Cose da sapere sulle batterie

Le batterie o gli accumulatori vengono utilizzati per immagazzinare energia elettrica. I dispositivi di accumulo di energia che possono essere ricaricati più volte sarebbero in realtà chiamati accumulatori.

La base di ogni batteria è la  serie elettrochimica . Se due metalli diversi vengono immersi in un elettrolita, si crea una tensione tra i metalli. A seconda dell’applicazione, come elettrolita viene utilizzato un acido o una base. Il livello di tensione che si sviluppa tra le piastre metalliche dipende dal tipo di materiale di cui sono composti i metalli. Tuttavia, non è necessario che entrambe le piastre siano costituite da metallo puro. Ad esempio, in una batteria al piombo-acido, un lato è costituito da ossido di piombo. I due materiali, insieme all’elettrolita, formano la cella della batteria. In una batteria al piombo-acido, questa cella fornisce una tensione di esercizio media di 2 V CC. Queste celle possono quindi essere collegate in serie per ottenere la tensione desiderata.

Caratteristiche della batteria

Fondamentalmente sono due le informazioni importanti che caratterizzano la batteria:

Tensione nominale in volt [V]

A seconda della combinazione di materiali e del numero di celle collegate in serie , è possibile ottenere diverse tensioni di esercizio. Per applicazioni ad alto consumo energetico, si sono affermate le tensioni di 6 V (in precedenza utilizzate nei motocicli), 12 V, 24 V, 36 V (applicazioni ferroviarie) e 48 V (sistemi di telecomunicazione e veicoli municipali più piccoli).

È anche possibile collegare in serie intere batterie . Questo consente di creare un sistema a 24 V con due batterie da 12 V. Tuttavia, è importante assicurarsi che le batterie siano dello stesso produttore, dello stesso tipo e della stessa capacità . Inoltre, le batterie devono essere della stessa età e completamente cariche prima dell’uso. Quando si collegano in serie batterie AGM o altre batterie sigillate (ad esempio, 24 V) , si consiglia di utilizzare un equalizzatore di carica . Questo garantisce che tutte le batterie siano caricate allo stesso modo.

Poiché le celle agli ioni di litio e sodio hanno una tensione nominale diversa rispetto alle celle al piombo, la tensione nominale delle batterie agli ioni di litio è solitamente leggermente superiore a quella delle batterie al piombo.

Capacità in ampere-ora [Ah] o watt-ora [Wh]

La capacità indica in definitiva quanta energia elettrica immagazzina la batteria. L’energia elettrica si calcola come corrente per tensione per tempo . Poiché la tensione in una batteria è approssimativamente costante, è sufficiente specificare semplicemente corrente per tempo [Ah].

Questo valore viene determinato scaricando la batteria completamente carica con una corrente costante utilizzando un misuratore di capacità . Viene misurato il tempo necessario al raggiungimento della corrispondente tensione di scarica finale.

La capacità di una batteria dipende in larga misura dalla superficie delle piastre. Per aumentare la capacità, è anche possibile collegare le batterie in parallelo . Come per il collegamento in serie, è estremamente importante che le due batterie siano identiche .

Può essere fonte di confusione il fatto che a volte vengano specificate capacità diverse per la stessa batteria. Questo perché, a seconda della corrente di scarica, è possibile estrarre più o meno energia dalla batteria. Maggiore è la corrente di scarica, minore è l’energia che può essere estratta. Pertanto, quando si considera la capacità, è importante prestare attenzione anche al tempo di scarica su cui si basa tale capacità.

Questo valore è espresso dal valore C. La capacità è solitamente specificata come C20, il che significa che la corrente di scarica è stata scelta così alta che la batteria si è scaricata dopo 20 ore.

Per le batterie solari , la capacità è indicata anche come C100, il che significa che la corrente è stata scelta in modo significativamente inferiore.

Per le batterie di trazione , la capacità è spesso specificata a C10 . Per le batterie di trazione industriali, la capacità è specificata anche a C5, ovvero con un tempo di scarica di 5 ore.

Alcuni produttori specificano anche la capacità in base a diversi tempi di scarica tipici.

Una descrizione matematica di questo effetto, chiamata anche formula di Peukert.

L’effetto Peukert, in termini semplici, descrive come la capacità di una batteria diminuisce all’aumentare della velocità con cui viene scaricata. In altre parole, se si preleva corrente dalla batteria più rapidamente del previsto, la sua capacità effettiva (in termini di ampere-ora) sarà inferiore a quella nominale. Questo fenomeno è più pronunciato in alcune tecnologie di batterie, come quelle al piombo-acido, rispetto ad altre, come quelle agli ioni di litio.

Per le batterie agli ioni di litio e sodio, i box energetici o le unità di accumulo di energia solare , la capacità è spesso espressa in wattora [Wh] o persino in kilowattora [kWh]. Questa è anche l’unità corretta per la quantità di energia. Le batterie agli ioni di litio e sodio hanno solitamente una tensione nominale più elevata, quindi i wattora sono più precisi. Per i box energetici e le unità di accumulo domestiche, la tensione nominale della batteria è spesso sconosciuta o gioca un ruolo secondario.

Naturalmente, ci sono molti altri parametri importanti per il funzionamento di una batteria ricaricabile:

Tensione di carica finale

La carica di una batteria al piombo-acido si interrompe quando viene raggiunta la tensione di carica finale e la corrente di carica scende al di sotto di un certo valore. A questo scopo, i regolatori di carica vengono utilizzati nei sistemi stand-alone. Quando la batteria è completamente carica, la corrente di carica viene ridotta, ad esempio in un regolatore di carica solare . Con un regolatore di carica parallelo o un regolatore di carico per una turbina eolica o idraulica, la potenza in eccesso viene dissipata in una resistenza di carico .

A proposito, con una batteria al nichel-cadmio (Ni-Cd) o una batteria al nichel-metallo idruro (Ni-MH), il processo di carica è determinato dalla corrente o dalla temperatura della batteria.

È importante notare che le batterie a celle umide e le batterie AGM senza manutenzione non hanno la stessa tensione di carica finale. Le batterie AGM sono generalmente più elevate. Per le batterie a celle umide da 12 V , le batterie al gel da 12 V e le batterie al calcio , la tensione di carica finale è in genere di 14,4 V. Per le batterie AGM, si presume che la tensione di carica finale sia di 14,7 V.Per le batterie agli ioni di litio, la tensione di carica finale dipende dal sistema di gestione della batteria (BMS) integrato  . Le specifiche del produttore devono essere rigorosamente rispettate.

