La batteria si presenta in questo modo, sono 43 cm x 11 x 7 circa, il peso non posso precisarlo in quanto la mia bilancia arriva a 5kg e va tranquillamente a fondo scala, presumo sia oltre i 6 kg comunque.
Una volta tolto il termoretraibile che la avvolge la batteria si presenta in questo modo, con i cavi necessari al suo funzionamento tutti ordinatamente posti su un solo lato. I conduttori sono tutti ricoperti con tubo sterling bianco e la batteria è impacchettata con molto nastro di buona qualità del tipo in fibra di vetro.
Il BMS (battery management system) si trova sul lato di uscita dei cavi, contenuto fra 2 strati di vetronite da 1mm con adesivo, il tutto fissato con nastro e quasi sigillato. Il circuito è piccolo in rapporto a quelli commerciali...poi vedremo perchè, ma si tratta sicuramente di un modello dedicato.
Una volta tolto il BMS e tutte le connessioni elettriche ecco come si presentano le celle. Sono 36 elementi ricoperti in guaina cartone e incollati fra loro, le batterie sono parallelizzate con una lamina di rame di circa 2,5 decimi di spessore poi coperta da isolante in carta adesiva nera e sono elettropuntate. Da ogni ponte spunta una lamella per il collegamento al BMS. Tolto il tutto le dimensioni risultano di 41 x 10.5 x 6.5 cm....ancora troppi...
Ora per procedere non rimaneva che decidere se eliminare completamente l'assemblaggio precedente o trovare un modo per evitarlo. La soluzione migliore sarebbe ovviamente stata quella di riassemblare totalmente la batteria e dargli una forma di triangolo da inserire il più in basso possibile nel triangolo della bici. Questa soluzione però voleva dire dovere togliere completamente le lamelle ed andare a saldare poi direttamente sui poli le nuove connessioni con il probabile rischio di rovinare qualche cella. Non mi sono sentito di rischiare troppo, quindi ho deciso di darle una forma sempre a rettangolo ma più pratica. Ho tagliato in 3 punti le lamelle esistenti e per farlo è bastato passare per 2-3 volte un taglierino. Per disunire i gruppi cella basta passare sempre il taglierino in mezzo ed il gioco è fatto. In questo modo ho conservato le vecchie connessioni in parallelo e mi è rimasta una buona superficie piatta su cui saldare i nuovi ponti senza andare a scaldare eccessivamente le celle.
I 3 gruppi di celle tagliati via dal lungo pacco sono poi stati poi incollati su uno dei lati in modo da ottenere una geometria di 4 x 9 celle ed una dimensione di 30 x 14 cm. In questo modo il pacco entrerà più facilmente nel triangolo e sarà di dimensioni più adatte ad un portapacchi o borsa qualora il posizionamento centrale non sarà soddisfacente...ma speriamo di no! Fra il gruppo di 9 paralleli e i 3 disposti poi a fianco ho interposto una lamina di materiale di 1mm in modo da irrobustire l'assemblaggio ed eventualmente togliere facilmente le celle in caso di altra disposizione.
Ora non rimane che collegare con dei ponti i gruppi ricomposti. Dopo avere eliminato l'adesivo di carta nero che ricopriva i poli e pulito per bene le lamelle con diluente per togliere tutti i residui di colla, ho preso una lamina di rame da 1,2mm e la ho sagomata in modo da ottenere il nuovo ponte.
Procediamo quindi con la sadatura del ponte. Questa operazione va effettuata con rapidità e per fare in modo che ciò avvenga è necessario un saldatore di buona potenza, io ho utilizzato un classico saldatore stilo da 150W con punta piatta grande. Dapprima conviene passare dello stagno sulla barretta in rame dalla parte in cui appoggerà sulle lamine delle batterie, poi altro stagno sulle lamine, infine si appoggia la lamina in rame al posto giusto e la si fissa in due punti. Ora non rimane che apportare abbondante stagno e passare con la punta su tutta la superficie della lamina di rame che così rimane stagnata da questo lato e si attacca per bene sul lato sottostante.
