma che si autocorregge senza bisogno di elettronica: una piccola corrente continuerà a fluire anche dopo che una o più celle saranno completamente cariche. Questa corrente aiuta a caricare completamente le altre celle che sono in ritardo, bilanciando così lo stato di carica di tutte le celle. La corrente attraverso una cella al litio, tuttavia, quan-do è completamente carica, è quasi pari a zero, e le celle in ritarquan-do non verranno caricate ulteriormente.
Le celle non si danneggeranno se hanno livelli di bilanciamento diversi, ma lo sbilanciamento si manifesterà piuttosto in una (tem-poranea) ridotta capacità della batteria.
Per mantenere tutte le celle bilanciate, le batterie Smart Lithium sono dotate di un bilanciamento attivo delle celle integrato. Ogni cella è dotata di elettronica di monitoraggio e bilanciamento delle celle. La batteria al litio misura la tensione di ogni cella e, quan-do necessario, sposta l'energia dalla/e cella/e con la tensione più alta alle celle con una tensione più bassa. Continuerà a farlo fino a quando la differenza di tensione tra le celle sarà inferiore a 0,01 V. Questo processo è chiamato bilanciamento attivo.
A quale tensione inizia il bilanciamento dipende dallo sbilanciamento. In caso di sbilanciamento significativo delle celle, il proces-so di bilanciamento delle celle inizia non appena la prima cella raggiunge i 3,3 V durante la carica. Il bilanciamento delle celle continua mentre la batteria viene ulteriormente caricata. E, a causa della curva di tensione piatta della chimica del litio, le tensioni delle celle devono essere di 3,50 V o superiori per correggere le differenze minori di bilanciamento.
La spiegazione sopra riportata è il motivo per cui si raccomanda un periodo di assorbimento fisso di 2 ore per le batterie al litio:
cioè per permettere all'elettronica di bilanciare tutte le celle. Durante l’assorbimento, la tensione è di 14,2 V, pari a 3,55 V per cella in caso di batteria completamente bilanciata.
È importante caricare regolarmente e completamente la batteria (una volta al mese).
Se il sistema viene utilizzato in modo intensivo e ha cicli di carica/scarica ogni giorno o alcune volte alla settimana, o se il sistema è profondamente scaricato, è necessario un maggiore tempo di assorbimento (bilanciamento delle celle) al mese.
Si prega di notare che una tensione di carica più alta non accelererà il processo di bilanciamento delle celle. Le celle della batte-ria vengono caricate in base alla corrente e non alla tensione. L'immissione di corrente in una cella farà aumentare la tensione nel tempo, ma si tratta di un processo fisso e l'applicazione di più tensione non accelererà questo processo. Inoltre, la velocità di bilanciamento è determinata dalla massima potenza nominale dei circuiti di bilanciamento attivo e passivo e non dalla tensione di carica.
Ci sono alcune applicazioni in cui le celle della batteria diventeranno più sbilanciate del normale. In questi casi, deve essere ese-guita una carica settimanale completa:
• Sistemi con batterie collegate in serie
• Sistemi con correnti di scarica elevate
• Sistemi con brevi periodi di carica o basse tensioni di carica
7.3. Scarica
Si può utilizzare quasi tutta la capacità della batteria disponibile, ad eccezione dell’ultimo 3 % circa della capacità residua. Se scaricate troppo profondamente, le batterie al litio si danneggiano in modo permanente.
Le batterie al litio possono essere scaricate con correnti elevate. La scarica massima della batteria al litio è di 2 C. Per una batte-ria da 100 Ah ciò significa una corrente di scarica di 200 A. In questo modo la battebatte-ria si scarica in mezz'ora. Tuttavia, si consiglia di non scaricare ad un tasso superiore a 1 C. Un tasso di 1 C significa che la batteria si scarica in 1 ora. Per una batteria da 100 Ah si tratta di una corrente di scarica di 100 A.