Se la batteria è sovraccarica, ovvero se continua a caricarsi dopo aver raggiunto la tensione di carica finale, l’idrogeno, noto anche come ossidrico, si forma dall’acqua presente nell’elettrolita tramite elettrolisi. In una cella umida, questo gas fuoriesce. Pertanto, è necessario aggiungere periodicamente acqua distillata. In una batteria esente da manutenzione, l’idrogeno è legato in una certa misura al gel e poi si decompone nuovamente durante il processo di scarica. Inoltre, la batteria al gel è dotata di una valvola di sicurezza che consente all’idrogeno di fuoriuscire in caso di sovraccarico.

ATTENZIONE! L’idrogeno è altamente infiammabile. Pertanto, le batterie umide devono essere utilizzate solo in aree ben ventilate.

Le batterie agli ioni di litio non devono mai essere sovraccaricate. Nella maggior parte delle batterie, questo è impedito dal BMS interno. Pertanto, si dovrebbero utilizzare solo batterie al litio che consentano uno spegnimento sicuro in caso di sovratensione delle celle.

ATTENZIONE! La sovraccarica di una batteria al litio può causare incendi e il rilascio di gas tossici.

Tensione di scarica finale

Le batterie al nichel-cadmio, così come le batterie agli idruri metallici, possono essere scaricate completamente senza danni. In realtà, è un bene per queste batterie e si consiglia di scaricarle completamente frequentemente.

Per le batterie al piombo, siano esse al gel a bassa manutenzione, AGM o umide, una scarica eccessiva è dannosa e riduce notevolmente la durata della batteria.

Pertanto, la batteria al piombo non deve mai essere utilizzata al di sotto della tensione di scarica finale specificata dal produttore. Le batterie devono inoltre essere sempre completamente cariche.

Le batterie agli ioni di litio e al sodio possono essere scaricate completamente senza comprometterne la durata. Tuttavia, è importante ricaricarle immediatamente dopo l’uso . Se la batteria al litio viene conservata per diverse settimane dopo essere stata completamente scarica, l’autoscarica la danneggerà. Per garantire il bilanciamento delle celle , la batteria al litio e al sodio deve essere ricaricata completamente di tanto in tanto .

Durata della batteria

Le batterie sono intrinsecamente deperibili . Se una batteria viene lasciata scarica per un periodo di tempo prolungato, si guasterà. La durata dipende dal tasso di autoscarica della batteria .

Se utilizzata in modo improprio, una batteria può essere distrutta in pochi giorni senza che siano visibili danni esterni. Per questo motivo, la maggior parte dei fornitori di batterie offre solo una garanzia di 6 mesi .

La Profondità di scarica DoD  (Depth of Discharge ) è la misura di quanta energia è stata prelevata da una batteria, e viene espressa in una percentuale (%)  della capacità totale della batteria.

In alcune tecnologie di batterie come le AGM piombo c’è una correlazione tra la profondità della scarica e il ciclo di vita della batteria.

La profondità di scarica (DoD) è definita come la capacità in Ampere-ora (Ah) che viene scaricata da una batteria completamente carica, diviso la capacità nominale della batteria .

DoD è normalmente dato in percentuale (%).

DoD= Ah/Cn

dove: DoD= profondità di scarica in percentuale; Ah = capacità in Ah (Ah=Is*t ); Cn= capacità nominale.

Esempio: se una batteria di 100Ah è utilizzata per 30 minuti con una corrente di scarica (Is) di 50A, la profondità di scarica sarà:

DoD= (Is*t/Cn) 100= (50 0,5/100)*100 = 25%

Il tempo è in minuti e dovremo trasformarlo in ore dividendo i minuti per 60: 30 minuti/ 60= 0,5 ore.

Oppure se conosco la capacità in Ampere-ora (Ah) che viene scaricata da una batteria completamente carica, che nel caso precedente è 25 Ah, e la capacità nominale della batteria,  che nel caso precedente  è 100 Ah, divido 25/100 e ottengo 0,25 e lo moltiplico per 100 e avrò che il DoD sarà del 25%.

Perché il DoD  e il ciclo di vita delle batterie sono strettamente legati? Perché  più si scarica completamente la batteria più ci sono le probabilità che la batteria si degrada rapidamente. Allo stesso modo, più cicli di scarica che subisce una batteria, e più veloce si degradano. Per cui  il DoD massimo per il ciclo di vita di una batteria conta nel suo valore complessivo. È consigliabile, per allungare la vita delle batterie,  mantenere la massima DoD delle batterie a una percentuale del 50% per le batterie al piombo e all’ 80% per le batterie al Litio.

La durata dipende anche dall’uso della batteria.

Per una batteria di riserva (nei sistemi UPS, nei sistemi di allarme antincendio, nelle luci di emergenza, ecc.) è importante il numero di anni in cui la batteria non perde capacità quando è sottoposta a carica di mantenimento continua.

Il numero di anni è solitamente indicato nella scheda tecnica. Ma attenzione : le informazioni sulla durata della batteria si riferiscono a una temperatura della batteria di 20/25 °C . Temperature più elevate riducono la durata. Un aumento da 10 °C a 30 °C può dimezzarla.

Questo problema può essere in qualche modo contrastato riducendo la carica di mantenimento.

Per una batteria di trazione o altre batterie cicliche , tuttavia, il numero di cicli è il fattore più importante. La domanda qui è con quale frequenza la batteria può essere caricata e scaricata.

Anche con le batterie solari , la stabilità del ciclo è più importante del tempo di standby .

Quando i produttori specificano il numero di cicli, è essenziale confrontare le condizioni pertinenti. I produttori asiatici spesso specificano il numero di cicli al 100% di scarica (DOD). I produttori europei specificano solo il numero di cicli all’80 % di scarica . Come si può vedere dal grafico adiacente, il numero di cicli all’80% di scarica è significativamente superiore rispetto al 100%. Si noti che il 100% non significa che la batteria sia a 0 V, ma piuttosto che è stato utilizzato il 100% della sua capacità nominale. Ad esempio, la batteria con un C20 è stata scaricata per 20 ore.

Naturalmente, il numero di cicli deve essere sempre considerato in condizioni ottimali. Picchi di corrente più elevati o temperature diverse possono ridurre il numero di cicli.

