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Batterie di avviamento al litio per moto

In questi ultimi anni sono state sviluppate e perfezionate, spinte dagli impieghi su telefoni cellulari e computer portatili, diverse tipologie di batterie a base Litio: Li-po, LiFe, LiMn ed altre, spesso indicate col nome generico di “batterie agli ioni di litio”.

Recentemente queste batterie sono diventate disponibili anche per impieghi su veicoli, in particolare su motoveicoli sportivi (moto da pista, da cross e da enduro) dove le dimensioni e il peso ridotto costituiscono un vantaggio notevole rispetto alle classiche batterie per avviamento al piombo.

Poichè il prezzo di queste batterie è ormai diventato paragonabile alle equivalenti al piombo ho deciso di acquistarne una per la mia moto da enduro...ed ovviamente testarla approfonditamente come fatto anni fa per le 72 celle LiFeYPO4 acquistate per la mia Seicento Elettra Eli.

Il test di quelle celle lo descrissi nel mio primo articolo su EY che potete leggere qui:

http://www.electroyou.it/richiurci/wiki/test-e-caratterizzazione-batterie-al-litio-lifeypo4

Questo invece è il 3d dove avevo chiesto pareri e poi deciso di acquistare e testare la batteria:

http://www.electroyou.it/forum/viewtopic.php?t=69621

In questo articolo descriverò la successione di misure e considerazioni fatte sia per la scelta della batteria che per caratterizzarla prima di istallarla sul possente mezzo.

Indice

La mia moto e la batteria di serie

La moto sulla quale istallerò la nuova batteria è una Beta RR300 2 tempi del 2013, una moto per enduro racing leggera e potente. Nella foto potete ammirarla com'era in origine...ora dopo innumerevoli rami, sassi e cadute è quasi irriconoscibile.

01-Beta_RR_Enduro_2T_2013_a01.jpg

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Solo da pochi anni anche queste moto sono state dotate di avviamento elettrico, ad affiancare (o solo raramente sostituire del tutto) il classico, faticoso ma affidabilissimo avviamento a pedivella.

Non ho particolari esigenze, non faccio gare ma un enduro "turistico", tant'è che da mesi giravo con la batteria originale totalmente esaurita a fare solo da "condensatore" e da zavorra.

La batteria originale è una classica batteria al piombo, UNIBAT CBTX5L-BS da 12V 4Ah. Tempo fa l'avevo sostituita con una batteria analoga comprata online, che sulla bilancia è risultata pesare 1,6kg. La densità energetica nominale è pari quindi a circa 30Wh/kg.

Non conosco la potenza del motorino di avviamento e non ho la strumentazione per misurarne la corrente (in particolare quella di spunto), ma ho effettuato misure per determinare (per curiosità personale) in maniera indiretta queste caratteristiche.


Scelta della batteria al Litio e sue caratteristiche

La scelta della batteria al litio si è basata su criteri non solo tecnici: prezzo e disponibilità, affidabilità del marchio, informazioni tecniche disponibili, eventuali recensioni o pareri di altri motociclisti.

Da una breve ricerca alcuni marchi sono ritenuti più affidabili e/o facilmente reperibili: Skyrich, Magneti Marelli, Shido, Okyami, Bosch e tante altre.

Si tratta di batterie LiFeYPO4 (anche se spesso non è specificato) e le informazioni tecniche sono carenti, in particolare non sempre viene dichiarata chiaramente la capacità in Ah, e non viene chiaramente spiegato se la batteria contiene un circuito interno di bilanciamento (BMS) oppure no.

Molte di queste batterie sembrano provenire dallo stesso produttore essendo praticamente identiche a parte il colore e gli adesivi esterni, molte hanno un tastino che comanda l'accensione di LED per indicare il livello di carica residua. Ho quindi deciso di scegliere il marchio che per primo ha proposto questo tipo di batterie, ed ho acquistato una Skyrich HJTZ5S-FP-SWI.

