giovedì 29 aprile 2010

Batterie e motorini

Due anni fa ho raccontato del mio esperimento di retrofit di un motorino elettrico con batterie al litio polimeri. Il motorino è risultato di colpo più leggero di circa 50 chili, praticamente come non avere un secondo passeggero invisibile, che prima ti portavi dietro. Posso affrontare la salita al 15% che mi porta all'osservatorio con tutta la potenza dei miei 1800 watt, circa un metro al secondo di dislivello, da manuale di fisica.

Le batteria sono in grado di assorbire senza batter ciglio tutta l'energia che il motore ritrasforma in corrente in discesa (anche 2 kW), e al termine della giornata la batteria è appena più scarica che se avessi fatto gli stessi chilometri in piano, anziché arrampicarmi su una collina e poi ridiscenderne.

Ma le cose belle in teoria hanno sempre degli spiacevoli contrattempi, come ha scoperto a sue spese il mio amico Ugo Bardi, che ha ritentato l'esperimento. Le batterie al piombo scambiano due elettroni per atomo, quelle al litio solo uno. Il risultato è che l'escursione di tensione risulta circa il doppio per il litio rispetto al piombo. Le mie vanno da 54 a 42 volt, quelle al piombo da 53 a 46. L'elettronica di controllo, tarata per le batterie al piombo, si confonde parecchio a vedere tensioni "strane", e quella del motorino di Ugo, più sofisticata, arrivata a 46 volt si spegne, anche se le batterie hanno ancora un bel po' di carica.

Le batterie arrivano con un circuito di protezione (PCM), che le stacca quando sono troppo cariche o troppo scariche. All'inizio ho usato il caricabatteria interno, che continua a caricare le batterie fino a che il PCM non le stacca. Ma se a questo punto rallento, il motore fa da dinamo e tenta di caricare batterie già piene fino al collo, e il PCM mi spegne tutto. L'energia prodotta dal motore non ha un posto dove andare, e mi ha bruciato un po' di accessori.

Ho risolto la cosa usando un caricabatterie tarato in modo da lasciare un po' di margine nelle batterie In pratica perdo circa un 5% della capacità. Il caricabatteria non è ottimale, ma per ottenerlo ho dovuto litigare con la ditta produttrice. Ho proposto di modificare io il loro software, per metterci dentro la curva di carica suggerita per le mie batterie, ovviamente cedendo loro gratis i risultati e con un accordo di non disclosure, ma niente, non divulgano i preziosissimi 8 kilobyte di codice del microprocessore.

La prima versione del caricabatterie è stato ordinato dal sig. Falci (il gradioso tecnico che mi ha installato il tutto) con un margine un po' troppo ampio, perdevo oltre il 10% della capacità. Ho quindi ordinato una scheda di controllo con la tensione di fine carica un po' più alta, ma nel frattempo hanno ovviamente cambiato la meccanica, e la scheda non "torna" più. Pazienza, ci si adatta.


Le batterie non reggono bene le alte temperature. Ho quindi costruito uno schermo con il mylar che uso per isolare l'interno dei dewar. Se tiene al freddo (250 sottozero) i miei ricevitori radio, funzionerà anche con le batterie sotto il sole estivo. Funziona, ma va rimesso ogni anno, come si vede dalla foto qui sopra.

A questo punto volevo vedere come funzionavano le mie nuove batterie. Mi sono comprato un DrWattson, un simpatico aggeggio che misura tutto quel che vorresti sapere di una batteria, e così ho verificato che il caricabatteria funziona come dovrebbe, e che il PCM mi stacca le batterie quando la tensione all'uscita del pacco è scesa a circa 43 volt. Considerati i margini di carica lasciati ai due estremi, il pacco viene usato per circa 36 Ah, il 90% del valore di targa.

Ma il drWattson va inserito nel cavo di carica, ed io volevo avere sul cruscotto un'indicazione di quel che succede. Ho finalmente trovato un altro oggetto simile, il Cycle Analyst, prodotto da un hobbista canadese (ma la qualità della realizzazione è veramente professionale). Glie lo ordini, lui te lo costruisce e te lo spedisce a casa.


Il DrWattson in serie al caricabatteria. Notare la scritta "20.0A" all'incontrario, la nuova scheda del caricabatteria aveva i fori che corrispondevano a quelli della vecchia, ma rovesciati.

Ho dovuto inserire un grosso shunt vicino alla batteria, una presa stagna sul frontale del motorino, e ora posso vedere in tempo reale quanti watt consumo, quanti wattora e quanti amperora ho consumato in totale, qual'è la tensione attuale del pacco, e se metto un magnetino alla ruota (non avendo i raggi sto studiando come fissarlo) posso anche rapportare il tutto alla velocità.

