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Le batterie nelle bici elettriche

Conosciamo la batteria della bici elettrica

Per comprendere meglio la batteria utilizzata sulle bici elettriche a pedalata assistita impariamo anzitutto a leggerne i parametri vitali: la tensione e la capacità.
La tensione, indicata in volt, corrisponde alla differenza di potenziale che si crea tra i due poli (anodo e catodo) della batteria. Per le batterie impiegate sulle bici elettriche si tratta normalmente di 24-36 volt.
La capacità, indicata in ampere/ora (Ah) ci dice quanto tempo impiega un certo carico (ad esempio un motore), a scaricare la batteria. Per ipotesi una batteria da 12 Ah può essere scaricata applicando una utenza da 12 ah, per un periodo di tempo di un'ora.
Questo è comunque solo un modo per capire il funzionamento della batteria, poichè, in realtà, non dovremmo chiedere alla batteria di fornirci con continuità una corrente superiore al 10-20 % della propria capacità.
Correnti elevate possono comunque essere richieste per tempi brevissimi (qualche secondo).
E' la situazione che si verifica ad esempio quando avviamo da fermi la bici elettrica. In quel momento è richiesta una elevata corrente di spunto, adatta a mettere in movimento il motore, che può arrivare per pochi attimi anche a valori di 7-8 volte la corrente di targa della batteria.
Proseguendo con l'esempio, nel caso di una batteria da 12 Ah, questa potrebbe arrivare a fornire una corrente istantanea di oltre 90 Ampere.
Altra caratteristica di cui tenere conto nell'approfondire la conoscenza di una batteria è l'autoscarica. Questa consiste in un abbassamento, nel tempo, del voltaggio e della capacità di cui dispone la batteria inizialmente, anche se non viene utilizzata.
Il fenomeno diviene molto evidente in 3-4 settimane di non utilizzo (e quindi assenza di ricarica) della batteria.
Una scarica prolungata può portare alla deformazione degli elementi interni della batteria, fino alla possibile formazione di un cortocircuito, oppure all'intervento di circuiti di protezione. In entrambe i casi l'accumulatore diventerà inutilizzabile.
Quindi, per mantenere una batteria in buono stato, è necessario ricaricarla preventivamente, specie se non in uso, a cadenza regolare (normalmente si suggerisce di non andare oltre le 4 settimane tra una ricarica e l'altra).

La batteria al piombogel

La batteria al piombogel è stata la prima batteria ad essere utilizzata per alimentare i motori delle bici elettriche. Impiega una tecnologia tuttora in uso che fa della robustezza e del basso costo i suoi punti di forza. Il limite è rappresentato dal peso. Con un rapporto peso potenza poco favorevole, la batteria piombogel va a gravare sul peso della bici per approssimativamente 12 kg. Inoltre richiede spazi di alloggiamento piuttosto rilevanti che ne condizionano fortemente la collocazione. Cionondimeno è ancora molto diffusa, soprattutto nella realizzazione di bici elettriche a pedalata assistita di costo più contenuto (senza escludere tuttavia alcune eccezioni di prodotti di alto livello che prevedono proprio tale tipo di alimentazione). Aggiunge un ulteriore punto di forza la facile reperibilità e la relativa semplicità di intervento quando si debbano sostituire gli elementi esauriti. Inoltre tollera discretamente gli sbalzi di temperatura e la scarica eccessiva. Questa performance si spiega proprio con la presenza del gel, che tra l'altro permette anche di collocare le batterie in posizione inclinata, senza il rischio di fuoriuscita di liquidi e acidi. Il fenomeno di autoscarica è certamente presente e non va sottovalutato. Nella prima fase del processo di scarica si assiste ad un leggero deposito sulle piastre interne della batteria, di solfato di piombo (in forma di cristalli) che, a processo ultimato, crea su di esse un vero e proprio strato biancastro. Il fenomeno, in ultimo, diviene evidente anche all'esterno, con il solfato bianco di piombo che si forma intorno e sopra i terminali di collegamento della batteria.
Anche le scariche parziali, e peggio ancora quando queste sono ripetute nel tempo, portano allo stesso risultato, in modo più subdolo, poichè avviene gradualmente e con minore evidenza.

