Caricabatteria Programmabile per Batterie al Piombo e al Litio

Introduzione

La batteria, è una delle soluzioni di accumulo di energia più facilmente accessibili, ha guadagnato popolarità negli ultimi anni.
Le batterie possono essere utilizzate nell'elettronica personale, nelle automobili e nei gruppi di continuità (UPS), nei veicoli elettrici e nello stoccaggio di energia rinnovabile.

Tuttavia, le caratteristiche dei diversi tipi di batterie pongono sfide tecniche ai consumatori e persino agli ingegneri per selezionare batterie e caricabatterie.
In questa guida parleremo delle differenze tra due tipi di batteria più diffusi:

• Batteria al piombo 
• Batteria al litio

quindi come selezionare un caricabatterie adatto.

Caratteristiche delle batterie al piombo e al litio

Le batterie al piombo-acido come uno dei tipi di chimica delle batterie più diffuse.
I vantaggi delle batterie al piombo sono:

• L'elevata tolleranza della tensione di carica
• L'elevata capacità di sovracorrente
• L'ampia temperatura di esercizio
• Prezzo basso

La batteria al piombo viene utilizzata spesso in applicazioni motrici come:

• automobili
• carrelli elevatori, nonché sistemi di backup.

Gli svantaggi delle batterie al piombo sono:

• L'elevata velocità di auto-scarica
• Cicli di carica / scarica relativamente brevi
• Dimensione e peso

Questo tipologia di batteria non è adatta per applicazioni di accumulo di energia.

Le batterie al Litio sono un candidato migliore per immagazzinare energia a lungo termine grazie all'elevato tasso di carica / scarica, il basso tasso di auto-scarica e l'elevata densità di energia.

A seconda del metallo utilizzato sul catodo, ci sono una diverse tipologie di batterie al litio con diverse prestazioni:

• L'ossido di litio cobalto (LCO) ha un'alta densità di energia ed è popolare nell'elettronica personale
• Il litio ferro fosfato (LiFePO4) ha una durata maggiore e un’ottima stabilità termica rendendolo una migliore un'opzione per le soluzioni di accumulo di energia.

La fuoriuscita termica potrebbe far prendere fuoco alla batteria, questa è una limitazione delle batterie al litio.
Pertanto, le batterie al litio richiedono una carica / scarica più decisa.

Ciclo di ricarica della batteria

La tensione nominale di una singola cella al piombo è di circa 1,8-2,3 V con una corrente di carica massima consigliata di 0,3 C.

La maggior parte delle batterie commercializzate ha molte celle in serie e in parallelo, formando una batteria con maggiori tensioni come 12V, 24V e 48V.
Notare che "12V", "24V o" 48V "viene spesso utilizzato in modo approssimativo come indicazione della gamma di tensione.
La tensione effettiva cambierebbe costantemente in base alla capacità rimanente.
Ad esempio, la tensione a circuito aperto di una tipica batteria piombo-acido AGM "12V" è compresa tra 10,8 V (30% della capacità della batteria) e 13,8 V (100% della capacità).

A causa dell'elevato tasso di auto-dissipazione delle batterie al piombo, spesso si consiglia il metodo di ricarica a 3 fasi.

Il ciclo di carica:

• Inizia nella fase di corrente costante ("fase 1" della Figura 1) in cui il caricabatterie limita la sua corrente di uscita al valore massimo e aumenta lentamente la sua tensione di uscita
• Una volta che la tensione della batteria raggiunge la tensione di carica massima, il caricabatterie passerà a una fase di tensione costante ("fase 2" della Figura 1)
• Il caricabatterie inizia a fornire costantemente la sua tensione nominale massima e monitorare la sua corrente di uscita
• Infine, il caricabatterie passa alla fase di carica “floating” ("fase 3" della Figura 1) dopo che la corrente di carica è scesa al di sotto del 10% circa della corrente nominale. In questa fase, il caricabatterie abbasserebbe la sua tensione di uscita per evitare il sovraccarico.