Il Cycle Analyst montato sullo specchietto retrovisore

Bene, niente di più facile, con quello davanti, che misurare la curva di scarica della batteria in condizioni reali. L'ho fatto a settembre di due anni fa, con le batterie praticamente nuove, e l'ho ripetuto ora, con le batterie che hanno due anni e 11 mila km. Il risultato è nel grafico qui sotto. Le croci verdi sono i punti misurati un anno e mezzo fa, quelli rossi li ho finiti di misurare oggi. Le curve sono quelle che il manuale della batteria danno per scariche (dall'alto) a 20, 40 e 80 ampere (in piano consumo circa 25A, al massimo arrivo a spunti di 50-55A).

Ci sono delle differenze, ma molto piccole. Ho spostato le curve misurate in orizzontale in modo da finire la scarica dove finisce quella a 20 ampere (un po' pessimistico) ma le ho dovute spostare in modo leggermente differente. Ho perso circa il 3% della capacità, il che tornerebbe con un dato che ho sentito riguardo l'invecchiamento di queste batterie, con una perdita di circa il 20% in 10 anni di uso. Fossero così le batterie dei telefonini (usabili per 20-25 anni) ci farei la firma.
Inserisci link
Il PCM invece non è altrettanto buono. Già la prima estate ha cominciato a dare di matto. Ogni tanto, senza ragione apparente, staccava le batterie durante la carica. E le lasciava staccati finché non scollegavo tutto, e aspettavo qualche minuto. Significava armarsi di cacciavite, aprire il vano batteria, staccare il connettore principale (a riguardo ho adottato come connettore universale gli ottimi PowerPole, che hanno anche l'interessante caratteristica di essere ermafroditi). E sopratutto ritrovarsi la mattina il motorino scarico, a sorpresa.

La seconda estate ha cominciato a dare grossi problemi. Delle volte non si voleva proprio riprendere, se non dopo mezz'ora di estenuante attesa. E a un certo punto basta, non ricaricava proprio più. L'ho smontato e ho scoperto che il transistore che controllava la carica era letteralmente esploso. Ho provato a sostituirlo, ma niente, e dopo un po' ha smesso di funzionare pure la parte che controlla la scarica. Ho passato 6 mesi con le batterie sprotette, e per sicurezza, prima di rimontare un PCM di seconda mano gentilmente concesso da un amico di ASPO, ho controlato l'allineamento delle batterie. Be', non volevano credermi, dopo due anni di uso sono cariche uguali, entro un percento circa.

In conclusione le batterie sono veramente una bomba, e probabilmente dureranno più del motorino. Visto quanto le ho pagate, è una buona notizia.

12 commenti:

Skeptic ha detto...

Grande!

Riccardo (D.O.C.) ha detto...

io volevo avere sul cruscotto un'indicazione di quel che succede.
Occhio con tutte queste indicazioni a non andare a stamparti contro un platano...

Un giorno ho preso un taxi ibrido, e mi sono accorto che l'accattivante display che mostrava in tempo reale il giro dell'energia catturava tutta la mia attenzione. E' vero che non guidavo io, ma insomma...

markogts ha detto...

Francamente non mi è chiaro il legame tra elettroni di reazione ed escursione di tensione.

Inoltre non ho capito chi ha problemi, se tu o Ugo.

Comunque: le batterie Li-Po sono impressionanti. Quando ero piccolo, mi regalarono una Porsche 928 telecomandata. Era spinta da 6 batterie torcia, e duravano qualche minuto. Oggi, puoi volare per decine di minuti con elicotteri radiocomandati!

Quindi ben vengano questi esperimenti, anche se resto scettico sulle applicazioni "pesanti" come le automobili.

Per finire, una nota sui costi: l'energia elettrica non è gravata dalle accise che ci sono sul carburante. Non per difendere il motore a c.i., solo per ricordare che l'analisi dei costi non è detto che resti tale in futuro (già mi vedo il superbollo per le auto elettriche, quando saranno l'unica opzione logica) e che essa non dà indicazioni realistiche sull'efficienza well-to-wheel.

Gianni Comoretto ha detto...

Per i platani: è un problema reale, e poi quando ho anche il navigatore satellitare, gli specchietti retrovisori, e il traffico di Firenze da tenere sotto controllo il compito diventa disumano :-)

Comunque quel che faccio è accostare ogni 1-2 km, prendo l'appunto di tensione e carica, e riparto. In marcia controllo solo ogni tanto la tensione, per vedere a che punto sono della carica.

Per gli elettroni: il rapporto tra le due specie (ossidata/ridotta) è data dall'equazione di Boltzmann: n1/n2=exp(E/kt). Siccome la differenza di energia è la tensione per la carica scambiata nella reazione, se dimezzo la carica, a parità di tutto il resto, devo raddoppiare la tensione. Naturalmente le cose sono un po' più complicate, ma la base è quella.

