Il litio fu utilizzato fin dai primi anni del 900 per creare le prime batterie non ricaricabili, ma sono passati circa 90 anni prima che fossero commercializzate le prime batterie ricaricabili stabili. In questi 20 anni la loro tecnologia si è molto evoluta anche se succede sporadicamente di sentir parlare di lotti o partite difettose o pericolose. Nel campo modellistico o della trazione elettrica si stanno diffondendo da pochi anni in maniera abbastanza massiccia. Il motivo è senz’altro dovuto all’ alto rapporto peso/potenza che sono in grado di offrire rispetto alle oramai tradizionali e forse superate tecnologie al piombo, nichel cadmio, nichel metal idrato. Per quanto riguarda il campo modellistico si può dire che l’evoluzione continua con la tecnologia litio polimeri e litioferrofosfato. Con queste batterie che sono in grado di erogare altissime correnti si è oramai in grado di pilotare motori di elevata potenza ed i modelli elettrici che ne vengono equipaggiati possono competere con quelli a scoppio. Le batterie liPo e LiFePO4 sono in grado di essere utilizzate con successo anche sulla trazione elettrica di automobili o biciclette/scooter elettrici ed anche se il loro costo può sembrare elevato in realtà si rivelano molto più economiche degli idrocarburi. Una batteria del costo di 750 euro montata su uno scooter è in grado infatti di fare percorrere al mezzo in questione circa 100.000 chilometri nella sua vita operativa…per la stessa percorrenza a benzina sarebbero necessari circa 4000 litri di idrocarburi, che con il costo attuale della benzina equivalgono ad oltre 5000 euro.

Per l’esempio di paragone benzina/batterie sopramenzionato ho tenuto conto della migliore tecnologia di batterie attualmente in commercio, ovvero le LiFePO4 dette anche LFP (litio ferro fosfato) accreditate di 2-3000 cicli di utilizzo prima di un decadimento del 20-30% della loro prestazione, se come metro di paragone volessimo utilizzare delle batterie di tipo LiPo (litio polimeri), all’atto dell’acquisto spenderemmo forse solo la metà del caso precedente ma ci troveremmo con la possibilità di utilizzarle solo per circa 500 cicli che farebbero percorrere al nostro scooter 25.000 km, per questo chilometraggio lo scooter a benzina vorrebbe “solo” circa 1400 euro di benzina. Il rapporto è comunque ancora molto vantaggioso. Esistono sicuramente altri tipi di batterie ancora più avanzate e economicamente convenienti, ma per ora sono queste le batterie con cui dobbiamo convivere…dopo l’era del petrolio ecco l’età del litio !

Va considerato ora però che per utilizzare le batterie al litio, soprattutto per le LiPo, deve esserci da parte dell’utilizzatore una buona attenzione e una certa cautela. Il pericolo viene dal gas particolarmente infiammabile che potrebbe fuoriuscire da una delle celle quando si verifica una condizione di eccessiva carica o rapidissima scarica. Le celle sono sigillate, ma se l’involucro non reggesse una condizione anomala potrebbe perforarsi con fuoriuscita di gas, il litio infatti non è un materiale stabile ed è anche molto infiammabile, a contatto dell’ aria diventa leggermente esplosivo e a contatto con l’acqua subisce una reazione molto violenta, quindi potrebbe anche genenerarsi una esplosione molto pericolosa. Massima attenzione quindi !!!

Ecco quindi lo scopo di questa pagina: cerchiamo di trattare il meglio possibile le nostre care batterie, sfruttandone la massima capacità e facendo in modo che ci durino in piu possibile nelle migliori condizioni ed evitando eventuali pericolosi incidenti. Sebbene a me personalmente non sia mai capitato alcun inconveniente di rilievo con questa tipologia di batterie, non per questo mi sento rilassato nel trattarle ed ho per loro il massimo rispetto, è bene comunque abituarsi a certi comportamenti e abitudini. Ecco alcune semplici regole da tenere sempre a mente:

1. utilizzare le batterie sempre con la massima attenzione collegandole con la giusta polarità, per fare questo aiutiamoci con connettori appropriati che permettano l’accoppiamento in un solo modo, se utilizziamo spinotti singoli dotiamoli di termoretraibile rosso e nero per non confonderci.