Figura 1. Curva di carica a 3 stadi

Le batterie al litio possono avere tensioni nominali da 3,2 V a 4,4 V con una corrente di carica massima fino a 1 C.

A differenza delle batterie al piombo, le batterie al litio non sopportano un'elevata tensione di carica e non richiedono una carica flottante per mantenere il loro stato di carica.
Pertanto, le batterie al litio vengono spesso caricate con un metodo di ricarica a 2 stadi (Figura 2) senza la fase di carica “floating”.

Figura 2. Curva di carica a 2 stadi

Uno dei problemi per i grandi banchi di batterie al litio, è lo sbilanciamento delle celle.
A causa delle tolleranze di produzione, la resistenza in serie equivalente (ESR) delle celle al litio non può essere abbinata perfettamente.
Le differenze tra le celle fanno sì che le celle dello stesso banco possano essere caricate con una tensione o una corrente diversa.
Le celle con bassa ESR verranno sempre caricate / scaricate completamente per prime, quindi quelle celle si rovinano prima.
Lo squilibrio delle celle non solo riduce la durata della batteria, ma potrebbe anche causare una fuga termica e diventare un pericolo per la sicurezza.
Per risolvere questo problema, i banchi di batterie al litio di grandi dimensioni dovrebbero essere sempre dotati di sistemi di monitoraggio della carica della batteria (BMS-Battery Management System ).

La funzione di base del BMS è:

• Il monitoraggio dello stato di carica
• Il bilanciamento delle celle passivamente o attivamente.

Il BMS passivo bilancia le celle scaricando le celle più piene utilizzando resistori di potenza.
È robusto e relativamente facile da progettare, ma non efficiente e meno efficace.
D'altra parte, il BMS attivo carica le celle individualmente in modo che corrispondano agli stati di carica.
Poiché il BMS attivo ha il controllo della carica per ogni cella, alcuni banchi di batterie al litio con BMS attivo richiedono solo alimentatori CA / CC a tensione costante come caricabatterie.

Soluzioni di ricarica intelligente della batteria

I nostri caricabatterie programmabili, offrono flessibilità e un’interfaccia chiara per la regolazioni della curva di carica.

Prendiamo come esempio la serie HEP-1000 di Mean Well rilasciata di recente.

L'impostazione predefinita della serie HEP-1000-48 è un alimentatore a tensione costante da 48 V e max 1008 W.
I clienti possono collegare HEP-1000-48 con il programmatore caricabatterie intelligente MEAN WELL SBP-001 e abilitare la modalità caricatore.

Figura 3. Programma di ricarica intelligente (HEP-1000-48, ricarica in 3 fasi)

La curva di carica predefinita è a 3 stadi (Figura 3) per batterie piombo-acido sigillate tipiche con una tensione di carica boost di 57,6 V e una tensione di carica “floating” di 55,2 V. La tensione e la corrente di carica possono essere facilmente regolate rispettivamente a 36 ~ 60 V e 3,5 ~ 17,5 A per altri tipi di batterie al piombo.

Selezionando semplicemente la modalità di carica a 2 stadi, HEP-1000 può essere utilizzato anche per caricare batterie al litio con lo stesso intervallo di regolazione.
Per caricare una batteria LiFePO4 da 20 Ah(Ampere-ora ) con una tensione di carica massima di 56 V.

Le opzioni "CV" (cambio continuo) e "CC" mostrate nella Figura 4 possono essere impostate su 56 V e 17,5 A, garantendo una ricarica più rapida.
Il cliente potrebbe anche abbassare la corrente di carica per evitare l'aumento della temperatura causato da correnti elevate e abbassare la tensione per evitare la possibilità di sovraccarico.

Figura 4. Programma di ricarica intelligente (HEP-1000-48, ricarica in 2 fasi)

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Notizia Originale: Caricabatteria Programmabile per Batterie al Piombo e al Litio