Procediamo quindi con gli altri ponti....
...e dopo aver ricoperto le celle è finita la parte di ridimensionamento del pacco...ora i lati sono più proporzionati e gestibili, passiamo quindi alla parte elettronica.
La batteria è dotata di questo BMS che serve a gestire le batterie. Esso si occupa di diverse operazioni: durante la carica controlla che la tensione delle celle non superi quella massima consentita e cerca di fare in modo che tutte le celle vengano caricate alla loro massima capacità, durante il funzionamento controlla che la temperatura della batteria non superi il valore consentito, protegge la batteria da eccessiva erogazione di corrente, alla fine della scarica disconnette la batteria quando la prima di tutte le celle abbassa la sua tensione sotto quella minima consentita. Un piccolo chip si occupa di gestire queste operazioni, aiutato dai componenti elettronici necessari.
Dalla foto possiamo vedere la piastra superiore dei 2 piani di componenti, quella che si occupa di dissipare la potenza in eccesso delle celle che per prime vanno a caricarsi completamente. Questa piastra emette calore durante la carica, si nota il grande pad dissipativo in gomma che aiuta la dispersione di calore. La costruzione su due piani consente un notevole risparmio di spazio. Le resistenze dissipanti del bilanciatore sono 4 per ogni ramo e sono poste in parallelo fra di loro per una resistenza risultante di (220/4=55ohm) che riconducono ad una corrente di bilanciamento di circa 66mA, che sinceramente giudico veramente esigui.
La piastra inferiore contiene il chip di controllo, lo shunt di monitoraggio della corrente in transito (5 resistori da 5 milliohm /1W in parallelo per un totale di 1 millihom, componenti siglati 5L0F), la sezione di potenza per la corrente verso l'uscita (3 mosfet IRFB3207), il mosfet di controllo per la corrente di carica (T430), il sensore di temperatura (2 piccoli fili neri a sinistra), alcuni pad di controllo delle tensioni ed i componenti necessari al funzionamento.
Nonostante l'ottima qualità dei componenti e del circuito stampato ho riscontrato una certa approssimazione del montaggio, come si vede dalle 2 foto a causa dell'eccessiva lunghezza delle viti che trattengono il piccolo radiatore dei mos e soprattutto del capocorda dei fili di uscita, le due piastre non sono complanari e non riescono a chiudersi come dovrebbero, lasciando i 2 connettori inseriti poco bene. Anche se questo non ha manifastato inconvenienti nel tempo ho ritenuto necessario migliorare questo particolare poichè era possibile farlo.
In pratica è stato sufficiente rifare il pezzo in alluminio che fissa i mos al circuito con un altro dotato di fori filettati. La forma è leggermente diversa per consentire uno spazio per la saldatura del filo in uscita direttamente sullo stampato.
In questo modo i pin sono complanari e si inseriscono perfettamente, le faccie delle 2 schede sono ora parallele.
A questo punto rimontare il BMS sulla batteria sembrerebbe il passo più logico...ma non per me. In occasione di alcuni test su altri circuiti analoghi ho potuto riscontrare un funzionamento fuori specifiche di alcuni modelli economici, per sicurezza ho voluto testate anche questo che in apparenza sembra ben costruito con componenti di buona qualità e un buon circuito stampato. Come spiegato sopra il BMS si occupa di varie funzioni, una delle più importanti è il controllo della massima tensione in carica. Le celle da impiegare su questi tipi di applicazioni (bici-auto-modelli) sono generalmente un certo numero collegate in serie in modo da formare una tensione elevata ed adeguata al nostro uso. Purtroppo pur essendo i processi di fabbricazione piuttosto precisi succede che non tutte le celle siano identiche per quanto riguarda le loro caratteristiche quindi per un utilizzo ottimale e durevole occorre monitorarle e gestirle singolarmente. Il BMS di cui parliamo si occupa di questo e controlla che durante la carica la tensione di ogni singola cella non ecceda il valore consigliato dal costruttore. Nella fattispecie le celle qui utilizzate sono delle LiFeP04 o più comunemente denominate litio-ferro-fosfato che non dovrebbero mai superare la tensione consigliata di 3.65 V. Praticamente tutti i costruttori raccomandano in maniera assoluta di non superare in questa fase i 3.7 V pena un decadimento delle caratteristiche delle celle, ma questo circuito rispetterà questi valori ? Per scoprirlo non resta che provare...