2. non lasciare le batterie incustodite durante la fase di carica o scarica in modo da evitare qualsiasi rischio in caso di anomalia imprevista, soprattutto se ci sono nei pressi anche bambini !!! Conservarle in luogo sicuro, possibilmente aerato e fresco, lontano da materiali infiammabili

3. utilizziamo caricabatterie specifici per ogni chimica di batteria, con dispositivi di fine carica di sicura affidabilità e funzionamento, e siamo certi di avere configurato corretamente il caricabatterie, non ripetere la carica una volta che questa sia stata ultimata

4. utilizziamo le correnti di carica e scarica sempre indicate dal costruttore nel documento allegato, controlliamo che il carico connesso sia entro ampio margine rispetto alle possibilità della batteria, rimaniamo leggermente sotto alla corrente di carica massima prevista se abbiamo tempo per farlo, in ogni caso se non indicato non superare mai “1C” ci carica.

5. utilizziamo possibilmente SEMPRE la funzione di bilanciamento delle singole celle presente nei moderni caricatori e dotiamoci se possibile dei sistemi elettronici per fare in modo che ogni singola cella in scarica non possa scendere sotto ai 3 volt, curiamo nel migliore modo possibile i collegamenti elettrici necessari, fonti potenziali di cortocircuiti fra le celle.

6. in caso di inutilizzo prolungato portare le batterie in una condizione di carica del 40-50% e riporle in luogo fresco, ricordiamoci infatti che la vita di una batteria litio non è molto lunga, tipicamente si parla di 3-5 anni massimi anche e non si effettuano cicli e l’unico modo per rallentare l’invecchiamento è proprio questo.

Osservando queste regole basilari finora non mi sono mai trovato in condizioni anomale o pericolose, sfruttando in pieno i vantaggi di questo tipo di batterie possono offrire e con un occhio sempre vigile sulla sicurezza. Per quanto riguarda invece il mantenimento delle performances possibili ho ritenuto necessario dotarmi di questi 2 apparecchi elettronici che descriverò, in quanto ho constatato che i bilanciatori standard dei caricatori in commercio sono spesso troppo blandi in rapporto alle correnti di carica permesse, non consentendo di ottenere un ottimo risultato, ma un buon risultato solo a basse correnti di carica.
Mi sono quindi messo alla ricerca di schemi adatti allo scopo, e dopo alcune ricerche mi sono dedicato alla costruzione dei bilanciatori.

La prima realizzazione è stata quella di un bilanciatore LiPo con una corrente di scarica di 1A per ogni canale, ho trovato un ottimo schema sul sito di ANFAROL, www.anfarol.it , che ringrazio per lo schema libero che ha proposto, potete trovarlo precisamente a questo indirizzo , nello stesso sito potete trovare molte e precise indicazioni sul trattamento delle batterie LiPo.

Lo schema di una singola cella del sito di ANFAROL: il circuito è composto da un riferimento di tensione (TL431) a cui è applicata tramite R3, R4, R6 una tensione di riferimento che potremo regolare in fase di taratura per ottenere un preciso intervento a 4,2 volt. La commutazione del TL431 consente la conduzione dei 2 transistor PNP di cui il BD140 è propriamente quello che va a limitare la tensione della cella, mentre il secondo, BC807, permette l’accensione del diodo led per indicarci l’intervento del circuito e consentirci anche la taratura. Dopo avere realizzato il circuito in maniera provvisoria e constatato l’ottimo funzionamento, ho effettuato la realizzazione del circuito, ma siccome non avevo in casa i componenti indicati li ho sostituiti come qui sotto:

Come si può constatare il circuito è identico, il trimmer è stato messo da 5Kohm per poter spaziare la taratura fra la massima tensione delle celle LiPo di 4,2V e la tensione delle LiFePO4 di 3.65V. Al posto del BC807 ho utilizzato un analogo pnp (BC557) In occasione della realizzazione di un prototipo per batterie LiFeP04 mi sono accorto che la resistenza da 15K utilizzata fra il trimmer e il positivo delle celle è troppo grande, se si realizza il circuito per il bilanciamento LiFeP04 occorre sostituire tale resistenza con una da 10K.

Per quanto riguarda il circuito stampato volevo realizzarne uno unico da 10 sezioni, ma siccome veniva troppo lungo e poco pratico ho deciso di fare 2 gruppi da 5 sezioni anche perchè devo gestire solitamente batterie per non più di 5 celle al momento. La flessibilità del circuito permette comunque il collegamento in serie consentendo di aumentare il numero di sezioni a piacere.