Dal sito del costruttore è possibile ricavare le seguenti caratteristiche tecniche:

Dimensioni: 114 x 71 x 86.1mm

Peso: 408g (misurato 440g)

Indicatore di carica luminoso

CCA 120 (?)

Capacità: 4 PBEQ

Ho così scoperto l'esistenza di una nuova unità di misura! Infatti è quasi impossibile ottenere per queste batterie la classica misura di capacità per scarica lenta in Ah, e viene fornita una non meglio specificata "capacità piombo-equivalente".

Questo metodo per caratterizzare le batterie, per quanto comprensibile per facilitare la scelta a chi non conosce l'effetto Peukert, mi ha ulteriormente spinto ad effettuare un test approfondito descritto in seguito.

La bilancia conferma invece il notevole vantaggio in peso (ma anche in volume) rispetto alla batteria equivalente al piombo.

Ulteriori informazioni e suggerimenti ricavati dal bugiardino e/o dal sito del produttore:

- Corrente di carica consigliata 1A (max 10A)

- tensione di carica verificare il circuito a bordo): compresa tra 14V minimo (a 2000rmp) e 15V massimo (a 5000 rpm o più)

- corrente massima di scarica: fino a 40C (anche se C non è specificato...)

- in caso di non utilizzo ricaricare completamente ogni 6 mesi, conservare al 70% di carica circa

- ricaricare se la tensione a vuoto scende sotto i 12,4V

- verificare che il veicolo spento abbia un assorbimento da batteria <1mA


Come vedremo in seguito le mie misure consigliano prudenzialmente di stare più bassi con la tensione massima di ricarica, non superando i 14,4-14,5V.

Viene inoltre riportata la seguente tabella:

01b-tabella.jpg

01b-tabella.jpg

Strumentazione

Per la caratterizzazione della batteria ho utilizzato:

- un multimetro Fluke

- un semplice alimentatore regolabile autocostruito

- una resistenza di potenza per le prove di scarica formata da 6 resistenze corazzate da 3,9 Ohm 15W collegate in serie -> resistenza totale 23,4 Ohm (misurati a caldo circa 23.8-24.3 Ohm)

Prime misure sulla batteria

La batteria alla consegna presentava una tensione a vuoto Vo=13,2V (quindi mediamente 3,3V/cella) ed ha accettato fino alla carica completa (15V circa) meno di 0,5Ah.

Era quindi probabilmente nello stato di carica consigliato per lo stoccaggio (75% circa)

Evidenti le dimensioni ridotte rispetto alla equivalente piombo, la confezione infatti contiene spessori in gomma per riportarla eventualmente all'altezza giusta:

02b-confronto_rid.jpg

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Sulla faccia superiore è presente un tastino "test" con 3 LED che segnalano lo stato della carica della batteria:

03b-skyrich_top_rid.jpg

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Le misure hanno evidenziato le seguenti soglie approssimative di accensione dei "test LED"

accensione "FUL": 13,06V circa (3,26 V/cella)

accensione "MED": 12,95V circa (3,24 V/cella)

sotto i 12.95V si accende il solo led "LOW" (meno di 3,24 V/cella).

Queste soglie non sono del tutto coerenti con la tabella ricavata dal sito.

Presenza del BMS

La prima ricarica e le successive sembrano confermare la presenza di un circuito di equalizzazione delle celle (BMS - Battery Management System) molto semplice perchè privo di comunicazione con l'esterno, e capace di gestire e “tenere a bada” solo equalizzazioni a correnti molto basse.

Le misure hanno infatti evidenziato un assorbimento costante di corrente per tensioni uguali o maggiori di 14,4V (meno di 0,1A @14,4V, circa 0,15A a 14,43V, circa 0,2A a 14,9V).

E' una caratteristica indicazione della presenza di un circuito BMS resistivo con soglia di intervento a 14,4V; per correnti maggiori di 0,2A il circuito non riesce a stabilizzare la tensione della batteria che sale rapidamente sopra i 15V massimi ammessi. E' quindi importante assicurarsi che il circuito di ricarica a bordo del mezzo non vada oltre i 15V.