Il calcolo del numero di cicli delle batterie di accumulo di energia fotovoltaica è direttamente correlato alla “profondità di scarica (DOD)”. Quando la batteria viene scaricata a metà (ad esempio, passando dal 100% di SOC al 50%) e poi caricata, il numero di cicli non viene calcolato come “un ciclo completo”, ma accumulato in base ai tempi equivalenti di carica e scarica completa. Di seguito un’analisi specifica:

1. La definizione principale del numero di cicli: basata su “carica e scarico equivalenti”

La definizione di ciclo completo

Il processo di scarico della batteria da Full Charge (1 0 0% SOC) in completamente vuoto (0% SOC), e quindi ricaricati a pieno carico, viene conteggiato come 1 ciclo completo .

Esempio: 1 0 0%→ 0%→ 100%= 1 ciclo .

Calcolo del numero di cicli di carica parziale e scarico

Quando la profondità di scarico (DOD) non raggiunge il 100%, il numero di cicli viene accumulato in base alla proporzione della profondità di scarico .

Formula: numero equivalente di cicli=profondità di scarico (dod) ÷ 100%

Esempio: scarica 50%(100%→ 50%), quindi questa operazione è 0 . 5 cicli equivalenti; Se viene dimesso del 50% e addebitato di nuovo, le due volte vengono accumulate come 1 ciclo completo.

2. Esempio di calcolo dello scenario specifico

Scenario 1: scarica singola 50% seguito dalla ricarica

Processo di scarico: 100% SOC → 50% SOC (dod =50%)

Processo di ricarica: 50% SOC → 100% SOC

Calcolo del numero di ciclo:

Numero equivalente di cicli=50% ÷ 100%=0.5 volte, cioè questa operazione è conteggiata solo come mezzo ciclo .

Scenario 2: accumulo di scarico parziale multiplo

1a volta: 100%→ 70%(dod =30%) → Carica al 100%→ Accumulato 0,3 cicli

2a volta: 100%→ 60%(dod =40%) → carica al 100%→ accumulato 0,4 cicli

3a volta: 100%→ 50%(dod =50%) → Carica al 100%→ Accumulato 0,5 cicli

Numero totale di cicli: 0.3+0.4+0.5=1.2 volte, che equivale a 1 . 2 Cicli completi.

3. Differenze nei tempi di ciclo di diversi tipi di batterie

TEMPI CICLO NOMINALE DEL TIPO BATTERIA (80% DOD) Caratteristiche di durata del ciclo sotto scarica parziale .

Batteria di fosfato di ferro al litio 3000-6000 volte quando parzialmente dimesso (come il 50% di DOD), i tempi di ciclo possono essere raddoppiati in 6000-12000 volte .

Batteria al litio ternario 1000-2000 volte la scarica parziale migliora significativamente la durata del ciclo, ma decade più velocemente ad alte temperature .

Batteria con acido piombo 300-500 volte quando parzialmente dimesso (come il 50% DOD), i tempi di ciclo sono circa 500-800 tempi .

Nota: i tempi di ciclo nominale si basano generalmente sull’80%di DOD (come 100%→ 20%→ 100%) . Se il DoD è inferiore nell’uso effettivo (come il 50%), i tempi di ciclo equivalenti devono essere convertiti proporzionalmente e la durata della batteria verrà estesa di conseguenza .}

4. fattori di influenza nelle applicazioni pratiche

Algoritmo del sistema di gestione delle batterie (BMS)

La maggior parte dei BM calcolerà il numero equivalente di cicli in base alla capacità di scarica cumulativa ., ad esempio, se la capacità della batteria è 10kWh, lo scarico cumulativo di 5kWh viene conteggiato come 0 . 5 cicli.

Alcuni BM di fascia alta regoleranno dinamicamente la logica di calcolo del ciclo in base a parametri come profondità di scarico, temperatura e velocità di carica e scarica .

Temperatura e velocità di carica e scarico

In ambienti ad alta temperatura (>40 gradi) o bassa temperatura (<0℃), anche se la batteria è parzialmente scarica, il tasso di decadimento accelererà e il numero equivalente di cicli potrebbe essere “falsamente aumentato”.

Fast charging (>1c) aggraverà la perdita interna della batteria e il coefficiente di conversione del ciclo può essere più elevato sotto lo stesso DOD (come 0 . 5 cicli La perdita effettiva è equivalente a 0,6 volte).

Soglia di decadimento della capacità

Lo standard di terminazione per il numero di cicli è di solito quando la capacità della batteria decade all’80% del valore nominale . Ad esempio: quando una batteria da 10kWh decade a 8kWh, si ritiene che abbia raggiunto il numero nominale di cicli .

In scenari di scarico parziali, il decadimento della capacità è più lento e il numero effettivo di cicli disponibile può superare il valore nominale (e . g ., il numero di cicli di fosfato di ferro al litio al 50% DOD può raggiungere 1.5-2 volte il valore nominale) .

5. Suggerimenti per gli utenti: ottimizzare il calcolo del ciclo e la durata della batteria

Evita una scarica profonda

Prova a controllare la profondità di scarico entro il 50%(e . g ., 100%→ 50%), che può dimezzare il numero equivalente di cicli e estendere significativamente la durata della batteria .

Esempio: una batteria di fosfato di ferro al litio con 3000 cicli nominali (80% DOD) può effettivamente ciclare più di 6000 volte se utilizzato al 50% DOD .

Usa BMS per monitorare i cicli equivalenti

Visualizza il “numero di ciclo equivalente cumulativo” tramite l’app del sistema di accumulo di energia e pianifica il ciclo di sostituzione in anticipo in base ai dati di decadimento della capacità della batteria (come la percentuale di capacità rimanente) .

In combinazione con la strategia dei prezzi elettrici per bilanciare la ricarica e lo scarico

Se l’obiettivo è l’arbitraggio di picco-valle (come la ricarica durante le ore della valle e lo scarico durante le ore di punta), la scarica parziale (come il 30% -50% DOD) può essere utilizzato preferibilmente per ridurre il numero di cicli garantendo al contempo i profitti .}

Logica di calcolo del numero di cicli

Formula core: numero equivalente di cicli=profondità di scarica cumulativa (Dod totale) ÷ 100%

Principio chiave: lo scarico parziale viene accumulato in proporzione, minore è la profondità, più lento viene consumato il numero di cicli;

Ottimizzazione della vita: controllo della profondità di scarico<50% può far sì che la durata effettiva della batteria raggiunga 1,5-2 volte il valore nominale.