Il circuito una volta montato si presenta in questo modo, mancano i radiatori che non sono montati. Per il montaggio del dissipatore occorre tenere presente che sul corpo di ogni transistor c’è una tensione diversa quindi andranno isolati se montati su un radiatore unico. Il radiatore/i sono assolutamente necessari. Per la taratura occorre applicare ad ogni cella l’esatta tensione di taglio che vogliamo ottenere, prelevandola da un alimentatore stabilizzato affidabile, in questo momento il led potrebbe essere spento, nel qual caso dovremo ruotare il trim fino a farlo appena accendere,oppure nel caso sia già acceso dovremo ruotarlo fino a spegnerlo e successivamente agire come nel primo caso. LA TARATURA VA EFFETTUATA CON I RADIATORI MONTATI. Con tali bilanciatori ho rilevato tensioni comprese fra 4.18 e 4.19 Volt sulle 10 celle che utilizzo.

Il bilanciatore è stato dotato di radiatori utilizzando un comune profilato ad U da 12 x 10 mm, i profili montati sotto servono per distanziare il circuito da terra per evitare eventuali cortocircuiti.

Il bilanciatore in azione, alcune celle sono arrivate alla tensione limite altre no… al momento la migliore regolazione che ho sperimentato è quella di tarare il circuito per un assorbimento di 50mA a 4.22 volt….alimentando la batteria con 42.1 volt ottengo celle bilanciate con una tensione di 4.21Volt. Alla fine della carica aumentare la tensione di alimentazione portandola a 42.2 volt fa disperdere tutta la corrente nel bilanciatore, quindi ottimo risultato e intervento preciso.

NOTA SUCCESSIVA: il circuito di questo bilanciatore è stato collaudato con dei BDX54 al posto dei BD140 ottenendo così una corrente di bilanciamento di 3-4A e tutto ha funzionato bene. NON E’ POSSIBILE sostituire su questo stampato i 2 transistor poichè hanno piedinatura diversa, nel caso di utilizzo del BDX54 raccomando la realizzazione di un circuito dalle piste adeguate a sopportare la corrente in gioco, ad usare adeguati connettori per il bilanciamento e delle alette di dimensioni molto maggiori rispetto alla mia realizzazione con BD140.

e se serve ancora piu potente…Per quanto riguarda il bilanciamento di batterie LiFePO4 con cui è possibile eseguire delle cariche molto veloci è bene utilizzare un bilanciatore ancora piu potente e adeguato alle correnti in gioco. Anche questa volta la rete è venuta in aiuto, in particolare seguendo il forum di www.jobike.it sono venuto a conoscenza di una versione potenziata di bilanciatore. Lo schema di base individuata dall’utente Jonathan, che ringrazio, si trova in questa discussione mi ha invogliato alla sua realizzazione:

Come si può notare lo schema ha come base la stessa componentistica del precedente bilanciatore da 1A in cui è stata sostituita la sezione di potenza affidata al il transistor BD140 con una coppia di darlington, per ottenere così una corrente di bilanciamento massima di circa 10 A per ogni ramo.

Anche in questo caso pochi ritocchi ai componenti dello schema di base poichè il tutto funzionava benissimo, solo un patitore in ingresso per ottenere piu precisione di regolazione dal trimmer di valore piu basso, permettendo un regolazione piu precisa nel campo delle tensioni LiPo-LiFePO4. Ho sostituito il transistor BDV65 con il piu economico TIP42 che regge qualche A in meno però. Siamo comunque sempre intorno a correnti utilizzabili di 10A.

Come sempre prima di realizzare il circuito lo schema è stato testato con componenti di recupero e solo dopo ho acquistato i materiali necessari ai 12 stadi, in questa occasione da Digikey, di cui devo dire si riceve un ottimo servizio, consegna dei materiali in 36 ore dagli USA senza spese di spedizione…ma un bel 33% di spese dogana & UPS poi… 🙁 …

Lo stampato di circa 160 x 100 mm è stato realizzato in maniera diversa da quella proposta da Jonathan, in quanto volevo una disposizione diversa dei transistor di potenza. Ho realizzato 12 sezioni per il controllo di 12 celle.

In figura c’è la disposizione componenti di uno stadio dei 12 previsti.

Piedinatura dei componenti attivi del circuito da 10A

Il circuito montato a cui mancano solo i transistor di potenza che alloggerò nel modo che segue.

Ho realizzato una T da un quadro di alluminio da 35mm che giaceva nel fondo dei troccoli di scarto…

…che assieme ad una aletta prelevata sempre dal fondo di un contenitore pieno di dissipatori reciclati mi ha permesso di formare una accoppiata idonea per questa realizzazione. I 12 fori sulle alette permetteranno la regolazione dei trimmer.

Montaggio dei transistor di potenza con isolamento sul blocco in alluminio. Ogni vite trattiene 2 transistor.

Una vota assemblato il tutto si presenta molto pratico e robusto in mano.

Altra visuale dell’insieme.