L'intervento del BMS inoltre è confermato da un evidente riscaldamento localizzato nella parte alta della batteria; per evitare questo riscaldamento e ridurre i rischi di overvoltage suggerisco di non superare durante le ricariche la tensione di 14,5V.


Prima scarica “lenta” e misura della capacità reale in scarica

La prima scarica effettuata con la resistenza di potenza (I=0,5A=) e riportata nel grafico evidenzia il classico andamento con ginocchio:
04-scarica.jpg

04-scarica.jpg

è evidente come è pericoloso, per la durata della batteria, utilizzare più del 90% della capacità nominale senza un adeguato circuito di allarme che impedisca l'undervoltage. Con correnti di scarica elevate ovviamente tutta la curva si abbassa in maniera considerevole, per esempio la tensione di batteria con motorino di avviamento in funzione è risultata a batteria carica pari a circa 11,2V. La capacità reale misurata con corrente I=0,5A (0,33C circa) è risultata pari a 1,4Ah circa.Ho dedotto una capacità nominale Cnom= 1,5 Ah circa (scarica lenta nelle 20h)

Ricarica e misura della capacità reale in ricarica

La curva di carica riportata in figura presenta il classico ginocchio che indica il raggiungimento del 100% di carica:

05-carica.jpg

05-carica.jpg

L'andamento e i valori di tensione sono classici delle LiFeYPO4:

- tensione di carica completa: circa 3,4 V/cella (Vbatt=13,6V)

- tensione intervento circuito di equalizzazione: 3,6V/cella (Vbatt= 14.4V)

Per tensioni sopra i 13,6V la curva diventa ripida e si dovrebbe usare una corrente di ricarica bassa e una limitazione affidabile della tensione massima di carica a 14,5V massimo.

Solo con correnti di carica molto basse (minori di 0,2A) ha senso spingersi sopra i 13,6V per equalizzare le 4 celle interne che costituiscono la batteria.

Interrotta la carica la batteria si riporta velocemente intorno ai 13,6V, per poi assestarsi in qualche ora a 13,4V circa.

Prove su veicolo

Confidando sulle prestazioni notevoli di queste batterie ho effettuato un test di avviamento intensivo sulla mio moto, scollegando la pipetta di collegamento della candela per simulare un veicolo ingolfato o comunque con problemi di accensione.

Un motorino di avviamento rappresenta per la batteria un carico gravoso, contraddistinto da un notevole impulso di corrente iniziale ("spunto") e una corrente media comunque elevata, ben maggiore della corrente limitata usata per caratterizzare le batterie in commercio (le capacità nominali sono infatti fornite riferendosi alla scarica in 20h).

Queste considerazioni e la mancanza di strumentazione di misura idonea a scariche impulsive mi ha fatto decidere per un test basato su tentativi ripetuti di avviamento, ciascuno della durata di 5s e separati pochi secondi uno dall'altro. In pratica la simulazione di un guidatore che tenta ripetutamente di avviare il suo mezzo in panne.

In tabella i valori approssimati di tensione rilevati durante i tentativi; la batteria a inizio test era stata da poco caricata al 100% con Vo=13,44V: t: tempo trascorso in secondi; Vmin:tensione batteria durante l'avviamento; Vo: tensione batteria a vuoto dopo pochi secondi (prima del tentativo successivo)

06-tab_avviamenti.jpg

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Mi sono fermato (con batteria ancora efficiente) dopo ben 12 tentativi, pari a circa 1 minuto di avviamento continuativo: una enormità!

E' evidente come la batteria, che a fine prova risultava calda, a differenza delle batterie al pb si avvantaggia del riscaldamento diventando più efficiente dopo i primi tentativi; solo all'esaurirsi della carica residua la tensione durante l'uso e quella a vuoto diminuiscono evidenziando l'avvicinarsi della scarica completa.