La batteria agli ioni di litio

La batteria agli ioni di litio, spesso citata anche come Li-Ion, è un tipo di accumulatore che negli ultimi anni ha trovato sempre maggiore impiego nel settore della mobilità elettrica, e soprattutto nelle bici elettriche a pedalata assistita. Gli ioni di litio mostrano di avere una elevata densità di carica, la più alta tra quelli che si producono naturalmente, ed è grazie a questa caratteristica che la batteria può avere un peso contenuto. La diffusione di questo tipo di batteria si spiega con il rapporto molto favorevole tra peso e potenza (determinante per la leggerezza complessiva della bici elettrica), l'assenza di effetto memoria, la lenta perdita della carica quando non è in uso (auto-scarica), e l'elevato numero di cicli di ricarica possibili.
La contropartita è che la batteria Li-Ion va trattata con cura, e deve essere protetta adeguatamente. Per la collocazione sulle bici elettriche si richiede che l'accumulatore agli ioni di litio debba essere infatti alloggiato all'interno di una scocca metallica sufficientemente robusta, e protetta elettricamente da una circuitazione elettronica adeguata. La tensione della batteria, inoltre, non può scendere sotto una certa soglia, pena la irrecuperabilità della stessa. La auto-scarica è un fenomeno piuttosto contenuto nella batteria agli ioni di litio e viene stimata tra il 5% e il 10% al mese rispetto alla tensione di carica iniziale. Una buona parte di tale perdita va comunque riferita al consumo da parte del circuito di monitoraggio della tensione, collocato proprio all'interno della batteria. Bisogna anche ricordare che la batteria gli ioni di litio è soggetta ad un decadimento fisiologico indipendentemente dal numero di cicli di carica/scarica. Dal momento della sua produzione inizia il conteggio delle ore di vita previste per questo tipo di batteria. Stagione dopo stagione, la capacità nominale andrà riducendosi, con percentuali di calo variabili che possono arrivare fino al 20% annuo, e che risultano molto sensibili alle condizioni d'uso abituale della batteria.

Corretto impiego e conservazione della batteria agli ioni di litio

Il costo decisamente elevato di una batteria agli ioni di litio invita ad osservare con scrupolo le indicazioni per il suo mantenimento ottimale. La difficoltà di reperimento della materia prima (che in natura si trova in quantità limitate), la complessità del processo di estrazione, e anche le condizioni di monopolio nella gestione di tale risorsa da parte di poche industrie nel mondo, fanno lievitare inesorabilmente i costi.
Tipicamente, le condizioni di lavoro da evitare per una batteria gli ioni di litio, sono quelle riferibili a temperature elevate in esercizio, scarsa ventilazione durante la ricarica, e richieste di potenza elevata per lunghi periodi.
Viste le caratteristiche chimico fisiche e la particolarità costruttiva, in condizioni d'uso particolarmente avverse, la batteria gli ioni di litio può interrompere bruscamente il suo funzionamento, senza fornire alcun segnale premonitore del suo prossimo crollo. In questo caso la batteria diventa inservibile e non è possibile "rianimarla".
Nelle bici elettriche le batterie Li-Ion sono protette dalla scarica eccessiva da un apposito circuito elettronico che interviene tagliando l'erogazione di corrente in caso di tensione troppo bassa. Può quindi capitare di uscire con la bici ritenendo di avere una buona riserva di energia, e all'improvviso trovarsi senza alimentazione. Sembra che, inspiegabilmente, la bici si fermi e non ne abbia motivo. In realtà è appena intervenuto il circuito di protezione che, impedendo un ulteriore assorbimento, salva la integrità della batteria.
Ricordiamo che, se teniamo la batteria al litio inutilizzata per qualche tempo, e con valori di carica iniziale già bassi, il rischio di perdere l'efficacia di questa tutela elettronica è elevato, e la batteria potrebbe con facilità risultare inservibile. La procedura di ricarica di una batteria agli ioni di litio utilizza un alimentatore a tensione costante, di caratteristiche nettamente diverse rispetto ad un caricabatterie destinato ad una batteria piombogel (evitare assolutamente l'uso di un caricabatterie non appropriato). Nel processo di ricarica della batteria agli ioni di litio, la corrente iniziale sale gradualmente fino a portare la batteria alla tensione nominale prevista, poi la tensione rimane costante con un progressivo calo della corrente fino ad un certo valore minimo. Conoscendo a priori quanto tempo sarà necessario per ricaricare a fondo la batteria è utile utilizzare a monte del caricabatteria un timer, impostato per staccare l'alimentazione al termine della ricarica. Eviteremo alla batteria inutili e dannosi stress da sovraccarica.