Attraverso la logica di cui sopra, gli utenti possono valutare accuratamente la perdita dell’uso delle batterie di conservazione dell’energia fotovoltaica e pianificare razionalmente le strategie di funzionamento e manutenzione e sostituzione.

Guasti prematuri della batteria

Anche se molte batterie vengono vendute come “senza manutenzione “, richiedono comunque una certa cura . Un uso improprio può anche ridurne significativamente la durata. Di seguito sono riportati alcuni guasti precoci comuni:

Carenza di energia della batteria:

forse la causa più comune di morte della batteria è la carenza di energia. Se la batteria viene conservata per un lungo periodo o viene scaricata troppo a fondo con una piccola corrente, sulle piastre delle batterie al piombo si forma uno strato di solfato. Questo può verificarsi anche se la batteria non viene mai completamente caricata per un periodo prolungato. Il problema di solito si manifesta in primavera, quando la batteria di un camper o di uno scooter elettrico è di nuovo necessaria ma non ha più alcuna capacità. Nelle applicazioni in cui si presume che la batteria abbia spesso un livello di carica basso, un desolfatore può alleviare in qualche modo il problema.

Le batterie agli ioni di litio non presentano il problema dello strato di solfato. Inoltre, non temono di essere lasciate scariche per lunghi periodi. Anzi, il contrario. Idealmente, ad esempio, una batteria al litio dovrebbe essere conservata con un livello di carica dell’80% .

Scarica profonda:

una batteria non ama essere completamente scarica. Più profonde e frequenti sono le scariche, più breve sarà la sua durata. Pertanto, raccomandiamo una protezione contro la scarica profonda per tutte le applicazioni con batterie . Ma attenzione. Anche se questi dispositivi disattivano i carichi alla tensione appropriata, consumano una piccola quantità di energia e possono scaricare ulteriormente la batteria. Pertanto, è molto importante ricaricare immediatamente la batteria. Altrimenti, la batteria si scaricherà completamente.

La tensione di cutoff inferiore dipende dalla batteria e dalla corrente di scarica. Maggiore è la corrente di scarica, minore può essere la tensione di cutoff. Se non si conoscono altri parametri e non si verificano correnti di scarica elevate, si consiglia una tensione di cutoff inferiore, compresa tra 11 V e 11,5 V, per una batteria al piombo-acido da 12 V. La maggior parte delle batterie agli ioni di litio è già dotata di protezione integrata contro la scarica profonda. Anche con le batterie agli ioni di litio , è importante ricaricare la batteria tempestivamente dopo l’attivazione della protezione contro la scarica profonda. In caso contrario, la batteria potrebbe danneggiarsi.

Sovraccarica della batteria

Con i caricabatterie moderni e le impostazioni appropriate del dispositivo, la sovraccarica della batteria è quasi impossibile. Può verificarsi se una batteria sigillata (batteria AGM o GEL) viene caricata con un caricabatterie configurato per batterie ad acido libero con un’elevata tensione di carica. La sovraccarica può verificarsi anche quando si collegano in serie, se i livelli di carica sono molto diversi. Quando si collegano batterie sigillate in serie, si consiglia vivamente di utilizzare un equalizzatore di carica , che può ridurre notevolmente questo rischio.

Cortocircuito delle celle:

sebbene sentiamo spesso parlare di cortocircuiti delle celle e i clienti spesso lo sospettino in caso di batterie difettose, soprattutto quando la batteria e calda. Il materiale elettricamente conduttivo si accumula sul fondo della cella fino a toccare entrambe le piastre, causando un cortocircuito. La batteria difficilmente può essere caricata fino alla tensione di carica finale e le celle non in cortocircuito producono una quantità significativa di gas. Non appena la carica viene rimossa e la batteria viene sottoposta a un leggero carico, la tensione della batteria scende a 11 V o meno.

Prelievo di tensione in collegamento in serie

Se si dispone di un sistema di batterie a 24 V, a volte potrebbe essere pratico poter collegare un’utenza a 12 V. Ad esempio, un apparecchio di illuminazione a 12 V o un’altra utenza disponibile a basso costo tra gli accessori per auto. La tentazione è forte di alimentare semplicemente questa utenza con una delle batterie a 12 V. ATTENZIONE! Non prelevare 12 V in nessun caso. Purtroppo, questo non funziona a lungo. La batteria senza utenza a 12 V verrà sovraccaricata e perderà rapidamente liquido. La batteria con l’utenza non verrà mai caricata correttamente e si esaurirà. Se è necessario collegare anche utenze a 12 V a un sistema di batterie a 24 V, si consiglia di utilizzare un convertitore CC/CC .

Batterie collegate in serie con diversi livelli di carica

Quando si collegano le batterie in serie , è necessario assicurarsi che tutte le batterie abbiano lo stesso livello di carica . In caso contrario, una batteria verrà sovraccaricata durante la carica e l’altra sottocarica. Quella con il livello di carica inferiore verrà anche scaricata troppo profondamente durante la scarica. Questo non era così grave con le batterie al piombo-acido aperte, perché la carica si equalizzava dopo alcune cariche di equalizzazione ed era sufficiente rabboccare una batteria con un po’ più di acqua distillata . Questo non è più possibile con le batterie GEL o AGM. Si consiglia pertanto di caricare le batterie singolarmente allo stesso livello di carica prima di collegarle in serie . Poiché la capacità di alcune batterie aumenta con i primi cicli di carica, è persino consigliabile eseguire alcuni cicli di carica e scarica delle batterie prima di collegarle insieme. Si consiglia inoltre di utilizzare equalizzatori di carica quando si collegano batterie GEL o AGM in serie .