Quando si utilizza un tasso di scarica più alto, la batteria produrrà più calore rispetto a quando si utilizza un tasso di scarica bas-so. È necessario un maggiore spazio di ventilazione intorno alle batterie e, a seconda dell'installazione, potrebbe essere neces-saria l'estrazione di aria calda o il raffreddamento ad aria forzata. Inoltre, alcune celle potrebbero raggiungere la soglia di bassa tensione più velocemente, rispetto alle altre celle. Questo può essere dovuto ad una combinazione di calore e invecchiamento.
Per essere in grado di capire se una batteria sia troppo scarica è necessario guardare le tensioni delle singole celle. Quando la batteria si scarica, la tensione delle celle si riduce. Questo è indicato nel seguente grafico di scarica. Quando la batteria è quasi scarica, la tensione scende più velocemente. Questo è il segno che la batteria è quasi scarica. Ciò avviene una tensione di cella circa tra 2,80 V e 2,60 V. Bisogna evitare che si scarichi ulteriormente, altrimenti la batteria si danneggerà. Quindi, non appena una delle celle avrà raggiunto questa tensione, il BMS disabiliterà tutti i carichi CC.
Grafico di scarica che mostra la tensione della cella a varie profondità di scarica per diverse velocità di scarica
Il BMS spegnerà tutti i carichi non appena la tensione delle celle della batteria scenderà al di sotto della soglia di bassa tensione.
Anche se viene utilizzato un BMS, ci sono ancora alcuni possibili scenari in cui la batteria può essere danneggiata a causa di una scarica eccessiva. Questo può accadere se piccoli carichi, come: sistemi di allarme, relè, corrente di standby di alcuni carichi, corrente di ritorno dei caricabatterie o dei regolatori di carica, scaricano lentamente la batteria quando il sistema non è in uso.
In caso di dubbi su un possibile assorbimento di corrente residua, isolare la batteria quando il sistema non è in uso. Per farlo, aprire l'interruttore della batteria, tirare il fusibile o i fusibili della batteria o scollegare il cavo positivo della batteria.
Una corrente di scarica residuale è particolarmente pericolosa se il sistema è stato completamente scaricato e si è verificato uno spegnimento dovuto alla bassa tensione della cella. A 2,8 V di tensione di cella c’è circa il 3 % di capacità residua e a 2,6 V c’è circa l’1 % di capacità residua.
Dopo lo spegnimento dovuto alla bassa tensione delle celle, una riserva di capacità dell’1 % corrisponde a 1 Ah in una batteria da 100 Ah. Se la riserva di capacità rimanente verrà estratta dalla batteria, quest’ultima si danneggerà. Una corrente residua di 10 mA, ad esempio, può danneggiare una batteria da 100 Ah se il sistema viene lasciato in stato di scarica per più di 4 giorni (100 ore).
Se tutte le celle sono a 2,8 V, ciò significa che la tensione del morsetto della batteria è di 11,2 V (22,4 V) e se tutte le celle sono a 2,6 V la tensione del morsetto della batteria è di 10,4 V (20,8 V). Notare che il BMS spegnerà tutti i carichi non appena una cella scenderà al di sotto della soglia di bassa tensione. Questo potrebbe non corrispondere necessariamente alla tensione dei mor-setti della batteria. Quindi, se si indaga su scenari di bassa tensione, utilizzare sempre VictronConnect per esaminare le tensioni effettive delle celle e non basarsi solo sulla tensione dei morsetti della batteria.
7.4. Preallarme di sottotensione cella
La batteria invia un segnale al BMS in caso di imminente sotto tensione della cella. Questo viene utilizzato dal BMS per generare un segnale di preallarme. Questo segnale darà un avviso avanzato che il BMS sta per generare un segnale di «disconnessione del carico» e che i carichi stanno per essere spenti. Questo avviene ad una tensione di cella predefinita di 3,10 V e l’intervallo è compreso tra 2,80 V e 3,15 V.
Si prega di notare che le batterie più vecchie non supportano il preallarme.