Sul well-to-wheel mi ero fatto due conti. Più o meno 110 km per litro di petrolio in centrale.

Sui costi. Le batterie al Pb costano circa 450 euro, e durano 12 mila km. Queste mi sono costate circa 5 volte tanto, ma dopo 11 mila km han perso il 3%. Se continua così mi costano meno della metà per km percorso. Che fa ancora tanto, sono 60 km/euro (senza l'energia elettrica che per ora è regalata dal comune).
Un altro vantaggio è l'assicurazione, che costa la metà rispetto ad un cinquantino.

Anonimo ha detto...

Ciao, sono Pietro.
Come sai ho le stesse batterie, in grande...
Premesso che sto pensando di usare anche io il dr Wattson e che ho un problema con le correnti massime ( regge 50 A continui e 100 A di picco) credi che si possa fare, magari con DUE dr wattson, un per bancata 48 volts, messi su un bello shunt e poi ritarati in modo da dare letture corrette?
A parte questo, visto che ANCHE i caricabatterie sono parenti stretti, mi sai dire che legame c'e', sperimentalmente, tra AH letti in ricarica e AH veramente stoccati sulle batterie?
Io stimavo il 90% ma vorrei avere qualche input piu' sicuro.
Questo non e' per pura accademia: sai che il mio pacco ne ha passate di tutte, per motivi vari ed e' stato letteralmente risuscitato da una morte apparentemente certa ( arrivo' a 8 e 12 volts di carica su 58 nominali). SIccome ho due elementi chiaramente semiandati che sto per sostituire mi sono deciso a fare un test caricando solo il mezzo pacco con quei due elementi e arrivando vicino alla fine carica per l'altro ( ho voltmetri separati per i due mezzi pacchi a 48 volts).
Bene, dopo tre anni ed un centinaio di cicli con DUE gravi guai nel mezzo e qualche cosuccia minore, ho caricato per 95 AH a partire da 44.7 volts. Considerando il 90% di efficienza e la curva di carico e scarico tipica dovrei aver mantenuto ALMENO il 90% di capacita' il che dopo tre anni ed essere state resuscitate non e' per niente male.

Gianni Comoretto ha detto...

Pietro, benvenuto qui!

Sul DrWattson. È un ottimo aggeggino, per cui ho trovato innumerevoli applicazioni, anche al lavoro. Gli monti un paio di powerpole e lo puoi inserire in un circuito per vedere che succede. Ma ha alcune grosse limitazioni:
- difficoltà ad usare uno shunt esterno, per cui deve essere FISICAMENTE sul cavo di potenza. Che magari è nel bagagliaio del cinquino.
- è intrinsecamente monodirezionale. Non ti dice cosa succede quando la batteria si sta scaricando (o caricando, se l'hai montato girato)
- non modifichi facilmente i parametri interni (es. resistenza dello shunt che usi).

Quindi ti consiglierei di usare il CycleAnalyst. Ha un sacco di funzioni che non userai mai (es. controllo automatico dell'acceleratore) ma quelle che ha sono comodissime. Lo monti con uno shunt esterno arbitrario, per cui puoi tranquillamente gestire correnti di centinaia di ampere. Puoi cambiare la tensione di alimentazione (credo andando a cambiare qualcosa nel circuito, ma si fa) e modificando anche qui il fattore di scala per tenerne conto. È bidirezionale.

Non ho mai fatto prove riguardo agli Ah caricati e a quelli restituiti dalla batteria, ma mi aspetto siano vicini al 100% Ovviamente la TENSIONE di carica e scarica sono diverse, di un buon 10% (per cui la potenza restituita è ovviamente minore). Ma appena riesco misuro e te lo dico. Il display del caricabatterie non è accuratissimo, vedi anche sulla foto il valore del DrWattson (che mi sembra più accurato) è un po' diverso.

Le "botte" di tensione a cui accenno nel post mi hanno comunque creato non pochi problemi, ho dovuto sostituire parecchi componenti nei miei misuratorini, per cui, anche se ho cercato di ricalibrare il tutto, non garantisco accuratezze dell'1%.

Anonimo ha detto...

Complimenti!
Il mio retrofit (Cagiva CITY) è molto più rudimantale: motore di vecchia lucidatrice (circa 600watt), inverter da 1000 watt e due batterie al piombo. Prestazioni non proprio entusiasmanti ma suffecienti per recarmi al lavoro senza bruciare benzina.
Ma dal punto di vista burocratico, come sei messo?
Auguri e grazie.
Mimmo.

Gianni Comoretto ha detto...