Elevata temperatura di esercizio

Un aumento della temperatura di 10 °C raddoppia la corrosione interna che agisce sulle piastre di piombo. Per questo motivo, la durata di una batteria può essere dimezzata, ad esempio a 30 °C (lo standard EUROBAT è di 20 °C, mentre la maggior parte dei produttori asiatici indica 25 °C come temperatura standard). Le batterie al piombo dovrebbero quindi essere utilizzate, se possibile, in un intervallo di temperatura compreso tra 20 e 25 °C. A temperature più elevate, si consiglia di ridurre la tensione di carica di mantenimento . Inoltre, una temperatura più elevata riduce la tensione di fine carica, ovvero la formazione di gas si instaura prima e la ricombinazione del gas genera più calore. Ciò può portare a una grave deformazione della batteria a causa del calore . Le batterie soggette a fluttuazioni di temperatura o utilizzate a temperature superiori a 25 °C, ad esempio in case mobili o scooter elettrici, dovrebbero essere caricate con compensazione della temperatura. Il caricabatterie , il regolatore di carica solare o l’inverter multifunzione dovrebbero essere dotati di un sensore di temperatura per queste applicazioni.

Tipi di batterie ricaricabili

Lo sviluppo ha dato origine a vari tipi di batterie ricaricabili. Queste sono essenzialmente:

Collegamento delle batterie

Le batterie possono solitamente essere collegate in serie per ottenere una tensione più elevata . Le batterie possono anche essere collegate in parallelo , il che aumenta la capacità [Ah] .

Per entrambi i tipi di circuito si consiglia di utilizzare batterie dello stesso tipo (capacità, produttore, età).

Collegamento in serie

Con un po’ di attenzione, le batterie possono essere collegate in serie per quasi tutte le alte tensioni. Tuttavia, è estremamente importante che le batterie abbiano sempre lo stesso livello di carica. Si consiglia pertanto di caricare completamente le batterie con un caricabatterie convenzionale prima di collegarle tra loro . Anche se si collegano in serie solo due batterie al piombo-acido per un sistema a 24 V, è necessario prestare attenzione a non caricare le batterie in modo non uniforme. In caso contrario, la batteria meno carica verrà distrutta da una scarica profonda.

Per garantire che la capacità venga sfruttata al massimo e che la durata della batteria venga aumentata, consigliamo di utilizzare un equalizzatore di carica. Questi dispositivi garantiscono che le tensioni della batteria siano sempre le stesse a piena carica. Nel collegamento in serie, le tensioni vengono sommate. La capacità rimane invariata.

ATTENZIONE! Si raccomanda cautela quando si collegano batterie agli ioni di litio in serie. Il collegamento in serie deve essere espressamente autorizzato dal produttore. Le moderne batterie agli ioni di litio sono dotate di un elemento di spegnimento integrato che spegne la batteria in caso di sovratensione di una cella, ad esempio. Questo elemento di spegnimento deve essere progettato per la tensione generata dal collegamento in serie.

Collegamento parallelo

Come accennato in precedenza, solo batterie identiche dovrebbero essere collegate in parallelo. In nessun caso le batterie AGM dovrebbero essere mescolate con batterie al piombo convenzionali, poiché hanno tensioni di carica finali diverse. Ciò comporterebbe il sovraccarico della batteria al piombo convenzionale o la ricarica non corretta della batteria AGM. Solo batterie identiche con una differenza di età di soli pochi mesi dovrebbero essere collegate in parallelo . Si sconsiglia di effettuare un retrofit in un secondo momento.

Con le batterie al piombo-acido, se possibile, si dovrebbe evitare il collegamento in parallelo. È meglio utilizzare una batteria ad alta capacità piuttosto che collegare diverse batterie di piccole dimensioni in parallelo.

Per motivi di peso, è possibile collegare in serie anche elementi da 6 V o 2 V con capacità maggiore.

Se si desidera creare una batteria ad alta capacità utilizzando celle agli ioni di litio , non è un problema collegare le singole celle in parallelo. Il sistema di gestione della batteria riconoscerà quindi questo blocco parallelo come una singola cella.

Batterie in sistemi autosufficienti fuori dalla rete

Quasi ogni piccola centrale elettrica isolata (rifugio alpino, rifugio CAS, casa vacanze senza elettricità, ecc.) utilizza una batteria come accumulatore di energia. Per motivi di costo e capacità, si utilizzano prevalentemente batterie al piombo, mentre le batterie al litio sono raramente utilizzate.

Le batterie, probabilmente l’elemento più delicato della catena, richiedono un’attenzione particolare nella loro selezione e manutenzione.

Selezione della capacità

Sebbene l’accumulo di energia sia costoso, non si dovrebbe lesinare sulla capacità. Come regola generale: la capacità della batteria [Ah] dovrebbe essere circa 10 volte la corrente di carica [A].

Esempio: una turbina da 120 W a 12 V eroga una corrente di 10 A. -> La batteria dovrebbe avere una capacità di 100 Ah.

Tuttavia, questo è solo un aspetto. Ancora più importante in termini di capacità è l’autonomia: quanto tempo dovrebbe durare la batteria prima di scaricarsi completamente senza ricaricarla (ad esempio, perché l’ impianto solare non produce energia a causa del maltempo). A tal fine, è consigliabile creare un bilancio energetico.

Se la batteria è alimentata da un inverter , questo aspetto deve essere tenuto in considerazione nella scelta di un dispositivo di accumulo di energia. Gli inverter a volte generano correnti a bassa o alta frequenza, che possono persino sottoporre la batteria a sollecitazioni meccaniche. Purtroppo, è spesso difficile determinare se la batteria selezionata sia adatta al funzionamento con inverter.

Per quanto riguarda la capacità, i produttori di inverter raccomandano di utilizzare una corrente nominale pari a cinque volte quella nominale. Ad esempio, un inverter da 1000 W a 12 V produrrebbe una corrente nominale di 83 A (1000/12). Cinque volte questo valore equivarrebbe a 416 Ah. Poiché la maggior parte delle batterie AGM ha una resistenza interna inferiore e può quindi erogare correnti più elevate, si consiglia di utilizzarle con gli inverter.

Se si prevedono molti cicli e la longevità è importante, consigliamo di utilizzare batterie agli ioni di sodio.

Piombo o ioni di litio Se non è necessario un ciclo giornaliero e non sono richieste correnti di scarica molto elevate.

Funzionamento della batteria al piombo

Anche se si tratta di una batteria che non richiede manutenzione, non bisogna trascurare la batteria e soprattutto la carica.

Sovraccaricare o sottocaricare costantemente la batteria prima o poi porterà a un guasto.

In caso di sovraccarico, l’acqua si scinde in idrogeno (ossidrogeno) e ossigeno. In una batteria esente da manutenzione, questo processo è in una certa misura invertito internamente. La batteria aperta perde liquido in questo modo. Pertanto, deve essere riempita periodicamente con acqua distillata.