Collegando quindi provvisoriamente il BMS alla batteria provvedo con un tester a misurare la cella che fin dalle prime fasi di carica risulta la più alta in tensione, la batteria era carica al 50% e ferma da una settimana, quindi presumibilmente in buono stato di bilanciamento. Sulla destra invece si può notare un secondo tester impiegato a rilevare la corrente di carica, si tratta di un millivoltmetro che misura uno shunt di 10 cm di filo da 1,2mm di diametro che corrisponde a circa 4,6 milliohm sul quale scorre una corrente di carica di 5A dal caricatore, in questo caso leggermente inferiore.
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Purtroppo però continuando la carica come si può vedere succede ciò che non dovrebbe....la cella più carica sale fino oltre 3.9V mentre la più scarica è ancora a 3.4V.
Queste sono condizioni che un BMS in teoria non dovrebbe permettere e che precludono una lunga vita delle celle. Appena oltre questa tensione il BMS interrompe completamente la carica ed entra in stand-by, in attesa che le resistenze di bilanciamento abbassino la tensione su quella cella, in circa 2-3 minuti la tensione scende a 3,7 ed il processo di carica riprende fino a che in circa 20 secondi di nuovo la cella si ritrova sempre a 3,9 volt ed il processo di carica si interrompe di nuovo. A questo punto si genera un looping molto lungo di interruzione e ripresa della carica che da una parte mantiene una cella sempre in condizioni di overvolt mentre le altre hanno scarsa possibilità di continuare a caricarsi. Il problema è dovuto come già avevo immaginato dalla scarsa corrente di bilanciamento del circuito di appena 66 mA a 3,65V , valore che giudico assolutamente inadeguato allo scopo.
Come uscire da questa situazione ?
Purtroppo se il pacco batterie è montato e si ha a disposizione il solo caricatore dedicato c'è poco da fare, o si continua per ore e ore in attesa dello spegnimento definitivo del caricatore in condizioni così "difficili" per una o alcune celle oppure si può applicare alla batteria una corrente costante di valore appena più basso o uguale a quella di bilanciamento. Questo metodo di raggiungimento della piena carica senza sottoporre a sovratensione le celle è un metodo che ho appreso sul forum principe in italia nel campo delle bici elettriche, ovvero il forum di JOBIKE ed in particolare ad una idea dell'utente Elettrificatore che ringrazio per il permesso di citazione. Potete trovare la discussione riguardo a questo argomento oltre che allo schema necessario a realizzare un caricatore a bassa corrente a questo indirizzo
Nel mio caso, avendo a disposizione un caricatore da modellismo dai parametri impostabili è stato sufficiente impostare una corrente di carica di 100mA (la minima possibile sul caricatore) ed in circa 1 ora tutto è tornato a posto.
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Come possiamo vedere il caricatore impostato a 100mA di carica è riuscito in breve tempo a riportare a posto le cose. La stessa cosa la si può ottenere tramite la costruzione di specifico alimentatore a bassa corrente a cui dovremo solo impostare la tensione di funzionamento per il numero delle nostre celle. Suggerirei di rendere la corrente regolabile o di fare qualche prova per capire quale realmente sia la corrente che il BMS è in grado di bloccare per non fare andare in overvolt le celle. Una volta applicato questo trattamento a una batteria sbilanciata, il BMS è in grado di fare il suo lavoro se utilizziamo con regolarità la batteria, il problema descritto però si ripresenterà sicuramente dopo un periodo di fermo. Da questa esperienza ricaviamo il suggerimento che è bene sottoporre una batteria ferma da un po di tempo (per il tempo dipende da batteria a batteria) ad un processo di ricarica molto lenta per alcune o molte ore prima di utilizzarla nelle migliori condizioni. Per chi ha la fortuna di avere un BMS con segnalatori luminosi basterà attendere l'accensione di tutti i led, per chi come me non ha gli indicatori la cosa risulta più problematica, ma non ci sono controindicazioni a lasciare molto tempo attaccato un caricatore da pochi mA, quindi dovremo andare un po alla cieca abbondando con il tempo, se avessimo la possibilità di misurare ogni cella sarebbe ottimo.