Questa prova mi ha anche permesso di ricavare indirettamente la potenza media assorbita dal motorino di avviamento.

La batteria in ricarica ha assorbito circa 1,3Ah; considerata l'elevata efficienza di questa chimica ipotizzo abbia erogato circa 1,2 Ah.

Ne ricavo, in maniera molto approssimativa: Ah erogati in 5s di avviamento: 0,1 Ah circa -> possibili circa 15 avviamenti consecutivi di 5s cad.

Corrente di scarica media approx: 1,2Ah/ 1' = 72A

Potenza media assorbita dal motorino di avviamento: 72 x 11,3= 813W circa

(in realtà comprende la potenza dissipata sui cavi di alimentazione sottodimensionati)

Effetto Peukert e "Ah piombo-equivalenti"

E' possibile ora fare un confronto tra batteria al litio e batteria originale al piombo-gel. E' un confronto "virtuale", il test è stato abbastanza approssimativo e non ho modo di fare un test analogo su una batteria al piombo, che probabilmente non supererebbe una prova del genere. Il test però ha confermato che le batterie litio non soffrono dell' effetto Peukert, anzi si avvantaggiano del riscaldamento indotto da eventuali tentativi ripetuti. La corrente di scarica di circa 72A equivale per la batteria originale da 4Ah ad una scarica veloce a 18C.

La formula di Peukert dice che la capacità effettiva Cp è data da:


Cp = C (C/I x H)^(k-1)

considerando che C=4; H=20h (tempo di scarica per le capacità nominali) k=1,2 circa per pb-gel

si ricava Cp = 1,23 Ah.

Il calcolo conferma che la batteria al litio, pur avendo una capacità nominale pari al 40% della originale al piombo, nell'impiego sul mezzo permette di offrire prestazioni superiori grazie all'assenza di effetto Peukert.

Ed ecco un confronto delle densità di energia delle due batterie; per la densità di energia nominale ho utilizzato gli Ah dichiarati (o misurati da me per la litio) e le tensioni nominali (12.6V per pb, 13,2V per litio). Le densità di energia reali sono calcolate considerando Ah erogabili (1,23/1,4Ah) e tensione di utilizzo (11,3V per entrambi)

07-densità_energia.jpg

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Conclusioni

Le batterie LiFeYPO4 hanno sicuramente prestazioni eccezionali rispetto alle tradizionali batterie al piombo, con un risparmio notevole di peso e ingombro a parità di prestazioni.

I produttori però usano queste prestazioni per ridurre al minimo gli Ah reali, e forniscono batterie "equivalenti" che hanno Ah reali pari a circa il 30-40% delle batterie originali, peso pari a 1/3-1/4 delle originali.

L'uso dei circuiti di ricarica a bordo veicolo espone queste batterie a un rischio potenziale di surriscaldamento e incendio (quasi impossibile con le LiFeYPO4) ed è quindi opportuno verificare che la tensione di ricarica sul veicolo sia compresa tra 14V minimo e 14,5V massimo (i 15V indicati come massimo dai costruttori mi sembrano eccessivi).

E' opportuno ricordare che le batterie al litio soffrono come tutte le batterie di scariche eccessivi che portano la tensione di una o più celle sotto il valore limite (Vbatt,min=10,5-11V circa per le LiFeYPO4).

In caso di mancato avviamento è quindi inutile e anche molto dannoso insistere col pulsante di avviamento se la batteria non ha spunto sufficiente per mettere in rotazione il motorino di avviamento.

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Commenti e note

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di ,

hai ragione... e pensa che vengo etichettato come "verdista" ahahahhahhh Comunque ho carburato in modo da minimizzare consumi e fumosità. Giuro che avevo anche conservato il mio vecchio KTM per una "elettrificazione", ma poi ho desistito per motivi burocratici. Passerò in futuro a una enduro elettrica, o almeno una e-bike..

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di ,

interessante. P.S. tu tutto attento a non inquinare guidi un due tempi per i boschi.. Dove andremo a finire.

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