Se la batteria viene caricata raramente a sufficienza, sulle piastre si forma uno strato di solfato. La batteria si esaurisce e si verifica una graduale perdita di capacità.

In determinate circostanze, è possibile preservare la batteria mediante una ricarica a lungo termine (ad esempio 1 settimana) con una corrente bassa e una tensione di carica finale elevata.

La letteratura consiglia inoltre di sostituire l’acido con acqua distillata, o comunque di diluirlo considerevolmente, e di ricaricare la batteria in questo modo. Dopo la ricarica, l’acido deve essere sostituito completamente. Tuttavia, di solito è più economico acquistare una nuova batteria, poiché non si può essere certi che le misure adottate avranno successo.

Poiché il peso specifico dell’acido è maggiore di quello dell’acqua, il fluido della batteria tende a stratificarsi nel tempo. Ciò significa che l’acido si deposita sul fondo e l’acqua distillata rimane in superficie. Solo le batterie al gel e AGM sono meno soggette a questo fenomeno.

Le batterie aperte dovrebbero quindi essere sovraccaricate di tanto in tanto. Le bolle di gas causano la miscelazione del dielettrico.

Questo problema è meno rilevante per le applicazioni mobili (batterie per auto).

Batterie nei sistemi solari (sistemi off-grid)

Batterie solare, chiamata anche accumulatore solare, è una batteria a ciclo profondo, solitamente realizzata in piombo. Viene utilizzata in sistemi autonomi e caricata dai moduli solari tramite un regolatore di carica solare. La batteria viene utilizzata in applicazioni stazionarie. È possibile utilizzare celle a liquido o a secco. Quando si utilizzano celle a liquido, è importante assicurarsi che l’elettrolita venga periodicamente miscelato con i gas. Questo non deve essere fatto con celle a secco (AGM, GEL).

Soprattutto per l’uso nel fine settimana, è consigliabile scegliere una batteria con una capacità elevata, in modo da poter utilizzare tutta l’energia solare generata durante la settimana. Tuttavia, la batteria non dovrebbe essere troppo grande per garantire una carica completa, poiché se una batteria al piombo non viene caricata completamente di tanto in tanto, si formeranno strati di solfato dannosi. Se alla batteria è collegato un inverter, la capacità della batteria dovrebbe essere circa cinque volte superiore alla corrente nominale della batteria. Sono disponibili batterie al piombo da 12 V con una capacità fino a circa 260 Ah. Per capacità maggiori vengono utilizzate celle da 2 V.

Per i sistemi solari off-grid è essenziale disporre di un dispositivo che visualizzi informazioni affidabili sul livello di carica della batteria.

Se il regolatore di carica solare non lo fa già, perché i consumatori più grandi non possono essere controllati tramite questo regolatore, consigliamo di utilizzare un monitor della batteria separato.

Per gli impianti solari utilizzati professionalmente o nei quali la sostituzione delle batterie comporta notevoli costi aggiuntivi, si dovrebbero utilizzare batterie a ioni di sodio.

Batteria H2W: la batteria deve essere ricaricata di tanto in tanto utilizzando un generatore di emergenza o un generatore diesel tramite un caricabatterie, come spesso accade nei rifugi alpini, è consigliabile utilizzare batterie che consentano un’elevata corrente di carica. Ciò può ridurre i tempi di ricarica o fornire alla batteria la massima energia possibile entro il tempo di funzionamento del generatore.

Ad esempio, se si utilizza un generatore, un elevato assorbimento di corrente è vantaggioso. Le batterie H2W, disponibili con tecnologia nfm o nfpp, hanno una resistenza interna molto bassa e possono quindi essere caricate con correnti relativamente elevate.

Se oltre al generatore di corrente di emergenza si desidera utilizzare un inverter, potrebbe essere utile un dispositivo combinato con ingresso da 240/400V CA, caricabatterie e inverter.

Potete trovare suggerimenti e idee su come potrebbe apparire un sistema di batterie in un sistema solare off-grid nel blog https://www.h2w.store/post/costruzione-di-un-sistema-di-nanogrid-off-grid-utilizzando-batterie-agli-ioni-di-sodio

Batterie in gruppi di continuità UPS

Che si tratti di un ospedale o di una struttura IT, un’interruzione di corrente può avere conseguenze devastanti. I gruppi di continuità (UPS) vengono utilizzati ovunque l’alimentazione elettrica non possa essere interrotta in nessuna circostanza. Una batteria (solitamente una batteria al piombo) viene caricata utilizzando la tensione di rete. Un inverter (chiamato anche convertitore di tensione) converte quindi la tensione della batteria nuovamente in 240/400V CA.

In tali sistemi, la batteria è l’anello più debole della catena. È quindi importante che sia di buona qualità. Si consiglia inoltre di sostituirla periodicamente.

Per le batterie UPS, le prestazioni a lungo termine sono spesso importanti. Ad esempio, quando il reparto IT deve eseguire il backup dei dati o spegnere un server in modo corretto. Pertanto, per queste batterie viene spesso specificata la potenza nominale di 15 minuti anziché la capacità.

Batterie con terminale anteriore Batterie UPS

I sistemi UPS più grandi sono spesso alloggiati in armadi da 19″ o 21″ montati contro una parete. Per rendere i terminali della batteria facilmente accessibili per la manutenzione o l’ispezione, sono state sviluppate appositamente batterie AGM. Queste batterie hanno entrambi i terminali sul lato stretto. Ciò consente di accedere a tutti i collegamenti della batteria dalla porta.

Batterie agli ioni di litio nei sistemi UPS

A causa del loro elevato prezzo di acquisto, le batterie agli ioni di litio vengono raramente utilizzate nei sistemi UPS.

La soluzione sono le batteria al sodio che garantiscono alte durate di vita utile.

Batterie nei Camper

H2W 80Ah: nei camper viene solitamente utilizzato un sistema a doppia batteria. Il veicolo base (telaio) è alimentato dalla batteria di avviamento al piombo ma noi di H2W abbiamo concepito la batteria resistente al freddo e lunghe soste agli ioni di sodio per alimentare fari, motorino di avviamento, ecc. La sovrastruttura (luci interne, pompa dell’acqua, TV, ecc.) è alimentata da una batteria separata. Le batterie H2W da accumulo con tecnologia wifi e con celle nfpp vi consentono di avere sempre sotto controllo la carica e far durare le batterie anche oltre i 15 anni. Se sono richieste correnti più elevate dalla batteria, ad esempio con un inverter potente, la batteria al sodio è la scelta migliore perché la resistenza interna e inferiore e quindi la capacità di corrente è maggiore.