La realizzazione è robusta e piuttosto compatta, ma ora veniamo alla taratura.

Per tarare il valore in volt della tensione a cui vogliamo avvenga l’intervento del circuito è molto facile, piu facile del precedente bilanciatore da 1A in quanto in questo circuito si ha prima l’illuminazione piena del led e poi subito dopo la conduzione del transistor di potenza, ma a causa delle alte correnti in gioco occorre fare una piccola osservazione. Se infatti tariamo il circuito con una corrente di 1A otteniamo un punto diverso di taratura del trimmer rispetto ad una corrente di 5A, se utilizziamo un filo da 1mm per alimentare i circuiti otteniamo una taratura diversa rispetto all’uso di un filo da 2 mm.

Durante le mie prove di taratura ho riscontrato quanto segue in queste condizioni:

_Alimentatore impostato su 3.65 Volt, corrente fornibile 40A, utilizzata 5.3A
_connessione da alimentatore al bilanciatore con 2 cavi da 2,5 mm lunghezza totale 100 cm (50 + 50)
_rotazione del trimmer di taratura fino all’accensione del led – corrente assorbita dal bilanciatore 20 mA
_ulteriore rotazione del trimmer fino a fare assorbire 5,3A

Durante la taratura in queste condizioni se andiamo a misurare con un tester la tensione sulle boccole dell’alimentatore (3.65 V) che nel nostro caso rappresenta la cella da controllare e con un secondo tester la tensione sui terminali del bilanciatore rileveremo su questi ultimi una tensione di 3.59 volt. Normale perdita dei cavi di collegamento, in questa configurazione 60 mV = 0.06 V. Una ulteriore perdita di 40 mV avviene sul fusibile, siamo quindi ad un totale di 0.1V. Quando il bilanciatore lavora con 5A saremmo a posto, ma quando la corrente di bilanciamento cala fino a pochi mA la tensione di bilanciamento impostata, a causa dei cavi che non avranno perdite sarà appunto non più di 3,65V ma di 3,55 V, la effettiva tensione presente sui punti di connessione dello stampato del bilanciatore. Se utilizziamo cavi di diametro minore per i collegamenti tale divario diventa anche di più. Suggerisco quindi innanzi tutto di assemblare il bilanciatore con dei cavi di diametro generoso, almeno 1.5mm di sezione, e di tenerli piu corti possibile, di curare anche la connessione (perche ci vorrà un connettore fra batteria e bilanciatore) di sicuro e affidabile contatto. Tenendo conto che i caricatori attuali sono per ora al massimo da 5A questo è il massimo valore che il circuito dovrà sopportare su una sezione particolarmente sbilanciata.

Consiglio di tarare il bilanciatore con gli stessi cavi con cui assembleremo la batteria ed il bilanciatore sezione per sezione, fornendo la tensione e corrente di taratura alla estremità dei capi dei conduttori applicati: tensione di 3.60 volt con poca corrente di taratura, massimo 500mA – 1A per minimizzare le perdite dei cavi. In questo modo a fine carica avremo questa tensione sulle celle (3.60 V) ed in caso di forte sbilanciamento la cella peggiore potrà arrivare nella peggiore delle condizioni sui 3.70 volt, valore massimo ammesso nelle specifiche. Per tarare il circuito a 500 mA – 1A occorre disporre di un alimentatore variabile in tensione e corrente, impostiamolo a 3.60 V e 500 mA di erogazione massima….giriamo il trimmer piano piano fino a raggiungere i 500 mA o 1A di assorbimento fermandoci non appena la tensione va giu a 3.59 V.

Non sono a conoscenza di quali conseguenze si hanno a sforare il tetto di 3.7 volt durante la carica, quindi per precauzione preferisco usare il bilanciatore con questi voltaggi. Per rendere il bilanciatore ancora piu preciso ed eliminare questo impiccio dei 0.1V ci sarebbero 2 strade: applicare fili enormi ed eliminare il fusibile, soluzione poco pratica, oppure dotare il bilanciatore di un circuito supplementare che con un altra serie di fili più piccoli collegati ad ogni cella va a leggere il valore di tensione e corregge l’errore di perdita, ma mi pare sinceramente che sia un complicarsi troppo la vita…

Una volta effettuata la taratura delle sezioni il circuito è pronto a fare il suo dovere con la carica ad alte correnti, proteggendo le nostre preziose batterie da eventuali pericoli di sovraccarica e bilanciandole a dovere, al momento non ho una batteria su cui testarlo, ma Jonathan mi ha assicurato che il tutto funziona molto bene sulle sue.

 

Grazie.