@mimmo
Il mio non è un retrofit di un motorino endotermico. Che temo sia illegale, con le norme attuali. Ho semplicemente cambiato la batteria ed un po' di elettronica (il caricabatterie). Tutto il resto, che deve essere omologato, è quello originale. Ho diminuito il peso a vuoto (per cui non ci sono problemi all'impianto frenante).
Il motore è da 1,8 kW, e dalle misure fatte vedo che l'elettronica lo spinge anche a 2 kW. Il che non dà le stesse prestazioni di un endotermico, che tipicamente ha una potenza doppia. Anche al semaforo, dove sono avvantaggiato avendo il massimo della coppia, ho lo stesso scatto di un cinquantino tipico, ma dopo poco quello mi supera.

Inoltre l'elettronica mi limita la potenza massima a velocità vicino ai 45 km/h, diciamo che cala linearmente tra 40 e 50 km/h, come limitatore di velocità di legge, ma a differenza del cinquantino non posso toglierlo.

maurice ha detto...

ciao!
divertente questo blog....ho trovato il post grazie al forum jobike sulle biciclette elettriche
se qualche volta andando su per il colle incroci una bicicletta rossa che va su senza grosso sforzo....sono io con la mia pieghevole elettrica... sembra che non sei solo ad affrontare la salita verso l'osservatorio con i motori più efficienti del mondo
io però mi fermo un po' prima
saluti!!
maurizio

a ha detto...

Ciao a tutti, complimenti per il blog.
Vi chiedo un consiglio:
1,5anni fa' ho comprato uno scooter elettrico ''elettra 2500watt''.
Come segue le carat.tecniche delle batterie:
BATTERIE
N° 5 al Gel di Silicio da12V /27 Ah , ermetiche senza manutenzione , con protezione da scariche elettriche
RICARICA
Da 3 a 5 ore.
AUTONOMIA
45/50 Km

Attualmente le batterie (n.3) non tengono piu'di 30-35km a velocita' media quindi presumo che sono da cambiare.
inoltre il carica batterie (originale) mi si e' bruciato 2 volte e un giorno quando ero in Cina ne ho comprato uno (7dollari contro i 150 euro dell'originale) e con il trasformatore da 220v a 110v l'utilizzo per caricare le batterie (fino ad ora nessun problema...paradossalmente)
Il tempo di ricarica e' di circa una nottata.

Ho 2 domande:
-vorrei cambiare batterie, che tipologia dovrei comprare?
-In caso cambiassi le batterie posso continuare a utilizzare il caricatore cinese oppure c'e' il rischio che le batterie si rovinino?
Grazie per la disponibilita' e supporto.
Saluti,
Andrea

a ha detto...

Ciao a tutti, complimenti per il blog.
Vi chiedo un consiglio:
1,5anni fa' ho comprato uno scooter elettrico ''elettra 2500watt''.
Come segue le carat.tecniche delle batterie:
BATTERIE
N° 5 al Gel di Silicio da12V /27 Ah , ermetiche senza manutenzione , con protezione da scariche elettriche
RICARICA
Da 3 a 5 ore.
AUTONOMIA
45/50 Km

Attualmente le batterie (n.3) non tengono piu'di 30-35km a velocita' media quindi presumo che sono da cambiare.
inoltre il carica batterie (originale) mi si e' bruciato 2 volte e un giorno quando ero in Cina ne ho comprato uno (7dollari contro i 150 euro dell'originale) e con il trasformatore da 220v a 110v l'utilizzo per caricare le batterie (fino ad ora nessun problema...paradossalmente)
Il tempo di ricarica e' di circa una nottata.

Ho 2 domande:
-vorrei cambiare batterie, che tipologia dovrei comprare?
-In caso cambiassi le batterie posso continuare a utilizzare il caricatore cinese oppure c'e' il rischio che le batterie si rovinino?
Grazie per la disponibilita' e supporto.andreaultra@hotmail.com
Saluti,
Andrea

Gianni Comoretto ha detto...

Difficile rispondere. Cambiare il tipo di batterie ad un motorino e' un'operazione delicata e potenzialmente disastrosa. Occorre sapere quel che si fa, conoscere i rischi, e saper fare gli adattamenti del caso. Esistono batterie che sono "equivalenti" a quelle al piombo (le Si-gel sono batterie al piombo, come chimica), con dentro già installata l'elettronica necessaria, ma onestamente non le conosco. Un sito che le vende e' questo, ma ripeto, solo per informazione, non le ho MAI provate ne' conosco chi le abbia provate. http://www.ev-power.eu/LiFePO4-w-PCM-6V-12V/

La maggior parte delle batterie in circolazione sono cinesi e occorre trovare qualcuno che le abbia provate per sapere la qualità reale. Le mie sono coreane, molto buone, ma non le vendono più al dettaglio.

In ogni caso serve un caricabatteria specifico. Le celle al LiFePO4 hanno bisogno di una tensione più alta di quelle al Pb per caricarsi, il caricabatteria deve seguire una curva di carica differente, e DEVE staccarsi a fine carica, o le sfonda. Ma la tensione (60V) non è tra quelle standard, purtroppo.