Caratteristiche costruttive della batteria agli ioni di litio

Come detto la chimica delle batterie agli ioni di litio richiede particolare cura nella fase di progettazione e costruzione. Il litio è intrinsecamente instabile e potenzialmente esplosivo, e viene sempre abbinato ad un altro metallo che ne modererà questa caratteristica (cobalto, ferro, manganese). E' fatto obbligo ai costruttori di inserire all'interno della batteria dispositivi di protezione adeguati. Il momento critico è soprattutto la carica, con la necessità di evitare la sovraccarica e il surriscaldamento. Per scongiurare quanlunque rischio in tal senso viene montato un interrutore termico, il quale interviene prevenendo il possibile surriscaldamento. Una valvola di sfiato, inoltre, è in grado di scaricare l'eventuale aumento di pressione interna.
Va detto che, in genere, tali protezioni sono progettate per intervenire una sola volta, e quando si attivano rendono di conseguenza la batteria non più utilizzabile.
Nella batteria agli ioni di litio l'anodo viene fatto con carbonio, il catodo viene prodotto con un ossido metallico, e l'elettrolita è realizzato sciogliendo sale di litio in un solvente organico.
Condizioni anomale di ricarica potrebbero determinare la formazione di metallo di litio, molto reattivo e a rischio di esplosioni. Ecco perchè vengono incorporati dispositivi protettivi e/o fusibili per evitare fenomeni di inversione accidentale della polarità, sovraccarichi di tensione, e surriscaldamento. 

La batteria litio polimeri

Una evoluzione della batteria agli ioni di litio è l'accumulatore litio-polimero (anche detto Li-Poly o LiPo).
La differenza sostanziale è che l'elettrolita in sale di litio viene inserito in un composito di polimero solido e non è disciolto in un solvente organico. Questo tipo di realizzazione della batteria espone a rischi inferiori in caso di danneggiamento dell'accumulatore poichè il polimero solido non è infiammabile.
Inoltre non è prevista la protezione di un guscio di metallo e ciò favorisce un ulteriore alleggerimento della batteria. Ne consegue anche una maggiore densità energetica rispetto alle batterie Litio-Ioni classiche, con un miglioramento di circa il 20%. La corrente di auto-scarica è anche molto contenuta.
Alcuni aspetti sono tuttavia meno favorevoli, come la vita in termini di cicli carica/scarica, che si riduce approssimativamente del 40%, sempre rispetto alla litio-ioni classica. Vi è poi l'esigenza di proteggere la batteria da forature del corpo batteria, che esporrebbe l'accumulatore al rischio di autocombustione. Un film plastico di un certo spessore è in genere sufficiente a preservare la batteria da tale rischio.
La ricarica va esclusivamente effettuata con caricabatteria specificamente realizzato per quella applicazione, un possibile cortocircuito produrrebbe altrimenti una esplosione. Inoltre, sono richiesti controlli elettronici di coppia per i motori elettrici collegati alla batteria, al fine di contenere le correnti di scarica che porterebbero al danneggiamento della batteria.

La batteria litio ferro fosfato (LiFePo)

Un'altra evoluzione della batteria agli ioni di litio è quella al litio-ferro-fosfato (LiFePO4), nella quale il catodo è realizzato con litio-ferro-fosfato. Normalmente gli accumulatori al litio (Li-ion) comuni impiegano in questa posizione l'ossido di cobalto. Altre possibili varianti sono quelle litio-ossido di manganese (LiMn2O4) e anche litio-ossido di nichel (LiNiO2). Possiamo quindi classificare la batteria sulla base del tipo di materiale utilizzato per realizzare il catodo.
L'anodo viene normalmente realizzato in carbonio.
In termini pratici le batterie LiFePO4, offrono una maggiore resistenza termica, una più lunga durata, una corrente di picco elevata, e un ridotto impatto ambientale che deriva dall'uso del ferro. Inoltre nelle batterie LFP il fenomeno di auto-scarica è relativamente contenuto. Con un impiego intorno al 90% della capacità nominale, è possibile raggiungere i 2000 cicli di ricarica. La stabilità della tensione è sempre ottimale anche se la batteria viene gravata da grossi carichi. Per contro l'energia specifica di un accumulatore LFP è più bassa rispetto ad un accumulatore LiCoO2, e, da nuova, va utilizzata con cura evitando di scaricarla oltre il 60%, pena la compromissione delle prestazioni. LiFePO4 offre maggiori garanzie di sicurezza anche quando non sono perfettamente rispettate le condizioni operative (corto-circuito, surriscaldamento, ecc.).

 

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