La maggior parte dei veicoli nuovi è già dotata di un sistema che controlla la carica delle batterie tramite l’alternatore durante la guida o tramite i caricabatterie presenti presso la stazione.

Esistono fondamentalmente tre diverse varianti per caricare la seconda batteria (detta anche batteria ausiliaria o di alimentazione):

Tra la batteria di avviamento e la batteria di alimentazione è collegato un relè di interruzione, che collega la batteria di alimentazione alla batteria di avviamento solo quando quest’ultima è in carica.

Subito dopo l’alternatore viene installato uno splitter di batteria (in pratica due diodi), che distribuisce la corrente di carica a entrambe le batterie.

Un convertitore di carica agisce come un caricabatterie, caricando in modo ottimale la batteria ausiliaria tramite la batteria di avviamento. Tuttavia, questo funziona solo mentre la batteria di avviamento è ancora in carica. Un convertitore di carica consente di selezionare una tensione di batteria diversa (ad esempio, 24 V) sulla carrozzeria del veicolo.

Spesso, la batteria ausiliaria deve essere caricata rapidamente dall’alternatore durante la guida. Anche i camper utilizzano inverter potenti, che assorbono correnti elevate dalla batteria. Pertanto, è importante utilizzare una batteria con una resistenza interna molto bassa.

Poiché i camper devono spesso fare i conti con carichi per asse e peso eccessivo, ci si chiede spesso se le batterie agli ioni al sodio possano essere utilizzate anche su questi veicoli. Queste batterie peserebbero circa la metà di una batteria al piombo convenzionale e offrirebbero anche una maggiore resistenza ai cicli e alla corrente.

Naturalmente ciò è possibile e sono disponibili anche moduli batteria da 12 V basati sugli ioni di sodio pronti per l’installazione.

Tuttavia, ci sono alcuni punti che dovrebbero essere assolutamente presi in considerazione:

Se si devono installare singole celle, consigliamo vivamente di utilizzare solo batterie agli ioni di sodio in combinazione con un sistema di gestione della batteria (BMS), che monitora la sovratensione e la sottotensione delle singole celle e può interrompere la corrente della batteria in caso di emergenza. Il BMS dovrebbe anche essere in grado di bilanciare la carica delle singole celle. Sono ora disponibili molte buone batterie agli ioni di litio già pronte, che includono già tutto. Costruirne una da soli non vale più la pena.

È necessario verificare la compatibilità dei dispositivi già installati, come caricabatterie, regolatori di carica solare, inverter, ecc., con le batterie agli ioni di litio. È importante che la tensione di fine carica corrisponda a quella della batteria. I dispositivi dovrebbero inoltre funzionare, se possibile, con una curva caratteristica IU-U0 semplice. Ciò significa che forniscono una corrente costante fino alla tensione di fine carica e poi la riducono a una tensione inferiore. Nella maggior parte dei casi, la tensione di carica massima non deve superare i 14,4 V (batteria da 12 V).

I relè di isolamento della batteria non devono essere utilizzati per la ricarica dall’alternatore, poiché collegano direttamente la batteria di avviamento e quella del passeggero. Le batterie di avviamento al piombo e le batterie agli ioni di sodio del passeggero hanno tensioni di esercizio leggermente diverse. Poiché la tensione a circuito aperto della batteria agli ioni di sodio, a un valore nominale di 12,4 V, è superiore a quella della batteria al piombo, il relè di solito si disattiva troppo tardi. Ci sono anche commenti online che avvertono del possibile surriscaldamento dell’alternatore. I ripartitori di batteria, che distribuiscono la corrente dell’alternatore a entrambe le batterie, sono più consigliati, o ancora meglio, i convertitori di carica, che caricano in modo ottimale la batteria del passeggero dalla batteria di avviamento.

Messa a terra e collegamento a terra

Nell’ingegneria automobilistica (automobili/camion), è prassi comune che il terminale negativo della batteria di avviamento sia collegato direttamente al telaio. Solo il terminale positivo della batteria viene collegato a tutte le utenze come il motorino di avviamento, la radio, la ventilazione, ecc. Il terminale negativo viene prelevato dal telaio. Sebbene ciò possa far risparmiare una notevole quantità di cablaggio, il telaio ha spesso una maggiore resistenza e viene spesso sostituito con plastica.

Quando si collega la batteria del consumatore, si consiglia di collegare anche il polo negativo della batteria.

Se si utilizza un sistema con il polo negativo della batteria collegato al telaio, tutte le funzioni di commutazione devono essere eseguite anche sul lato positivo. Pertanto, è particolarmente importante assicurarsi che il regolatore di carica solare sia un tipo che possa essere messo a terra sul lato negativo. I regolatori di carica solare convenzionali sono messi a terra sul lato positivo perché è più facile interrompere il lato negativo con un semiconduttore.

Spesso l’opzione di messa a terra non è menzionata specificamente. Tuttavia, vale la pena chiedere al fornitore.

Batterie nelle macchine per la pulizia

Le macchine per la pulizia con operatore a bordo, le spazzatrici con operatore a bordo o anche le macchine per la pulizia più grandi, azionate manualmente, sono sempre più prive di fili e quindi necessitano di una batteria.

Solitamente vengono utilizzate batterie di trazione professionali. Poiché queste macchine richiedono una batteria di grande capacità, vengono spesso utilizzati blocchi da 6 V, che possono essere installati senza bisogno di un dispositivo di sollevamento speciale.

Tuttavia, se la macchina per la pulizia è utilizzata solo sporadicamente, si possono prendere in considerazione anche le batterie a ciclo continuo.

Batterie nei carrelli elevatori elettrici

Poiché i carrelli elevatori elettrici più grandi richiedono un contrappeso, questi veicoli sono alimentati principalmente da batterie al piombo-acido. Si tratta solitamente di celle PzS da 2 V collegate in serie per fornire 24 V o più.

Per la prima volta, le batterie agli ioni di litio vengono utilizzate anche nei carrelli elevatori a bassa portata e nei carrelli elevatori montati su camion (carrelli elevatori su camion).