Per chi va di fretta e non vuole problemi invece suggerisco la soluzione del bilanciatore di potenza presente alla pagina "bilanciatori" di questo sito.
NOTA
Alla luce di alcune prove effettuate con BMS premontati o acquistati e facendo riferimento anche al funzionamento del caricabatterie da modellismo ho notato quanto segue:
In tutti i casi c'è una protezione di massimo voltaggio che disconnette il caricatore o il BMS qualora il valore massimo di una cella superi circa 3.9 Volt.
I costruttori di queste batterie (parlo di LiFeP04) si raccomandano e consigliano di non superare mai la tensione massima di 3.65 - 3.7 Volt. Mi chiedo quindi quale sia nella realtà il comportamento da considerare migliore in fase di carica. Al riguardo sul web ho trovato in realtà che qualcuno effettua la carica di questa tipologia di batterie fino a valori di 4,2 V sostenendo che non sia necessaria una fase finale di carica in CV (voltaggio costante) ottenendo quindi una maggiore rapidità di carica. Personalmente imposterò un valore di carica di 3.6 V/cella poichè ho fatto dei test di ricarica fino a 3.7 -3.8 V senza riscontrare aumenti in capacità restituita rispetto ai 3.6 V consigliati.
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Per continuare nel rimontaggio del pacco ho deciso quindi di dotarlo di solo circuito LVC e di piastra per semplificare le interconnessioni necessarie. Il circuito LVC spegnerà il motore nel caso in cui una delle 12 celle dovesse per qualche motivo andare sotto alla tensione minima consigliata di 2,1 Volt, mentre sulla piastra andranno saldati i vari conduttori provenienti da ogni singola cella.
La piastra è stata sistemata su un lato della batteria e ad essa sono collegati in ordine tutti i cavi provenienti dalle celle, sulla destra e sinistra sono presenti 2 connettori, quello a sinistra sarà utilizzato per collegare il circuito LVC, quello destro per andare al bilanciatore esterno.
Il circuito LVC assemblato ed estraibile pronto ad essere montato.
Montaggio e fissaggio del circuito su un lato della batteria...ovviamente su questo lato non faremo gravare il peso della batteria.
Procediamo saldando i cavi di potenza da 4 mm di sezione in silicone, per sicurezza ricoperti con tubo sterling. Il circuito LVC viene imbottito per fare assumere alla batteria una forma a parallelepipedo.
Finalmente la batteria è pronta all'uso. Da essa fuoriescono i cavi + e -, il cavo di controllo LVC ed il cavo multipolare per il bilanciamento, si tratta di un comune cavo floppy a 34 poli di cui ne sono stati utilizzati solo 26 (doppio cavo per sicurezza).
Al momento mi fermo quì, di seguito avverrà il montaggio del sistema elettrico-batteria all'interno del triangolo che descriverò in altra pagina....a presto !!!
Le modifiche trattate negli articoli possono provocare danni notevoli all'hardware e alla persona qualora chi le esegue non abbia una certa familiarità con l'elettricità, la meccanica, l'elettronica ecc.. ci si astenga quindi eventualmente dal metterle in pratica qualora non si abbia affinità con le materie predette. In ogni caso lo scrivente non si ritiene responsabile di eventuali danni provocati dai progetti e dal loro utilizzo a cose e/o persone.