Nonostante il problema del contrappeso, le batterie agli ioni di sodio sono utili anche nei carrelli elevatori convenzionali quando i veicoli sono in uso costante. Da un lato, è possibile aspettarsi un numero doppio di cicli, anche senza manutenzione giornaliera. Dato che i carrelli elevatori elettrici vengono spesso utilizzati in modalità stop-and-go, parte dell’energia potrebbe anche essere recuperata grazie alla bassa resistenza interna delle batterie.

Inoltre, la batteria del carrello elevatore potrebbe essere ricaricata durante le pause.

Batterie nei furgoni elettrici

nelle stazioni ferroviarie e negli aeroporti, circolano innumerevoli furgoni elettrici. Per ragioni storiche, questi utilizzano ancora prevalentemente batterie al piombo. Si tratta spesso di celle PzS da 2 V o blocchi GIS da 6 V. Per i veicoli elettrici più piccoli, sono disponibili anche batterie a blocchi PZS da 12 V, che vengono poi collegate tra loro per formare un sistema da 24 V o 48 V.

A causa degli elevati costi di ingresso, sussiste ancora una notevole diffidenza nei confronti delle batterie agli ioni di sodio, nonostante siano estremamente adatte a questi furgoni.

Quando si tratta di veicoli da traino che devono trainare un rimorchio, si sente spesso sostenere che il peso delle batterie al piombo sia necessario. Le batterie agli ioni di sodio, pur pesando al massimo la metà, sono comunque sufficienti per un veicolo da traino.

Alternative all’accumulo di energia nelle batterie

Al posto delle batterie, è possibile utilizzare anche altri sistemi per immagazzinare l’energia “elettrica”:

Supercaps

La carica elettrica, e quindi l’energia, possono essere immagazzinate anche nei condensatori. Questi sistemi, noti come dynacap o supercondensatori, sono ancora relativamente costosi e non raggiungono ancora la densità energetica delle batterie convenzionali. I condensatori possono rilasciare energia in modo incredibilmente rapido. Ciò significa che possono generare un’enorme potenza di picco. Si prevede inoltre che la durata di vita di tali sistemi sarà considerevolmente più lunga rispetto a quella delle batterie convenzionali.

Il livello di carica di un condensatore è direttamente proporzionale alla tensione di carica. Pertanto, i supercondensatori richiedono un’elettronica adeguata.

volano

Questo tipo di accumulo viene ripetutamente pubblicizzato come un futuro promettente, soprattutto nella tecnologia dei veicoli per il trasporto pubblico. Esistono persino autobus che immagazzinano energia nei volani.

Smaltimento e riciclaggio

La maggior parte delle batterie contiene metalli pesanti o altre sostanze tossiche. È quindi importante che tutte le batterie, se possibile, vengano smaltite correttamente e, in alcuni casi, riciclate. Chiunque venda batterie in Svizzera è tenuto a ritirare gratuitamente le batterie usate, anche se non provengono da lui.

Tassa di riciclaggio anticipata: per ogni batteria immessa sul mercato svizzero è previsto il pagamento di una tassa di riciclaggio anticipata. Chiunque importi una batteria in Svizzera e la utilizzi o la rivenda senza pagare tale tassa commette un reato.

Ulteriori informazioni sono disponibili su http://www.inobat.ch/

In Europa

Con Regolamento (UE) 2023/1542 del Parlamento europeo e del Consiglio, del 12 luglio 2023 l’Europa aggiorna la disciplina sulle batterie e rifiuti da batterie in modifica alla direttiva 2008/98/CE (sui rifiuti), al regolamento (UE) 2019/1020 (vigilanza sui prodotti immessi in mercato), e abrogando di fatto la Direttiva Batterie (Dir 2006/66/CE) che aveva determinato un miglioramento nell’efficienza ambientale delle batterie e istituito norme e obblighi comuni per gli operatori economici

Regolamento europeo Batterie: i punti chiave e le novità del Regolamento (UE) 2023/1542

Il Regolamento europeo sulle Batterie consta di 96 articoli e XV allegati tecnici.

L’obiettivo del regolamento è ridurre gli effetti negativi delle batterie sull’ambiente, proteggere l’ambiente e la salute umana prevenendo e riducendo gli effetti negativi della produzione e della gestione dei rifiuti di batterie.

Le principali misure previste dal regolamento europeo che abroga la precedente Direttiva Batterie sono:

Regolamento europeo Batterie: da quando si applica?

Entra in vigore il ventesimo giorno successivo alla pubblicazione nella Gazzetta ufficiale dell’Unione europea (avvenuta il 28 luglio 2023).

Si applica dunque a decorrere dal 18 febbraio 2024, ma con alcune scadenze diverse:

Regolamento europeo sulle Batterie, cosa prevede: i requisiti e gli obblighi per i produttori di rifiuti

Il regolamento stabilisce requisiti in materia di sostenibilità, sicurezza (CAPO II), etichettatura, marcatura e informazione (CAPO III), per consentire l’immissione sul mercato o la messa in servizio delle batterie all’interno dell’Unione indicandone la conformità (Capo IV) ai requisiti e la relativa notifica (Capo V). Stabilisce inoltre requisiti minimi per la responsabilità estesa del produttore, la raccolta e il trattamento dei rifiuti di batterie e la comunicazione.

Impone obblighi relativi al dovere di diligenza (Capo VII) per le batterie nei confronti degli operatori economici che immettono sul mercato o mettono in servizio batterie. Stabilisce inoltre i requisiti per gli appalti pubblici verdi riguardanti batterie o prodotti in cui sono incorporate batterie (Capo XI).

Regolamento (UE) 2023/1542: a quali batterie si applica?

Il regolamento si applica (art.1) a tutte le categorie di batterie, vale a dire

Quali sono le categorie di batterie e quali requisiti si applicano?

In base al Regolamento (UE) 2023/1542, le batterie immesse sul mercato possono essere considerate come appartenenti a più di una categoria: in tal caso si considerano rientranti nella categoria cui si applicano i requisiti più rigorosi.

Regolamento Batterie: a quali batterie non si applica?

Il regolamento non si applica alle batterie incorporate o specificamente progettate per essere incorporate in:

Domande?

Avete domande sulla scelta della batteria più adatta o sul suo cablaggio? Saremo lieti di consigliarvi. Inviateci un’e-mail a info@h2w.ch.